综述：基于紫外线的均匀消毒工艺用于去除抗生素抗性基因：效率、机制及影响因素

《Journal of Environmental Sciences》：UV-Based Homogeneous Disinfection Process for removal of Antibiotic Resistance Genes: Efficiency, Mechanisms and Influencing Factors

UV-AOPs技术可有效去除水体中抗生素耐药基因（ARGs），通过光解与氧化协同作用破坏ARGs结构。研究重点包括不同体系（UV/H2O2、UV/PAA、UV/PS、UV/Cl）的自由基生成机制、UV剂量、水化学条件（pH、阴离子、有机物）等对去除效率的影响，同时对比膜技术与臭氧的经济性。摘要强调需平衡消毒副产物生成与处理效果，为规模化应用提供理论支撑。

　　抗生素耐药基因（ARGs）在水环境中广泛存在，并且其传播对全球公共卫生和生态环境构成了严重威胁。随着抗生素的广泛应用，其残留物通过各种途径进入水体，进而促进耐药性的形成与扩散。为了应对这一挑战，科学家们正在积极研究先进的水处理技术，特别是基于紫外光（UV）的均相高级氧化工艺（UV-AOPs）。这些技术不仅能够有效去除水中的ARGs，还能够在不产生大量有害副产物的前提下实现高效的消毒和净化。本文旨在全面评估UV-AOPs在ARGs去除中的应用进展，探讨其作用机制和影响因素，并分析其在实际水处理中的可行性与前景。

### 抗生素耐药基因的来源与传播

抗生素耐药基因的传播主要发生在水环境中，其来源包括医院废水、畜牧养殖业、水产养殖以及城市生活污水。这些基因不仅存在于细菌的基因组中，还可以通过水平基因转移（HGT）在不同微生物之间传播。HGT是一种在微生物之间交换遗传物质的过程，使得耐药性可以在短时间内迅速扩散，形成复杂的耐药网络。此外，ARGs还具有自我复制和持久性的特点，使其在环境中更容易积累和传播。由于抗生素的广泛使用，许多ARGs已经进入自然水体，并可能通过水循环进入人类饮用水和灌溉用水，进一步威胁公共健康。

### UV-AOPs的作用机制

基于紫外光的高级氧化工艺（UV-AOPs）是一种通过紫外光照射与氧化剂协同作用，实现对污染物高效去除的技术。在UV-AOPs中，紫外光可以激活氧化剂，如过氧化氢（H?O?）、过氧乙酸（PAA）、过硫酸盐（PS）和氯气（Cl），从而生成高活性的自由基，如羟基自由基（•OH）、硫酸根自由基（SO?•?）、碳中心自由基以及反应性氯物种。这些自由基能够直接攻击ARGs的DNA结构，导致其损伤或断裂，从而抑制基因的表达和传播。此外，UV-AOPs还可以通过破坏微生物的细胞结构，增加ARGs的暴露程度，使其更容易受到氧化和光解作用的影响。

对于外源性ARGs（e-ARGs）和内源性ARGs（i-ARGs），UV-AOPs的作用机制有所不同。外源性ARGs通常存在于细菌的胞外环境中，而内源性ARGs则嵌入在细菌的基因组中。UV-AOPs对e-ARGs的去除主要依赖于自由基的氧化作用，而对于i-ARGs的去除则需要通过破坏细菌的细胞膜和细胞壁，使基因组暴露于氧化环境中。因此，UV-AOPs在去除不同类型的ARGs时，需要考虑其作用方式和反应条件。

### 影响ARG去除效率的关键因素

在UV-AOPs中，影响ARG去除效率的因素多种多样，包括紫外光的波长和照射强度、氧化剂的种类和剂量、ARGs的序列特征、水体的pH值、常见阴离子以及溶解性有机物的含量等。这些因素共同作用，决定了自由基的生成、淬灭以及反应环境的稳定性。

首先，紫外光的波长和照射强度对ARG去除具有重要影响。研究表明，265 nm波长的紫外光比254 nm波长的紫外光在去除耐药菌方面更为有效。这是因为不同波长的紫外光对微生物DNA的吸收和破坏能力不同，从而影响ARGs的去除效率。此外，紫外光的照射强度（即紫外光通量）也是决定去除效果的关键因素，通常情况下，更高的紫外光通量能够实现更高的ARGs去除率。

其次，氧化剂的种类和剂量对ARGs的去除效果同样至关重要。不同的氧化剂在紫外光照射下生成的自由基类型和活性不同，因此对ARGs的去除能力也有所差异。例如，过氧化氢（H?O?）在紫外光照射下能够生成羟基自由基（•OH），而过硫酸盐（PS）则可以生成硫酸根自由基（SO?•?）。这些自由基对ARGs的去除效率与它们的反应活性密切相关。此外，氧化剂的浓度也会影响自由基的生成速率，从而影响ARGs的去除效果。

第三，ARGs的序列特征也是影响其去除效率的重要因素。某些ARGs的序列结构可能更容易受到自由基的攻击，而另一些则可能具有更强的稳定性。因此，在实际应用中，需要根据ARGs的序列特征选择合适的处理条件，以提高去除效率。

第四，水体的pH值对UV-AOPs的去除效果有显著影响。在不同的pH条件下，自由基的生成和反应速率会发生变化，从而影响ARGs的去除效率。例如，在酸性条件下，某些自由基的生成可能会受到抑制，而在碱性条件下，自由基的反应活性可能会增强。因此，在设计UV-AOPs时，需要考虑水体的pH值，并调整处理条件以达到最佳效果。

第五，常见阴离子如氯离子（Cl?）、硫酸根离子（SO?2?）和硝酸根离子（NO??）对UV-AOPs的去除效果也有一定影响。这些阴离子可能会与自由基发生反应，从而降低其活性，影响ARGs的去除效率。因此，在实际应用中，需要对水体中的阴离子含量进行监测，并采取相应的措施来优化处理效果。

第六，溶解性有机物（DOM）的存在也会影响UV-AOPs的去除效率。DOM可能会与自由基发生反应，形成稳定的络合物，从而降低自由基的活性。此外，DOM还可能作为自由基的淬灭剂，影响其反应速率。因此，在设计UV-AOPs时，需要考虑DOM的含量，并通过预处理或其他手段减少其对处理效果的影响。

### UV-AOPs的经济可行性

尽管UV-AOPs在去除ARGs方面表现出色，但其经济可行性仍然是一个重要的考量因素。在实际应用中，需要评估这些技术的总成本，包括初始投资和运行成本。运行成本主要由能源消耗和化学品消耗构成，因此在设计和优化UV-AOPs时，需要尽量减少这些成本，以提高其经济可行性。

与臭氧氧化和膜处理技术（如反渗透）相比，UV-AOPs通常具有较低的初始投资成本和更简单的反应器配置。这使得UV-AOPs在大规模应用中更具优势。然而，UV-AOPs的运行成本可能较高，尤其是在需要较高紫外光通量和氧化剂剂量的情况下。因此，在实际应用中，需要综合考虑各种因素，以实现最佳的经济与环境效益。

### 研究进展与未来展望

近年来，关于UV-AOPs在去除ARGs方面的研究取得了显著进展。不同类型的UV-AOPs，如UV/H?O?、UV/PAA、UV/PS和UV/Cl，已经被广泛应用于水处理领域，并在去除ARGs方面表现出良好的效果。然而，这些技术在实际应用中仍面临一些挑战，如如何提高去除效率、如何减少有害副产物的生成、以及如何优化处理条件以适应不同的水质和环境条件。

未来的研究方向可能包括以下几个方面：一是深入研究不同UV-AOPs的作用机制，以更好地理解其对ARGs的去除效果；二是开发更加高效的UV-AOPs系统，以提高去除效率并降低运行成本；三是探索UV-AOPs与其他水处理技术的协同作用，以实现更全面的污染物去除；四是加强对UV-AOPs在实际水处理中的应用研究，以评估其长期效果和环境影响。

综上所述，UV-AOPs作为一种先进的水处理技术，具有去除ARGs的潜力。然而，其实际应用需要综合考虑多种因素，包括作用机制、影响因素以及经济可行性。通过进一步的研究和优化，UV-AOPs有望成为控制ARGs传播的有效手段，为水循环利用和污水处理提供新的解决方案。