硫功能化石墨烯海绵阳极实现多重耐药革兰氏阳性菌的不可逆灭活研究

针对饮用水多重耐药菌污染问题，研究人员创新性地采用硫功能化石墨烯海绵(SRGO)阳极耦合氮掺杂石墨烯(NRGO)阴极，通过低电压电穿孔机制实现革兰氏阳性菌Enterococcus gallinarum的高效灭活。该系统在43.5 A m–2电流密度下单次处理即可达到2.3 log去除率，能耗仅2.7 kWh m–3，且无消毒副产物生成，为无氯消毒技术提供了新范式。

　　

在全球水资源危机与耐药菌蔓延的双重威胁下，饮用水安全正面临前所未有的挑战。世界卫生组织数据显示，约22亿人缺乏安全饮用水服务，而传统氯消毒产生的致癌副产物（DBPs）和革兰氏阳性菌对紫外线/臭氧的耐受性，迫使科学家寻求更安全的消毒方案。尤其令人担忧的是，像Enterococcus gallinarum这类携带ermA、vanC1等抗性基因的多重耐药菌，其厚达30-100纳米的肽聚糖细胞壁对常规氧化处理具有显著抵抗力。

欧洲研究委员会资助的ICRA（加泰罗尼亚水资源研究所）团队另辟蹊径，将材料科学与电化学技术相结合。研究人员开发出硫功能化还原氧化石墨烯（SRGO）海绵阳极，通过引入亲水性-C-SO_x-C-基团提升材料润湿性，并与氮掺杂石墨烯（NRGO）阴极组成流动式电化学反应器。这项发表于《Water Research》的研究突破性地实现了对多重耐药E. gallinarum的5.8 log级灭活，且能耗低于传统方法。

关键技术包括：1）采用Na₂S硫源制备SRGO海绵电极；2）构建连续流反应器系统评估14.5-43.5 A m^–2电流密度下的灭菌效能；3）扫描电镜（SEM）观察细胞壁电穿孔损伤；4）间歇电流模式优化能耗。

【Graphene sponge synthesis and characterization】
XPS表征证实硫掺杂成功引入-SO_x-官能团，接触角测试显示SRGO润湿性较未改性RGO提升40%，这显著增强了细菌与电极表面的相互作用。

【Electrochemical inactivation of E. gallinarum】
在43.5 A m^–2连续电流下，SRGO/NRGO系统实现2.3 log灭活，能耗2.7 kWh m^–3，较未改性电极节能29%。间歇电流模式进一步将能耗降至1.8 kWh m^–3而保持同等效率。SEM图像显示细菌细胞壁出现纳米级孔洞，伴随胞内物质泄漏形成的碎片，证实低电压电穿孔（<1.5 V）的物理灭活机制。

【Conclusions】
双反应器串联系统最终达成5.8 log总去除率（含16小时储存附加效果），单位灭活能耗0.94 kWh m^–3。该技术突破传统电化学阳极依赖活性氯的局限，通过材料表面工程强化直接电子转移，为低电导率水体中耐药菌处理提供了绿色解决方案。专利WO2022069621A1已涵盖该电极制备方法，有望推动新一代饮用水消毒设备的发展。