银掺杂硼酸盐生物玻璃去除污水大肠杆菌O157:H7的创新研究及其在水资源再利用中的应用

本研究针对全球淡水资源短缺问题，开发了一种新型银掺杂硼酸盐生物玻璃(BAgX)系统，用于高效去除污水中的粪大肠菌群（以大肠杆菌O157:H7为指示菌）。通过熔融淬火法制备不同Ag2O浓度(1-4 mol%)的BAgX样品，证实BAg1(1 mol% Ag2O)具有最优抗菌性能（抑菌圈27.0±1.0 mm，生长抑制率95.31%），其最小抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)分别为5 mg/mL和50 mg/mL。该技术为污水回用提供了一种低成本、环境友好的解决方案。

　　

全球淡水资源仅占地球总水量的3%，其中可供人类使用的不足0.01%。随着人口增长和工业化进程，污水排放导致的微生物污染已成为威胁公共卫生安全的重大问题。粪大肠菌群尤其是产志贺毒素大肠杆菌O157:H7(STEC)作为水质污染的指示菌，可引发溶血性尿毒综合征等严重疾病。传统污水处理方法如氯化消毒易产生有害副产物，亟需开发新型环保材料。

埃及曼苏拉大学理学院植物学系的研究团队在《Scientific Reports》发表研究，通过熔融淬火法制备银掺杂硼酸盐生物玻璃(BAgX)，其成分为(65-X)B₂O₃-20Na₂O-10CaO-5P₂O₅-XAg₂O（X=0-4 mol%）。研究发现1 mol% Ag₂O掺杂的BAg1样品对污水中的大肠杆菌O157:H7抑制效果最佳，抑菌效果接近抗生素阿莫西林（抑菌圈28.33±0.1 mm），且能100%去除污水中的粪大肠菌群。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)表征材料结构，动态光散射(DLS)检测颗粒尺寸（BAg1平均粒径380±65 nm），扫描电镜(SEM)观察细菌形态损伤。通过标准平板计数法(SPC)和最大可能数法(MPN)评估抗菌效率，结合EC肉汤和TBX琼脂培养基进行菌种确认。

材料表征结果
XRD证实所有BAgX样品均为非晶态结构。SEM显示BAg1表面存在银纳米颗粒聚集，EDX谱验证了B、O、Na、Ca、P和Ag元素的存在。FTIR显示1009 cm^-1处硼氧键(B-O-B)随Ag⁺掺杂发生化学位移至1021 cm^-1，表明Ag⁺与磷酸基团相互作用。

抗菌性能评估
BAg1在20 mg/mL浓度下处理污水24小时，使粪大肠菌群从>160,000 MPN/100 mL降至180 MPN/100 mL（达标值≤5000 MPN/100 mL）。TBX琼脂确认处理后污水无β-葡萄糖醛酸酶阳性大肠杆菌存活。银离子释放实验显示BAg1在污水中24小时释放4.43±0.02 ppm Ag⁺（释放率0.185 ppm/h），低于去离子水中的释放量。

作用机制
SEM观察到BAg1处理的细菌出现细胞壁破裂、形态扭曲和尺寸异常（>2μm）。推测Ag⁺通过破坏细胞膜完整性、抑制蛋白质功能、诱导活性氧(ROS)产生等多途径发挥杀菌作用。14天耐药性实验证实大肠杆菌O157:H7未对BAg1产生耐药性。

该研究首次将硼酸盐生物玻璃应用于污水净化领域，1 mol% Ag₂O掺杂的BAg1兼具高效抗菌性和成本优势，处理后的污水可用于灌溉、工业冷却等非饮用用途。相比传统氯化消毒，该方法避免了有毒副产物生成，为水资源循环利用提供了创新解决方案。研究团队建议进一步优化Ag₂O掺杂比例以平衡抗菌效率与材料毒性，推动该技术在实际污水处理厂的应用示范。