铁电凝聚灭活病毒过程中衣壳蛋白氧化的蛋白质组学与分子机制研究

《Environmental Science & Technology》：Virus Capsid Modifications Accompanying Inactivation during Iron Electrocoagulation Revealed by Proteomics, Infrared Spectroscopy, and Molecular Modeling

本研究发现铁电凝聚（EC）技术可在11.5分钟内实现MS2噬菌体>6.7-log的高效灭活，通过质谱（MALDI-TOF-MS）、红外光谱（FTIR）和密度泛函理论（DFT）计算揭示了非水解性衣壳氧化损伤机制，为水回用中病毒控制提供了创新性分子级证据。

　　

铁电凝聚过程中的病毒衣壳修饰机制研究

引言

随着再生水在饮用水供应中的比重日益增加，对病毒对数去除值（Log₁₀Reduction Values, LRVs）的要求日趋严格。电化学水处理技术因其高效性和可持续性备受关注。本研究聚焦铁电凝聚技术，通过多学科交叉手段揭示了该技术对MS2噬菌体的灭活机制，首次在分子水平证实了反应性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）对病毒衣壳蛋白的非水解性氧化损伤。

研究方法与实验设计

实验采用低碳钢阳极与石墨阴极构建电凝聚体系（Fe-C系统），在pH 5.5和6.5条件下以20 mg/L铁剂量处理MS2噬菌体悬浮液。通过斑块测定法区分病毒去除与灭活效应，并利用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）分析衣壳蛋白修饰。傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于量化蛋白质二级结构变化，而空间相互作用映射与密度泛函理论（DFT）计算则用于解析ROS与特定氨基酸残基的相互作用机制。

病毒灭活效能与电凝聚优势

研究结果显示，Fe-C电凝聚在pH 5.5条件下仅需11.5分钟即可将MS2噬菌体降至检测限以下（LRVs ? 6.7），显著优于传统FeCl₃凝聚（仅实现病毒去除而无灭活）。石墨阴极的引入大幅提升过氧化氢（H₂O₂）产率，促进电芬顿反应，从而增强灭活效能。时序监测表明，病毒灭活程度与H₂O₂生成量呈正相关，且酸性环境更利于高价铁物种（如铁酰离子[Fe^IVO]²⁺）的生成与反应。

衣壳蛋白氧化修饰的分子证据

质谱分析发现，电凝聚处理后的病毒衣壳蛋白出现+16、+32、+48 Da的氧加合物峰及-43 Da的负质量位移峰，提示半胱氨酸（Cys46）、精氨酸（Arg49）等残基发生氧化修饰。值得注意的是，未检测到低分子量蛋白片段，表明损伤属于非水解性机制，即肽键未断裂但蛋白质空间构象遭破坏。对比实验证实，传统凝聚处理未引发类似修饰，印证了电凝聚特有的氧化灭活途径。

铁酰离子-半胱氨酸簇的量子化学机制

DFT计算显示，铁酰离子可与Cys46残基形成五重态自旋稳定簇，Fe-S键长2.48 ?，Fe-O键长1.59 ?，表明存在共价相互作用。自旋密度分析揭示铁中心具有高反应活性，可逐步将Cys46氧化为次磺酸、亚磺酸及磺酸衍生物，与质谱观测到的多氧加合物峰相符。空间相互作用模型进一步提示，色氨酸（Trp32）和精氨酸（Arg49）可能为次级氧化靶点，其修饰可能影响衣壳与RNA的结合稳定性。

蛋白质二级结构与碳酰基化表征

FTIR光谱分析显示，电凝聚处理后病毒蛋白的α-螺旋/β-折叠比值显著降低，无序结构比例上升，且碳酰基含量增加。这些变化与灭活程度、质谱修饰峰强度高度负相关，证实氧化损伤导致蛋白质空间构象坍塌。特征峰位分析检测到醛类、酮类等碳酰衍生物，与精氨酸氧化为谷氨酸半醛的反应路径一致。

工程应用与机制关联

研究通过监测Fe(II)与H₂O₂动态浓度，验证了电芬顿反应强度与灭活效率的因果关系：Fe-C系统在pH 5.5时呈现最强氧化性，对应最高LRVs。该研究首次将病毒灭活效能与特定氨基酸氧化修饰、蛋白质构象变化通过多维度数据关联，为电凝聚技术在再生水处理中的工艺优化提供了理论依据。

研究启示与未来方向

本工作揭示了铁电凝聚通过ROS介导的衣壳靶向氧化实现病毒灭活的新机制，为小规模分布式水处理系统提供了技术支撑。未来需在真实水体基质中验证该机制的普适性，并拓展至其他病毒类型的灭活路径研究，以推动电化学消毒技术的标准化应用。