《One Health Advances》：Synergistic UVA-Cu2+ disinfection in water environments: simultaneous removal of pathogens, antibiotics and antibiotic resistance genes
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世界卫生组织将抗菌药物耐药性视为对人类健康的严重威胁。水环境作为细菌的栖息地发挥着重要作用，并有利于抗菌药物耐药基因（ARGs）的转移。尽管已经开发了多种水消毒方法，但仍需进一步努力以平衡效率、成本与安全性。本研究显示，紫外线A（UVA）与铜离子（Cu2?）的
世界卫生组织将抗菌药物耐药性视为对人类健康的严重威胁。水环境作为细菌的栖息地发挥着重要作用，并有利于抗菌药物耐药基因（ARGs）的转移。尽管已经开发了多种水消毒方法，但仍需进一步努力以平衡效率、成本与安全性。本研究显示，紫外线A（UVA）与铜离子（Cu2?）的组合能够协同灭活病原体，包括大肠杆菌（Escherichia coli）、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）、副溶血弧菌（Vibrio parahaemolyticus）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）。在50 μM Cu2?存在下暴露于UVA 3小时，可使活菌数降低8 log?? CFU/mL。此外，UVA–Cu2?体系有效降解了残留抗生素，在相同条件下对磺胺甲噁唑的去除率达到99.55%，对恩诺沙星的去除率达到74.04%。包括bla_TEM-1、tet(C)、tet(A)和sul2在内的ARGs被降至检测限以下，从而减轻了抗生素残留和ARGs带来的风险。机理研究表明，UVA–Cu2?处理会引发细菌内过量的活性氧（ROS），导致DNA损伤、蛋白质羰基化、脂质过氧化及其他氧化损伤，甚至引起细胞死亡。总之，UVA–Cu2?处理能够以同步方式协同根除多重耐药（MDR）病原菌、抗生素残留和ARGs。本研究为水环境消毒提供了一种可行的方法，并为未来在复杂废水基质中的评估奠定了基础，而对铜离子回收的优化将进一步增强其环境可持续性。
研究背景与科学问题
抗菌药物耐药性（AMR）是全球性的重大公共卫生挑战，水环境作为细菌的重要栖息地和耐药基因传播的关键途径，亟需有效的消毒策略。现有消毒方法如单独使用UVA穿透力强但消毒效果有限，而铜离子（Cu2?）虽具广谱抗菌活性但高浓度使用存在生态风险。目前尚缺乏一种能够同时高效灭活多重耐药（MDR）病原菌、降解残留抗生素并消除抗生素抗性基因（ARGs）的综合水处理方法。因此，研究人员提出将UVA与低浓度Cu2?联用，旨在开发一种协同、安全且高效的同步消毒技术。
研究内容与主要发现
研究人员系统评估了UVA–Cu2?组合对水环境中常见病原菌（包括大肠杆菌、嗜水气单胞菌、副溶血弧菌和金黄色葡萄球菌）的杀灭效果，发现该组合在50 μM Cu2?和UVA照射3小时条件下可实现8 log?? CFU/mL的细菌灭活率，并通过Bliss独立性模型证实了二者的协同杀菌作用。在污染物去除方面，该组合对磺胺甲噁唑（SMZ）和恩诺沙星（ENR）的降解效率分别达到99.55%和74.04%，同时使质粒携带的bla_TEM-1、tet(C)和染色体携带的tet(A)、sul2等ARGs丰度降至检测限以下。机理研究揭示，UVA照射产生H?O?，与Cu2?发生类芬顿反应生成高活性的·OH自由基，这些活性氧（ROS）在细胞内大量积累，造成DNA氧化损伤、蛋白质羰基化、脂质过氧化以及细胞膜完整性破坏，最终导致细菌死亡。此外，联合处理还显著抑制了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、硫氧还蛋白还原酶（TRXR）和谷胱甘肽还原酶（GR）等抗氧化酶的活性，加剧了氧化应激。
关键技术方法
研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）利用365 nm UVA灯管（18 W，Philips）作为照射源，结合CuSO?提供Cu2?，进行细菌灭活实验；（2）采用平板计数法评估杀菌效果，并使用Bliss独立性模型量化协同效应；（3）通过改良纸片扩散法测定抗生素（SMZ和ENR）的降解效率；（4）运用定量聚合酶链式反应（qPCR）检测ARGs（bla_TEM-1、tet(C)、tet(A)、sul2）的丰度变化；（5）使用流式细胞术和荧光探针（DCFH-DA、DHE、HPF等）测定细胞内ROS水平；（6）采用扫描电子显微镜（SEM）观察细菌形态变化；（7）通过商业试剂盒测定抗氧化酶（SOD、CAT、TRXR、GR）活性及氧化损伤标志物（8-OHdG、蛋白质羰基、脂质过氧化物）。临床水样由广州利洋水产科技有限公司提供。
研究结果
UVA和Cu2?协同根除MDR病原菌：通过剂量依赖性杀菌曲线和时间杀菌实验，研究人员发现UVA与Cu2?联用在1–3小时内完全清除所有测试菌株，Bliss模型分析显示45种组合中91%呈现协同效应（S值>0），且对革兰氏阴性菌和阳性菌均有效。环境因素测试表明，该组合在多数pH、温度、二价离子和有机物条件下保持良好效果，但在低温下效能下降。六份临床水样经处理后病原菌被完全清除。
UVA和Cu2?协同根除耐药基因和残留抗生素：联合处理1、2、3小时后，SMZ降解率分别为61.15%、86.25%和99.55%，ENR降解率分别为53.60%、63.57%和74.04%。对于ARGs，bla_TEM-1丰度在1小时内从11.74降至6.71 log?? copies/mL，tet(C)从11.73降至8.63 log?? copies/mL，tet(A)和sul2分别从9.62和9.86降至6.48和6.38 log?? copies/mL，2小时和3小时后均低于检测限。
UVA和Cu2?触发类芬顿反应损伤细菌膜：UVA照射后溶液中H?O?快速积累，联合处理使Cu?浓度升高，表明发生了类芬顿反应。pBR322 DNA电泳显示仅联合处理导致DNA完全断裂。SEM观察到联合处理后细菌膜严重受损，内外膜通透性显著增加，核酸和蛋白质等大分子泄漏。
杀菌性ROS积累定义联合疗法的协同作用：DCFH-DA探针显示联合处理使细胞内ROS荧光强度增加约5倍，细胞内硫醇含量从对照组3102 nM/g蛋白降至612 nM/g蛋白。ROS清除剂硫脲可消除协同效应。特异性探针证实O??、H?O?和·OH均在联合处理中显著增加。Cu?螯合剂BCS减弱了协同作用，证实Cu?/Cu2?循环驱动了ROS放大。
联合处理细菌的生物学后果：8-OHdG检测显示联合处理使DNA氧化损伤增加约2倍；蛋白质羰基化水平增加约1 μM/g蛋白；BODIPY探针证实脂质过氧化显著增强。抗氧化酶活性测定显示，联合处理后SOD活性降至45.34%，CAT降至38.34%，TRXR降至23.25%，GR降至71.52%，表明抗氧化防御系统全面崩溃。
讨论与结论
讨论部分指出，UVA–Cu2?组合相比传统UVC和臭氧高级氧化工艺具有穿透力强、光生物风险低、无需外加氧化剂和螯合剂等优势。夏季太阳UVA辐射强度可达3 mW/cm2，接近实验所用强度，提示太阳能辅助应用潜力。研究中Cu2?用量（50 μM，约3.2 mg/L）远低于水产养殖推荐剂量（40 mg/L），降低了选择压力和成本。然而，该方法受pH、温度、水硬度等环境参数影响，实际应用中需优化条件。Cu2?残留可能对水生生物构成生态风险，未来应发展吸附或电化学沉积等回收技术。
研究结论翻译如下：本研究中，UVA与Cu2?的联合应用在特定水溶液体系中展现出有效的病原体灭活能力，以及显著的ARGs和残留抗生素去除能力。然而，由于大部分实验在磷酸盐缓冲液中进行，需要进一步在真实水样中验证这些发现。尽管如此，系统阐明的机制加深了对基于ROS的消毒策略的理解，并为先进处理策略的开发提供了坚实的机理基础。
