钴单原子锚定在结晶氮化碳中用于高效过氧单硫酸盐活化以对抗抗生素耐药性

《Eco-Environment & Health》：Cobalt single atoms anchored in crystalline carbon nitride for efficient peroxymonosulfate activation to combat antibiotic resistance

　　

抗生素耐药性因其对人类健康和生态系统稳定性的威胁而在全球范围内构成重大风险。值得注意的是，水生生态系统被认为是抗生素耐药性污染物的储库。因此，迫切需要开发有效策略以缓解水生环境中的抗生素耐药性。本研究中，研究人员制备了一种钴单原子–结晶氮化碳（Co-CCN）催化剂，并将其用于活化过氧单硫酸盐（PMS）以实现抗生素耐药菌（ARB）灭活和抗生素抗性基因（ARGs）去除。值得注意的是，Co-CCN/PMS系统在20分钟内实现了约6–7 log的多种ARB灭活，并且基于细胞形态成像和蛋白质泄漏测量进一步证实了ARB膜破坏。此外，tetA的去除效率在120分钟内超过4 log reduction。电子顺磁共振（EPR）和淬灭实验证实，Co-CCN/PMS系统产生了^•OH、SO₄^•?、^•O₂^?和¹O₂，用于高效ARB灭活和ARG去除。此外，Co-CCN/PMS系统在处理实际水样时也表现出卓越的环境稳健性和高效性。密度泛函理论（DFT）计算表明，单个Co原子通过静电相互作用吸附PMS中的氧原子，伴随从Co-CCN到PMS的电子转移以活化PMS。研究人员的发现为在 aquatic 环境中通过PMS活化缓解抗生素耐药性提供了原子层面的见解。

**钴单原子锚定结晶氮化碳高效活化过氧单硫酸盐对抗抗生素耐药性——论文解读**

**研究背景与问题**

抗生素耐药性已成为全球公共卫生的重大威胁，预计到2050年每年可能导致1000万人死亡。水生生态系统被认为是抗生素耐药性污染物（包括抗生素耐药菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs））的重要储库。传统消毒技术如臭氧氧化、紫外线（UV）照射和氯化在处理ARB和ARGs时存在局限：UV消毒可能导致ARB通过光复活再激活，氯化与臭氧氧化在灭活ARB的同时可能促进ARGs的释放与环境累积。因此，迫切需要开发高效去除ARB和ARGs的先进水处理技术。基于过氧单硫酸盐（PMS）的先进氧化过程（AOPs）通过产生羟基自由基（^•OH）、单线态氧（¹O₂）等活性氧物种（ROS）被认为是一种有前景的策略。单原子催化剂（SACs）因原子利用率近100%和可调控电子结构，在PMS活化中展现出高效性，其中钴基SACs活性最高。结晶氮化碳（CCN）具有优异的化学稳定性和电荷分离能力，但缺乏活性位点。将过渡金属单原子锚定在富氮的CCN框架中，可提供丰富的M–N_X配位位点，稳定单原子并增强PMS吸附与活化动力学。本研究旨在合成钴单原子–结晶氮化碳（Co-CCN）催化剂，系统评估其活化PMS用于ARB灭活和ARGs去除的性能与机制，为水生环境中抗生素耐药性缓解提供原子级见解。该论文发表在《Eco-Environment》。

**关键技术与方法**

研究人员采用熔盐辅助热解法合成CCN，随后通过调控CoCl₂·6H₂O用量（100 mg和200 mg）制备两种Co负载量的Co-CCN（Co1-CCN和Co2-CCN）。利用多种表征技术确认催化剂结构：扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、球差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）观察形貌；X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析晶体与化学结构；X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）解析Co的配位环境（Co–N₄）。细菌灭活实验选用多种ARB菌株：四环素耐药大肠杆菌（TREC，含RP4质粒携带tetA、bla_TEM-1、aphA基因）、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA，ATCC 43300）、万古霉素耐药粪肠球菌（VREF，ATCC 700802）、碳青霉烯耐药鲍曼不动杆菌（CRAB）和碳青霉烯耐药铜绿假单胞菌（CRPA），其中CRAB和CRPA分离自水生生态系统。ARG去除采用实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR）检测tetA基因。ROS鉴定通过电子顺磁共振（EPR）和自由基淬灭实验，结合密度泛函理论（DFT）计算揭示PMS活化机制。实际应用潜力评估采用来自海河和团泊湖（中国天津）的水样。

**研究结果**

**3.1 Co-CCN的表征**
通过SEM和TEM观察到CCN呈纳米棒形貌，引入Co单原子后形貌无明显变化。AC-STEM图像显示大量孤立亮斑均匀分布于碳基质中，证实Co以原子级分散。EDS映射显示Co元素均匀分布。XRD图谱中未出现Co特征衍射峰，表明Co均匀分散；FT-IR光谱显示Co-CCN保留了CCN的化学结构。XPS未检测到明显Co 2p信号，但ICP-MS测出Co1-CCN和Co2-CCN的Co负载量分别为0.13 wt%和0.31 wt%。XANES和EXAFS分析表明Co2-CCN中Co的价态接近+2，且以Co–N₄配位构型存在，Co–N键长2.04 ?，无Co–Co散射，证实了单原子分散。

**3.2 Co-CCN/PMS系统高效灭活ARB**
以TREC和MRSA为模型，Co-CCN/PMS系统在20分钟内实现了超过6-log的灭活效率，而单独PMS或CCN/PMS系统灭活可忽略。Co2-CCN/PMS系统对VREF、CRAB、CRPA等临床重要菌株也表现出约6–7-log的广谱杀菌活性。Co2-CCN因Co含量更高而活性优于Co1-CCN。循环实验表明Co2-CCN/PMS系统在5次循环后仍保持>6-log灭活，且材料形貌基本保持。SEM观察显示处理后的ARB细胞出现明显变形和膜塌陷；蛋白质泄漏检测和活/死菌荧光染色进一步证实了膜完整性破坏。

**3.3 Co-CCN/PMS系统高效去除ARGs**
针对游离tetA基因，Co2-CCN/PMS系统在120分钟内实现超过4-log去除，而单独PMS或CCN/PMS系统几乎无去除。在灭活TREC过程中，该体系同时实现了tetA基因的同步降解，总去除率超过4-log。循环实验显示5次循环后仍保持>4-log去除效率。反应120分钟后PMS残留浓度为14.4 μg/mL（残留率70.6%），Co离子溶出约5.96 ng/mL，表明系统稳定性良好。

**3.4 Co-CCN系统消除ARB和ARGs的机制**
EPR实验检测到Co2-CCN/PMS系统产生明显的^•OH、SO₄^•?、^•O₂^?和¹O₂信号，而CCN/PMS系统信号微弱。淬灭实验表明，四种ROS对ARB灭活和ARG去除均起关键作用。细胞内ROS水平升高，表明ROS可穿透细胞并导致胞内ARG降解。DFT计算显示，PMS在Co-CCN表面的吸附能（?4.33至?4.46 eV）远低于CCN（?0.16至?0.22 eV），表明Co-CCN具有更强的PMS吸附亲和力。电荷密度差和投影态密度（PDOS）分析证实Co-CCN与PMS之间存在显著电荷转移，且Co配位引入了近费米能级电子态，增强了导电性，促进了PMS活化。

**3.5 Co-CCN/PMS系统的实际应用潜力**
在海河和团泊湖实际水样中，Co2-CCN/PMS系统在20分钟内对总细菌灭活率>99%，对TREC和MRSA在30分钟内实现约6-log灭活。对实际水样中spiked的tetA基因，120分钟内实现约4-log去除，表现出优异的抗环境干扰能力和实际应用潜力。

**总结与结论**
讨论部分指出，Co-CCN/PMS系统通过产生多种ROS协同作用，高效破坏细菌膜结构并降解胞内和胞外ARGs。Co–N₄单原子位点增强了PMS吸附和界面电子转移，是催化效率的关键。系统在实际水样中的稳健性表明其适用于真实水处理场景。
研究结论：本研究成功合成了具有原子级分散Co–N₄活性位点的Co-CCN催化剂，该催化剂能够持续高效活化PMS。Co-CCN/PMS系统在20分钟内实现了约6–7 log的多种ARB灭活，并有效去除ARGs。机制研究表明，Co-CCN活化PMS生成多种活性自由基（^•OH、SO₄^•?、^•O₂^?和¹O₂），共同促进ARB和ARGs的强力消除。原子分散的Co位点促进了强PMS吸附和增强的界面电子转移，支撑了系统的催化效率。此外，Co-CCN/PMS系统在天然水基质中实现了有效的ARB和ARG去除，突显了其在实际水处理应用中的潜力。这些发现使Co-CCN成为旨在缓解水生环境中抗生素耐药性的先进氧化过程的有前景候选材料。然而，将这项技术转化为实际应用仍需解决关键挑战，包括Co-CCN合成的可扩展性和成本，以及催化剂在连续流系统中的可回收性和长期稳定性。未来工作应致力于开发可磁分离的Co-CCN复合材料或将Co-CCN固定于膜上，优化合成路线以降低成本，并在环境相关条件下评估系统长期性能。解决这些方面对于推动Co-CCN/PMS系统在水处理基础设施中的实际部署至关重要。