抗菌絮凝中基质介导的革兰氏依赖性去除逆转

《Bioresource Technology》：Matrix-mediated reversal of gram-dependent removal in antimicrobial flocculation

　　

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  可再生淀粉基絮凝剂可实现有效的细菌去除。
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  揭示了基质诱导的革兰氏依赖性细菌去除反转现象。
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  基质效应优先增强大肠杆菌相对于金黄色葡萄球菌的去除率。
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  无机颗粒导致细菌包膜发生剪切助力的物理磨损。
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  天然有机物通过细胞包膜结合诱导化学性包膜损伤。

引言

微生物污染仍然是确保安全的饮用水和卫生设施所面临的最持久挑战之一，威胁着联合国关于健康（SDG-3）和清洁水（SDG-6）的可持续发展目标（SDGs）（Grafton et al., 2025, Mekonnen and Hoekstra, 2016）。传统消毒方法，如氯化、臭氧化和紫外线照射/H₂O₂，虽然对微生物灭活有效，但存在关于消毒副产物（DBP）形成的相关担忧（Li and Mitch, 2018）。鉴于此，越来越多的关注转向增强末端消毒前的上游物理化学过程性能，以减轻下游处理负担及相关健康风险（Bond et al., 2010）。

絮凝作为一种广泛使用的主要处理技术，近年来已从简单的颗粒分离步骤演变为多功能过程，可同时发生颗粒聚结和微生物控制（Sun et al., 2025）。在此背景下，具有季铵或鏻基的阳离子聚合物絮凝剂（避免潜在有毒的氮类 DBP）显示出前景，这源于它们对带负电表面细菌的电荷中和、架桥和膜扰动机制（Hughes, 2024）；特别是环境友好的天然聚合物基絮凝剂更具吸引力，因为它们具有可再生、生物相容性和结构可调的优势（Li et al., 2025, Wang et al., 2020, Zeng et al., 2014）。然而，大多数关于其性能以前的研究都局限于使用简化的细菌悬浮液，其在真实水生环境中的行为仍知之甚少。重要的是，以前的研究主要将涉及革兰氏依赖性差异的抗菌性能解释为材料设计的固有结果（由固有絮凝剂性质决定）：以材料为中心的视角假定，一旦定义了絮凝剂聚合物结构，抗菌革兰氏依赖性就固定了（Sha'arani et al., 2019）。

然而，水处理系统很少仅以材料为中心的模式运行。在不同类型的原水/污水中，细菌与各种无机和有机基质成分共存（Liu et al., 2014），如矿物颗粒（Walch et al., 2022）、有机物（Ho et al., 2022）和金属离子（Zhou et al., 2023），这些可能影响絮凝性能。在这些成分中，无机悬浮颗粒（ISPs）和天然有机物（NOM）是饮用水生产源水中两种最常见的共存基质成分（Walch et al., 2023, Swinamer et al., 2024）。对于溶解性有机污染物，已知共存的环境基质（ISPs 和 NOM）会通过竞争活性位点、改变表面性质、猝灭/产生活性物种等，影响其命运（运输和转化）以及在各种水净化技术（吸附、膜过滤、高级氧化等）中的可处理性（Hong and Elimelech, 1997, Pelekani and Snoeyink, 1999, Wang et al., 2022, Wenk et al., 2011）。最近的证据进一步表明，NOM 可以影响水生系统中的微生物过程（Li et al., 2022）。这为微生物污染物提出了一个根本但尚未探索的问题：细菌絮凝是材料设计固有的（由固有絮凝剂性质决定），还是基质介导的（受环境基质影响）？回答这个问题需要将概念焦点从单独的材料性质转向水净化过程中的系统级界面相互作用。

在本工作中，我们报告了一种先前未被认知的抗菌絮凝过程中基质诱导的革兰氏依赖性细菌去除反转现象。使用鏻改性淀粉（S-TPP；化学结构、表征结果和优化阳离子度见附图 S1-S3 和正文 S1（见补充材料））作为模型絮凝剂，我们发现虽然在纯细菌悬浮液（无基质）中，革兰氏阳性金黄色葡萄球菌比革兰氏阴性大肠杆菌去除效率更高，但代表性源水基质（ISPs 和 NOM）的存在显著增强了两种细菌的去除率，但对大肠杆菌的促进作用明显更强，从而反转了相对去除排名。这种反转现象并不局限于单一聚合物体系，因为另一种传统的季铵改性淀粉（S-CTA；化学结构和表征结果见附图 S4 和正文 S2（见补充材料））也观察到类似的反转现象，这表明基质驱动的细菌去除重编程是普遍存在的，但在抗菌絮凝中被忽视了。基于絮凝实验、细菌完整性分析和化学计算的结果，揭示了不同的基质驱动机制途径，其中 ISPs 和 NOM 调节细菌包膜，从而改变革兰氏依赖性去除。本研究的结果表明，细菌絮凝性能不仅仅是材料设计固有的，而是基质介导和系统级的结果，应在代表性基质窗口中进行评估和优化，以实现稳健的微生物风险控制。

章节片段

材料

重均分子量约为 150 kDa 的淀粉购自中国滨州金汇玉米开发有限公司。营养肉汤（LB）粉（含 20 wt% 酵母提取物、40 wt% 蛋白胨和 40 wt% 氯化钠）和琼脂购自中国北京爱博星生物科技有限公司。腐殖酸、高岭土（平均粒径约 4 μm）、3-溴丙基三苯基鏻溴化物（TPP）、3-氯 -2-羟丙基三甲基铵氯化物（CTA）以及其他所有化学品均为

从无基质到含基质系统中革兰氏依赖性去除排名的反转

首先评估了 S-TPP 的比较剂量 - 响应细菌去除性能，以及在不同条件下相应的最低残余细菌密度（图 1）。对于中性 pH 值的纯细菌悬浮液，S-TPP 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均实现了有效去除，在可培养细胞密度方面实现了超过 2 个对数级的降低（图 1a）；在这两种细菌之间，金黄色葡萄球菌比大肠杆菌去除更有效，这反映为较低的残余

结论

本研究调查了两种常见源水基质（ISPs 和 NOM）对阳离子絮凝剂抗菌絮凝的影响。结果揭示了一种先前未被认知的基质诱导的革兰氏依赖性细菌去除反转：在无基质悬浮液中，金黄色葡萄球菌比大肠杆菌去除效率更高，而在含基质水（含 ISPs、NOM 或两者）中，两种细菌均被更有效地去除，但对大肠杆菌的增强作用明显更大

CRediT 作者贡献声明

卢帆：撰写 – 初稿，可视化，调查，正式分析。许胜宽：撰写 – 初稿，软件，方法学，调查，正式分析。袁乐：调查，正式分析。赵健波：撰写 – 审阅与编辑，监督。蔡迪：撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取。奈杰尔·J·D·格雷厄姆： . 杨震：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，正式分析，

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢

我们感谢江苏省自然科学基金中国（BK20231519）、中国国家自然科学基金（52470008）、农业农村部农村厕所革命与污水处理技术重点实验室（编号：KLRTSTTMARA2025-1）以及江苏省生物医学功能材料协同创新中心的资金支持。作者还感谢张先生和王先生提供的有益讨论。

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