【摘 要】
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抗生素耐药性已被认为是全球公共卫生的重大威胁。抗生素抗性细菌(Antibiotic resistant bacteria,ARB)的灭活和抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的去除对于抑制抗生素耐药性在环境中的传播至关重要。传统的水处理技术,如氯消毒、紫外消毒、芬顿氧化等虽然可以实现部分ARB及ARGs的去除,但化学试剂的大量使用会给环境带来潜在的二次
【基金项目】
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国家自然科学基金“等离子体氧化去除水中抗性细菌及其携带的抗性基因的效应与机制”(编号:21976143);
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抗生素耐药性已被认为是全球公共卫生的重大威胁。抗生素抗性细菌(Antibiotic resistant bacteria,ARB)的灭活和抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的去除对于抑制抗生素耐药性在环境中的传播至关重要。传统的水处理技术,如氯消毒、紫外消毒、芬顿氧化等虽然可以实现部分ARB及ARGs的去除,但化学试剂的大量使用会给环境带来潜在的二次污染。沿面放电等离子体作为一种新型高级氧化技术,因具有高效、无二次污染等优点,已被用于普通细菌的去除。与普通细菌不同的是,ARB即使死亡,其释放在环境中的ARGs仍具有生物活性,且可以通过多种途径进入到其它细菌体内,导致更多ARB的衍生,这增加了ARB的去除难度。目前,有关沿面放电等离子体去除水中ARB及ARGs的研究较少。基于此,本文提出采用沿面放电等离子体技术去除水中抗生素抗性大肠杆菌(Antibiotic resistant Escherichia coli,AR E.coli)及其携带的ARGs,并探究了沿面放电等离子体对AR E.coli及ARGs的去除机制。本文的主要研究结果如下:1.考察了沿面放电等离子体对AR E.coli及ARGs的去除效应。研究发现,在一定范围内增大放电电压和扩大载气流量均能促进AR E.coli和ARGs的去除,在放电电压18 k V、气体流量2.0 L min-1条件下处理10 min后,AR E.coli的灭活率达6.30 log CFU m L-1;ARGs tet C、tet W、bla TEM-1和aac(3)-II和整合子基因int I 1的去除率分别达0.52、1.83、4.32、3.53及4.59 log copies(μLDNA)-1。NO3-、Cu2+和Fe2+均通过促进·OH的生成促进ARB和ARGs的消除;10 min内,Fe2+的加入使AR E.coli的灭活率从4.5log CFU m L-1增加至7.4 log CFU m L-1,并且分别将tet C、tet W、bla TEM-1、aac(3)-II和int I 1的去除率提高了0.48、1.08、0.82、1.06及1.22 log copies(μLDNA)-1。14 k V,2.5L min-1条件下处理10 min后,即使部分AR E.coli在一定时间后得到复活,但ARGs的丰度和AR E.coli的耐药性并未明显增加。上述研究表明,沿面放电等离子可以实现AR E.coli及ARGs有效去除。2.探究了沿面放电等离子体对AR.E.coli的灭活机制。对体系中活性物质的分析表明:沿面放电等离子体产生的羟基自由基(·OH)和单线态氧(~1O2)主导了AR E.coli的灭活;·OH和~1O2清除剂的添加,分别使得AR E.coli的灭活速率常数降低了40.0%和64.2%。对细胞氧化应激、细胞膜完整性、细胞形貌及蛋白构象的变化分析表明:沿面放电等离子体系中产生的活性物质,一方面诱导AR E.coli产生氧化应激,一方面直接作用于细胞表面导致细胞膜完整性受损,胞内物质泄露、蛋白结构发生变化,是引起AR E.coli的灭活的主要原因。3.考察了沿面放电等离子体对ARGs及整合子基因的去除机制。沿面放电等离子体可以有效去除AR E.coli携带的DNA,在18 k V条件下处理10 min后DNA的浓度从105 ug m L-1降低至12.5 ug m L-1。对DNA结构、降解中间体以及骨架构象分析表明:沿面放电等离子体破坏了AR E.coli DNA的结构完整性,并将DNA分解为核苷酸碱基,最终将其矿化。ARGs和整合子基因与DNA的相关性分析表明:放电过程中,目标基因与DNA呈显著正相关。这些研究表明:DNA的破坏是ARGs去除的主要原因。结论:沿面放电等离子体产生的活性物质是导致AR E.coli及ARGs去除的重要原因。沿面放电等离子体能有效实现AR E.coli的灭活和ARGs的去除,从而有效控制抗生素耐药性的传播风险。
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