第一作者:Chenyi Nie
通讯作者:韩鹏 教授/童美萍 教授
通讯单位:北京大学环境科学与工程学院
抗生素抗性基因(ARG)由于对人类健康的威胁,已经成为全世界非常关注的新兴污染物。因此,迫切需要开发降解水中ARG的技术。在这项研究中,我们制造了MoS2@Fe3O4(MF)颗粒,并用于激活过硫酸氢钠(PMS),以降解四种类型的自由DNA碱基(T、A、C和G,ARG的主要成分)和ARG。我们发现,MF/PMS系统可以在很短的时间内有效降解所有四种DNA碱基(T在10分钟内,A在30分钟内,C在5分钟内,G在5分钟内)。在反应过程中,MF可以激活PMS形成活性自由基,如-OH、SO4-、O2-和1O2,促进了DNA碱基的降解。由于MF具有低吸附能、高电荷转移和强大的PMS裂解能力,它表现出了良好的PMS吸附和活化性能。MF中的MoS2可以增强Fe(III)/Fe(II)的循环,提高催化性能。由于产生了Cl-自由基和HClO物种,MF/PMS系统在复杂的水基(包括不同的溶液pH值、共存的阴离子和天然有机物)以及真实的水样(包括自来水、河水、海水和污水)中取得了优异的催化性能,特别是在高盐度条件下。MF/PMS系统还可以在超短的时间内有效降解ARG(染色体kanR和质粒gmrA)和从抗生素耐药菌(ARB)中提取的DNA。此外,在MF/PMS系统中也可以实现对两种类型的模型ARB(大肠杆菌K-12 MG 1655和大肠杆菌S17-1)的完全消毒。MF/PMS系统在重复使用实验和14天连续流动反应器实验中取得的高降解性能表明了MF颗粒的稳定性。由于MF的磁性,使用后可以方便地通过磁铁将MF颗粒从水中分离出来,有利于MF的再利用,避免了催化剂对水的潜在污染。总的来说,这项研究不仅对铁/摩触发的PMS活化过程有了深刻的认识,而且为处理水中的DNA碱基、ARG、DNA和ARB提供了一种有效和可靠的方法。
在这项工作中,MoS2@Fe3O4(MF)是通过将Fe(III)和Fe(II)共同沉淀到MoS2球体表面而合成的。所制备的样品被很好地表征了出来。请注意,ARG主要由DNA碱基、脱氧核糖和磷酸盐组成。自由基引起的ARG损伤主要是由DNA碱基的攻击引起的。因此,DNA碱基的降解过程对ARGs的降解非常关键。由于其最低的还原电位(1.29V),鸟嘌呤(G)被发现比其他碱基如胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C)最容易被氧化和损坏。然而,单纯的G损伤不能导致ARG的完全断裂。此外,由于鸟苷自由基(1.29V)的还原电位高于烷基过氧自由基(1.05V),DNA被组蛋白修复是可行的。因此,为了证明PMS通过MF激活是否能完全降解ARG,本研究对其对所有DNA碱基包括T、A、C和G的降解性能进行了研究。DNA碱基的降解机制和它们的降解途径被确定。此外,还考察了DNA碱基在复杂水基中的降解性能,如在不同的溶液pH值下,在阴离子和天然有机物共同存在的情况下,以及在实际水样(1L的大工作容积)中。此外,还确定了在四个重复使用的循环中以及在连续运行14天的连续流动反应器中的降解性能。此外,还研究了MF/PMS系统对两种模型ARG(染色体kanR和质粒gmrA)和从ARB中提取的DNA的降解,以及对两种模型ARB(大肠杆菌K-12 MG 1655和大肠杆菌S17-1)的消毒。
Fig. 1. Degradation performances of different systems towards 10 μM of four DNA bases (a) T, (b) A, (c) C, and (d) G. Reaction condition: [catalyst] = 200 mg/L, [PMS] = 200 mg/L, volume = 50 mL, T = 25 °C.Fig. 2. Effects of different scavengers on the removal of four DNA bases (a) T, (b) A, (c) C, and (d) G in MF/PMS system. Reaction condition: [L-histidine] = 1 mM, [MeOH] = 100 mM, [TBA] = 100 mM, [pBQ] = 5 mM, [MF] = 200 mg/L, [PMS] = 200 mg/L, volume = 50 mL, T = 25 °C.Fig. 3. EPR spectra of (a) 1O2, (b) ·OH and SO4·−, (c) O2·−; schematic of adsorption processes (d) between PMS and Fe3O4, and (e) between MF and PMS; (f) adsorption energy and charge transfer of Fe3O4/PMS and MF/PMS system.Fig. 4. The degradation pathways of four DNA bases and the chemical structure of four DNA bases. (a) degradation pathway of T; (b) chemical structure of T; (c) degradation pathway of A; (d) chemical structure of A; (e) degradation pathway of C; (f) chemical structure of C; (g) degradation pathway of G; (h) chemical structure of G.Fig. 5. The effects of (a) pH; and different anions, including (b) Cl−, (c) NO3−, (d) SO42−, (e) CO32−, and (f) HCO3−, on catalytic performances of MF/PMS system. Reaction condition: [MF] = 200 mg/L, [PMS] = 200 mg/L, volume = 50 mL, T = 25 °C.Fig. 6. (a) The effects of humic acid (HA) on catalytic performance of MF/PMS system (volume = 50 mL); (b) degradation performances of MF/PMS system towards T in real water samples (volume = 1 L). Reaction condition: [MF] = 200 mg/L, [PMS] = 200 mg/L, T = 25 °C.Fig. 7. The degradation performances of MF/PMS system towards (a) kanR and (b) gmrA as well as total DNA extracted from (c) E. coli K−12 MG1655 and (d) E. coli S17−1.Fig. 8. The inactivation performance of MF/PMS system towards (a) E. coli K−12 MG1655 with kanamycin resistance genes; the degradation performances of MF/PMS system towards (b) intracellular kanR and extracellular kanR as well as (c) intracellular DNA and extracellular DNA of E. coli K−12 MG1655 during the disinfection process. The inactivation performance of MF/PMS system towards (d) E. coli S17−1 with gentamycin resistance genes; the degradation performances of MF/PMS system towards (e) intracellular gmrA and extracellular gmrA as well as (f) intracellular DNA and extracellular DNA of E. coli S17−1 during the disinfection process.Fig. 9. (a) Reusability of MF/PMS system. Reaction condition: [MF] = 200 mg/L, [PMS] = 200 mg/L, volume = 50 mL, T = 25 °C; (b) schematic of the continuous flow reactor; (c) setup of the continuous flow experiment; (d) the degradation performance of MF/PMS system in the continuous flow reactor for long-term experiments.
我们成功地制作了MF,并用于激活PMS降解四种类型的DNA碱基、ARG和DNA,以及对ARB进行消毒。我们发现,MF/PMS系统可以在10分钟、30分钟、5分钟和5分钟内分别有效降解T、A、C和G碱基。在反应过程中,MF可以激活PMS形成活性自由基,如-OH、SO4-、O2-和1O2,促进了DNA碱基的降解。由于低吸附能、高电荷转移和更好的PMS裂解作用,MF表现出优异的PMS吸附和活化性能。MF中的MoS2可以增强Fe(III)/Fe(II)的循环,提高催化性能。DNA碱基的降解途径主要是通过二羟基化、羟基化、缩合、环碎裂等过程。
此外,我们发现MF/PMS系统在不同的溶液pH值、复杂的水基(包括共存的阴离子和天然有机物)以及包括自来水、河水、海水和污水等实际水样中也能有效降解DNA碱,尤其是在高盐度条件下,由于生成了Cl-自由基和HClO物种。MF/PMS系统在降解染色体/质粒ARG和DNA方面也表现出出色的催化性能。此外,MF/PMS系统可以有效地对ARB进行消毒。在ARB消毒过程中,ARB中的ARG和DNA也能被有效降解。在重复使用实验(连续四个重复使用周期)和连续流动反应器实验(持续14天)中,DNA碱的有效去除证实了MF的稳定性和MF/PMS系统重复使用以及长期使用降解DNA碱的潜力。总的来说,这项研究不仅对铁/摩触发的PMS活化过程有了深刻的认识,而且为处理水中的DNA碱基、ARG、DNA和ARB提供了一种有效和可靠的技术。
Chenyi Nie, Yanghui Hou, Fuyang Liu, Qiqi Dong, Zhengmao Li, Peng Han, Meiping Tong, Efficient peroxymonosulfate activation by magnetic MoS2@Fe3O4 for rapid degradation of free DNA bases and antibiotic resistance genes, Water Research, 2023, https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120026
声明:本公众号仅分享前沿学术成果,无商业用途。如涉及侵权,请立刻联系公众号后台或发送邮件,我们将及时修改或删除!
邮箱:Environ2022@163.com
欢迎大家将《水处理文献速递》加为星标
即时获取前沿学术成果
若有帮助,请点击“在看”分享!
投稿、转载请扫描下方二维码联系小编吧