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通讯作者：施鹏 副教授
通讯单位：南京大学
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c03630• 采用两步季铵化法合成了一种新型阴离子交换树脂（AER6-1），并通过电子探针显微分析技术对其进行了分析优化。• AER6-1表现出卓越的杀菌效果和超快的eDNA吸附速率。
• 评估了AER6-1对实际饮用水中生物和无机阴离子污染物的协同去除性能。
• 通过吸附动力学和xDLVO模型并结合密度泛函理论阐明了AER6-1吸附eDNA的基本机制。阴离子交换树脂（AERs）在水处理领域具有悠久的应用历史，能够通过吸附有效的去除饮用水中的阴离子污染物。然而，传统的AERs无法有效去除细菌污染物。此外，AERs主要通过季铵基团（QAGs）的静电作用吸引细菌，然后其疏水烷基链渗透到细胞膜中，从而导致细菌溶解和细胞内DNA（iDNA）的释放。然而，裸露的细胞外DNA（eDNA）可以通过水平基因转移促进抗生素耐药性的传播。因此，预期的AERs能够有效去除饮用水中的游离eDNA也至关重要。然而，AERs对eDNA的去除性能和所涉及的机制仍有待探索。在本研究中，我们采用两步季铵化法合成了一种新型AER（AER6-1），并通过电子探针显微分析仪（EPMA）技术对其进行了分析优化。这种AER通过在树脂外部负载带有己基链（−C6-N+−）的QAGs，表现出卓越的杀菌效果和超快的eDNA吸附速率。AER6-1在保持高阴离子交换容量的同时，对实际饮用水中总菌、潜在病原体（大肠杆菌（E. coli）、铜绿假单胞菌）、eDNA和抗生素耐药基因（mexF、mexB、bacA）的去除效果优于其他商用AER和UV-LED消毒。此外，本研究通过密度泛函理论（DFT）、吸附动力学和xDLVO模型深入揭示了树脂骨架和−C6-N+−提供的氢键和疏水作用在吸附eDNA过程中的关键作用（图1）。图1 图文摘要
采用两步季铵化的方法，将−C6-N+−和−C1-N+−先后接枝到树脂的外表面和孔道内部，从而同时提高了AERs的抗菌和交换容量。实现AERs性能平衡的关键在于确定不同季铵化试剂（1-碘己烷和1-碘甲烷）的最佳添加量和反应时间（命名为A-E，图2a）。EPMA分析结果显示，AER6-1-D外表面的碘密度与AER6-1-E几乎相同，分别为1.75 wt%和1.79 wt%。然而，AER6-1-D外表面的平均碘浓度与孔隙内（0−1/2 R）的碘浓度之比为4.91，高于AER6-1-E（3.66）（图2b）。这表明，过量的季铵化试剂会导致−C6-N+−占据孔隙内的活性位点，从而影响树脂的交换容量。AER6-1-D和AER6-1-E在第二次季铵化后对E. coli的去除率相近，但交换容量分别为3.72和3.12 mmol/g（图2c），证实了EPMA结果的正确性。根据上述结果，考虑到杀菌和吸附两方面的因素，AER6-1-D树脂的合成条件被确定为最佳条件，并被选为合成目标AER6-1的最终策略（图2d）。红外和拉曼光谱的结果证实了AER6-1完成季铵化（图2e-f）。 图2 AER6-1的合成优化和表征。（a）序列AER6-1及其前体的EPMA光谱。（b）序列AER6-1及其前体外表面的碘浓度，以及表面和孔隙中的碘浓度比。（c）AER6-1-D和-E树脂的交换容量及对E. coli的去除效率。（d）扫描电镜图像。（e）傅立叶变换红外光谱。（f）拉曼光谱
AER6-1在去除模拟水中的E. coli方面表现出色，在流速为10 BV/h的条件下，处理20小时后的最低去除率为99.33%（图3a）。相比之下，AER1和IRA-4200树脂在200 BV时间点时，去除率分别为64.15%和81.67%（图3a）。然而，在针对E. coli的静态摇瓶杀菌实验中，AER6-1的性能明显优于IRA-4200树脂，在处理100 BV的E. coli悬浮液（105 CFU/mL）时，AER6-1的去除率为95.72%，而IRA-4200树脂的去除率仅为44.44%（图3b）。静态摇瓶和动态柱结果之间的巨大差异可能归因于这两种树脂不同的杀菌机制。IRA-4200树脂主要通过吸附和截留在树脂柱中来去除细菌，缺乏杀灭细菌的能力。在去除eDNA方面，AER6-1和IRA-4200树脂在处理200 BV的E. coli悬浮液后表现相当，去除率分别为93.50%和94.68%，这可能是由于AER6-1在杀死细菌的过程中释放了更多的eDNA。
异养菌平板计数与qRT-PCR结果显示，AER6-1对实际饮用水中总菌、潜在病原体（E. coli、铜绿假单胞菌）、eDNA和抗生素耐药基因（mexF、mexB、bacA）的去除效果优于其他商用AER和UV-LED消毒（图3d-f）。图3 去除细菌污染物的性能。（a-b）AER6-1、IRA-4200和AER1树脂对E. coli悬浮液的动态柱和静态摇瓶去除效率。（c）AER6-1、IRA-4200和AER1树脂对eDNA的去除效率。（d-f）经AER6-1、IRA-4200树脂和UV-LED处理后饮用水中的总菌、致病菌及ARGs的浓度
比较不同树脂的eDNA吸附动力学（图4a-b），结果表明丙烯酸树脂骨架比苯乙烯树脂骨架能有效吸附水中的eDNA，其中AER6-1的吸附速率常数（k2）最高，达到0.24，分别是AER1和IRA-4200树脂的11.5倍和111.3倍。此外，AER6-1对eDNA的吸附容量（Qm）为137.48 mg/g，分别是D311白球（16.43 mg/g）和IRA-4200树脂（8.20 mg/g）的8.4倍和16.8倍（图4c）。显然，接枝QAGs进一步提高了AER6-1对eDNA的吸附能力。因此，树脂骨架和QAGs的协同作用决定了AER6-1对eDNA的去除率。同时，颗粒内扩散模型结果表明接枝−C6-N+−改变了树脂的表面性质，加速了外部传质过程，接枝−C6-N+−在树脂外部吸附 eDNA方面比−C1-N+−更有效（图4d）。图4 AERs在eDNA上的吸附特性。AER6-1、AER1、D311白球和IRA-4200树脂吸附 eDNA的（a）伪二阶动力学模型、（b）浓度变化、（c）Langmuir和（d）颗粒内扩散模型。（e）AER6-1、AER1、IRA-4200树脂与eDNA之间的总相互作用能（VTOT）和（f）路易斯酸碱相互作用能（VAB）。
为了进一步阐明AER6-1中−C6-N+−的潜在作用，我们比较了eDNA与AER6-1和AER1结合的xDLVO能谱。结果表明，疏水相互作用是造成这两种树脂VTOT差异的主要原因（图4e-f），这表明AER6-1外表面的−C6-N+−所提供的疏水力是其对eDNA的吸附速率快于其他树脂的原因。值得注意的是，AER6-1的VTOT与IRA-4200树脂接近（图4e，这与吸附动力学形成鲜明对比），推测是由于eDNA与−C6-N+−之间还存在其他吸引力。
利用前沿分子轨道（FMO）分析法分析了树脂与eDNA之间的相互作用和电荷转移，结果表明，丙烯酸系树脂AER6-1和AER1中的C=O基团与eDNA中腺嘌呤的氨基形成氢键，即N-H⋯O，键长分别为3.08和3.19 Å（图5a）。通过计算HOMO和LUMO轨道，进一步分析了eDNA与树脂结合的稳定性和反应性（图5b）。吸附eDNA后，AER6-1和AER1的Egap值分别为1.151和1.214，小于吸附前的Egap值，这表明吸附后的树脂结构稳定。然而，AER6-1和AER1的Egap值和氢键长度均未显示出显著差异，这意味着氢键并不是导致两种树脂吸附变化的主要原因，而是如上所述的疏水相互作用。总之，DFT和xDLVO分析的综合结果表明，氢键是影响苯乙烯系（IRA-4200）和丙烯酸系（AER6-1）树脂之间吸附速率和吸附容量的主要因素。与AER1相比，AER6-1对eDNA的吸附速率有所提高，这可能是由于外表面接枝了−C6-N+−导致疏水力增强。图5 AERs与eDNA的理论计算。（a）eDNA与AER6-1和AER1结合物的优化结构。（b）eDNA与AER6-1和AER1结合物的HOMO和LUMO轨道以及它们的Egap值。
综上所述，本研究开发的AER6-1具有高效、全面的去除饮用水中细菌和阴离子污染物的能力。首先，在树脂外表面接枝−C6-N+−可导致细菌细胞膜裂解，并通过疏水相互作用提高树脂对eDNA的吸附动力学。其次，AER6-1可以通过静电吸附，氢键，疏水作用等多种机制提高对eDNA的吸附能力。这项研究拓宽了AERs的应用范围，并提出了一种同时去除饮用水中细菌和阴离子污染物的有效方法。
施鹏，博士，南京大学副教授，研究方向为城市水系统新污染物健康风险识别与阻控，重点围绕化工园区废水减污降碳，饮用水健康风险评估与控制等领域开展应用基础研究工作。在环境领域一流期刊Environ. Sci. Technol.及Water Res.等杂志发表SCI论文30余篇，第一发明人授权中国专利7项，PCT专利、美国/欧洲/日本专利7项。主持国家自然科学基金，国家重点研发子课题等项目十余项，建立相关示范工程3项。担任中国水协青年委委员，江苏省新污染防控专业委员会委员等兼职，并获2022年首创水星新人奖银奖，2024年日内瓦国际发明展金奖等。投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言（备注：姓名+微信号）或发邮件至sthjkx1@163.com
