转自：环境催化
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这篇文章《Synergetic physical damage and chemical oxidation for highly efficient and residue-free water disinfection》由Jun Zhang等人撰写，发表在《Nature Water》上，提出了一种创新的顺序电化学水处理技术，旨在高效、无残留地灭活水中的抗生素抗性细菌（ARB）和去除抗生素抗性基因（ARGs）。该技术结合了化学预处理（H2O2预处理）、物理损伤（纳米尖端电穿孔）和化学氧化（•OH注入），以实现对水传播病原体的高效消毒。
研究背景与挑战
水传播病原体，尤其是ARB，对全球公共卫生构成了严重威胁。传统的水消毒技术，如紫外线辐射、氯化和臭氧化，虽然在一定程度上能够灭活病原体，但存在能耗高、化学品使用多、效率低下以及可能产生有害副产品等问题。这些技术在消除ARGs方面的效率尤其低下，ARGs是细菌抗药性的主要原因，它们可以通过活细胞分泌或死亡细胞破裂进入水环境，并通过水平基因转移传播。
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技术创新与方法
研究者们开发了一种顺序电化学过程，包括三个步骤：化学预处理、物理损伤和化学氧化。首先，通过在SnO2−x/TiO2阳极区域生成的H2O2对细菌进行预处理，这一步骤能够有效降低细菌外壁对电穿孔的防御能力。接着，在Pd-Au/TiO2阴极区域，通过电穿孔和同步注入的•OH对细菌进行处理，有效分解细菌内含物，包括核体和细胞质，从而从内部破坏整个细胞结构。
实验结果与分析
实验结果表明，该方法在短停留时间（约16秒）、高流量（约4.5 m3 h−1 m−2）和低能耗（约42.4 Wh m−3）下，连续运行15天，能够灭活超过99.9999%的ARB和去除约99%的ARGs。此外，该技术还对多种细菌和病毒具有99.999%以上的灭活效率，并且能够高效处理实际水体，包括湖水、河水和地下水。
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电极制备与表征
电极的制备过程包括高温煅烧、电沉积和碱洗等步骤。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线能量色散光谱（EDX）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等技术对电极的微观形态和元素状态进行了表征。
电化学活性分析
电化学活性分析表明，SnO2−x/TiO2和Pd-Au/TiO2电极的引入显著降低了电阻，表明了高效的电荷转移。通过线性扫描伏安法（LSV）和塔菲尔曲线等电化学方法分析了电极的电化学活性，证明了SnO2−x/TiO2和Pd-Au/TiO2在H2O2生成和•OH生成方面的高效性。
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水处理效率与机理
通过构建流动式电催化过滤装置，研究了不同电压、停留时间、电极孔径等条件下的细菌灭活效率，并与其他常见杀菌技术进行了比较。机理研究表明，H2O2预处理能够软化和削弱细菌的外膜和肽聚糖壁，使其更容易被电穿孔和•OH攻击。通过分子动力学（MD）模拟和有限元模拟，定量分析了这些反应。
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实际应用潜力
该技术不仅能够有效去除细菌和病毒，还能去除ARGs，这对于控制抗生素抗性传播具有重要意义。此外，该技术在能耗和化学品使用方面的优势使其成为一种环保且经济的水处理解决方案。该技术对于饮用水、循环水和废水系统的微生物消毒具有重要的应用潜力，特别是对于偏远地区的社区，以保障公共卫生和水环境安全。
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结论
这项研究开发了一种高效且无残留的杀菌方法，通过协同物理损伤和化学氧化，对水传播病原体的消毒提供了一种新的解决方案。这种方法不仅能够高效去除ARB和ARGs，还能在实际水体中实现高效消毒，显示出在水处理领域的广阔应用前景。
https://doi.org/10.1038/s44221-024-00344-0
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