第一作者：Muhan Sun 孙慕涵
通讯作者：于卫华 张崇淼 郑刚
通讯单位：第四军医大学 西安建筑科技大学
研究速览：
污水和再生水中通常含有高浓度的细菌衍生内毒素，一旦暴露便可能对机体健康产生严重影响。传统消毒方法（如氯、紫外线和臭氧）和新型消毒工艺（如高铁酸钾）都无法有效清除细菌内毒素。本研究重点阐明了紫外线/铁酸盐 （UV/Fe(VI)） 联合消毒对内毒素消除和吸入危害控制的影响。结果表明，单独给予 UV 或 Fe(VI)消毒处理不仅无法降低内毒素活性，甚至会加剧细菌灭活过程中内毒素的释放。使用内毒素标准品进行条件筛选发现，10 mg/L Fe(VI) 和 160 μW/cm2 紫外线联合处理 15 分钟，内毒素活性最低可下降至对照的85.6%。使用大肠杆菌溶液和实际污水进一步证实，UV/Fe(VI) 能够快速杀灭大肠杆菌，并清除细菌死亡过程中衍生内毒素。研究还发现pH值、碳酸氢盐（HCO3-）、腐殖酸和浊度一定程度影响 UV/Fe(VI) 介导再生水中内毒素的去除效率。UV/Fe(VI) 联合降解内毒素潜在机制与多种强氧化性物质生成密切相关，其中 Fe(IV) /Fe(V）被认为是主要贡献者，其次是超氧阴离子自由基（•O2-）和羟基自由基（•OH）。此外，使用UV/Fe(VI) 对内毒素标准品、大肠杆菌和铜绿假单胞菌进行消毒后，通过雾化吸入方式使其暴露于小鼠。结果表明，UV和Fe(VI)单独消毒条件下无法去除内毒素标准品和细菌衍生内毒素造成肺损伤，而联合消毒显着减弱了细菌内毒素诱导肺结构功能损伤和炎症反应。
要点分析：
要点：本研究旨在探讨UV/Fe(VI) 联合消毒在降低内毒素活性及其吸入危害控制方面的作用机制。作者首先使用内毒素标准品用于确定UV/Fe(VI)消毒对内毒素降解的最佳条件和潜在机制。UV/Fe(VI)处理不具有肺感染能力的大肠杆菌和具有肺感染能力的铜绿假单胞菌（PA）也用于监测消毒过程中细菌内毒素的释放和降解，并评估其吸入引起健康危害。此外，作者还评估了UV/Fe(VI)对二级出水和自然水体中细菌内毒素的去除效率，并探讨不同水质参数（如 pH 值、碳酸氢盐、腐殖酸和溶液浊度）对UV/Fe(VI)去除内毒素效率的潜在影响
图文导读
图 1. UV/Fe(VI) 诱导内毒素去除率评估。使用不同浓度Fe(VI)和不同剂量紫外线处理内毒素标准品 （2000 EU/mL），持续不同作用时间。（A） 160 μW/cm2 紫外线辐射下最佳 Fe(VI)剂量。（B）10 mg/L Fe(VI)处理下最佳紫外辐射剂量。（C-D） 使用 10 mg/L Fe（VI） 和 160 μW/cm2 UV 单独或联合处理后内毒素去除率和二级动力学的变化。
图 2. UV/Fe(VI)对含大肠杆菌水样和二级出水中细菌灭活和内毒素去的影响。（A） 测定大肠杆菌的细菌计数和 （B）内毒素活性。（C）测定二级出水中细菌计数和（D）内毒素活性。
图 3. 影响UV/Fe(VI)诱导的内毒素去除效率因素的分析。（A）尾水、地表水和二级出水中细菌内毒素去除效率。（B-F）UV/Fe(VI)处理内毒素标准品2000 EU/mL），分析pH 值、氯化物 （Cl-）、碳酸氢盐 （HCO3-）、腐殖酸和溶液浊度的影响。
图 4. 反应活性产物及其对UV/Fe(VI)诱导内毒素降解的贡献分析。（A）采用电子自旋共振技术检测UV、Fe(VI)和UV/Fe(VI)处理体系中 •O2-自由基和•OH自由基的变化。（B）测定PMSO 和 PMSO2水平及其比率，反应消毒体系中Fe(IV) /Fe(V）含量变化。（C）UV/Fe(VI)联合消毒后反应物质演化的推导。（D） 使用不同淬灭剂TBA（•OH淬灭剂）、BQ（•O2淬灭剂）和PMSO（ROS和Fe(IV) /Fe(V)淬灭剂），分别处理后分析不同活性物质对内毒素降解效率的贡献度。
图 5. UV/Fe(VI)诱导内毒素降解的机制分析。（A） 单独或联合使用 UV 和Fe(VI) 处理内毒素标准品，并加入 BQ 和 PMSO 处理，使用投射电镜观察形态变化。（B）放大倍率：5000×，比例尺=10 μM。（B）采用 时间飞行质谱技术分析 UV/Fe(VI)处理后内毒素分解产物的变化。
图 6. UV/Fe(VI)联合消毒可降低内毒素标准品吸入导致肺损伤。内毒素标准品使用 UV、Fe(VI)或UV/Fe(VI)处理，通过动态吸入方式给予小鼠暴露。（A） HE 染色检测肺部病理损伤变化。（B）全身体积描记系统用于评估肺功能参数，包括呼吸频率 (f）、终末呼吸暂停 (EIP）、吸气末暂停(EEP）和增强暂停（Penh）。（C） PCR 检测肺组织炎性细胞因子表达变化。n = 6，*p < 0.05
图 7 UV/Fe(VI)联合消毒减轻大肠杆菌衍生内毒素引起的吸入危害。UV、Fe(VI)或UV/Fe(VI)处理，通过动态吸入方式给予小鼠暴露。（A） HE 染色用于测量肺组织病理损伤。（B） 全身体积描记法评估肺功能参数，包括呼吸频率 (f）、终末呼吸暂停 (EIP）、吸气末暂停(EEP）和增强暂停（Penh）。（C） PCR 检测肺组织炎性细胞因子表达变化。n = 6，*p < 0.05。
结论
内毒素作为细菌死亡时释放重要致病因子，其接触暴露可引发一系列疾病。但由于其稳定性极强，常规消毒方法无法将其清除。以往研究中，利用UV/Cl2、O3/H2O2、UV/H2O2 以及介质阻挡放电等离子体等高级氧化工艺可一定程度清除，但效率低、耗能高和技术复杂等特点限制了其应用前景。本研究首次揭示了UV/Fe(VI)联合消毒在去除细菌内毒素及其健康危害控制中的关键作用，能够实现85.6%降解效率，具有快速、高效和安全的特点，是一种具有转化应用前景的内毒素消毒技术。此外，UV、Fe(VI)单独处理内毒素标准品、大肠杆菌和绿脓杆菌后动物吸入暴露会导致严重肺损伤，其中，选用大肠杆菌不具备肺感染能力，在使用UV、Fe(VI)单独处理时可通过造成细菌内毒素大量释放，引发肺损伤和炎症反应；而绿脓感觉具有肺感染和致病作用，单独使用UV、Fe(VI)消毒处理时虽然能通过杀死细菌减轻一定病理损伤，但细菌死亡衍生内毒素及其肺毒性无法完全消除。相反，在以上三种模型中，作者使用 UV/Fe(VI)联合消毒均能显著减轻细菌内毒素诱导的肺病理损伤和炎症因子释放。研究人员还证明，UV/Fe(VI) 通过产生Fe(IV) /Fe(V) 、•OH 和 •O2-等一系列活性物质诱导内毒素降解。消毒过程中衍生的高价铁和活性氧协同作用破坏内毒素不同成分之间的连接，从而促进体积更小、毒性更弱的分子产生。此外，UV/Fe(VI)诱导内毒素去除效率会受到不同水质参数（如 pH 值、碳酸氢盐、腐殖酸和溶液浊度）的影响。因此，本研究首次公开了高铁酸钾/紫外线联合消毒在去除水源细菌内毒素中的关键作用及其潜在机制，并申报了国家发明专利。本研究的不足之处是未能阐明UV/Fe(VI)处理后细菌内毒素分子降解演化机制。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157983
参考文献：M. Sun, X. Jiang, R. Liu, D. Kong, H. Wu, Z. Wang, G. Zheng, C. Zhang, W. Yu, Eliminating bacterial endotoxins and associated inhalation hazards in reclaimed water via ultraviolet/ferrate combination disinfection, Chemical Engineering Journal (2024), doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157983
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