近日，北京工业大学环境科学与工程学院高景峰教授在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Natural pyrite and ascorbic acid co-enhance periodate activation for inactivation of antibiotic resistant bacteria and inhibition of resistance genes transmission: A green disinfection process dominated by singlet oxygen”的研究论文。该工作是高景峰研究团队以天然黄铁矿（Natural pyrite）和抗坏血酸（Ascorbic acid，AA）作为天然激活剂和绿色还原剂、共同活化高碘酸盐（Periodate，PI）灭活抗生素抗性细菌（Antibiotic resistant bacteria，ARB）和抑制抗生素抗性基因（Antibiotic resistant genes，ARGs）传播的研究。探究了不同条件参数（初始溶液pH值、PI投加量、pyrite投加量、AA投加量）对PI/pyrite/AA体系灭活ARB的影响。通过X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）探究了Natural pyrite在消毒过程中的稳定性和可重复利用性。从消毒过程中细菌细胞结构和遗传物质的受损情况、细菌细胞酶活性变化和反应活性物种对消毒的贡献等方面探讨了PI/pyrite/AA体系的消毒机理。本项工作为开发更绿色、高效的高级氧化消毒工艺提供了新思路。
ARGs的传播和ARB的增殖威胁公共卫生安全和人类健康，人们期望研发更环保、更高效的消毒技术用于废水处理。本研究提出用Natural pyrite和AA作为环境友好型激活剂和还原剂来活化PI灭活ARB。PI/pyrite/AA体系消毒处理30分钟后可以灭活5.62 log的ARB，降低初始pH值、提高PI和pyrite的投加量可以进一步提升消毒效率。1O2和SO4•-被证明是PI/pyrite/AA体系灭活ARB的重要活性物种。消毒过程破坏了ARB细胞的形态结构，诱导了氧化应激，刺激了抗氧化系统的响应。PI/pyrite/AA体系消毒处理后有效降低了ARB胞内和胞外DNA浓度和ARGs丰度，抑制了ARGs的传播。Natural pyrite的可重复利用性和消毒副产物的安全性揭示了PI/pyrite/AA体系在废水消毒领域中的应用潜力。
ARB的传播和增殖使得传染病的治疗效果下降，据预测，到2050年，细菌耐药性将导致1000万人死亡。ARB携带的ARGs可通过基因垂直转移和水平转移在环境中传播抗生素耐药性，对公共卫生安全构成风险。污水处理厂是病原体、ARB和ARGs的“源”与“汇”。在废水处理中，消毒处理过程被认为是消除病原菌、减少ARB数量和降低ARGs丰度的重要环节。然而，传统的臭氧氧化、紫外和氯化等消毒工艺在抑制ARGs的传播方面存在缺陷和不足。
近年来，基于PI的高级氧化工艺因其高效的消毒性能和无害的消毒副产物在水消毒领域受到了广泛的关注。Natural pyrite富含Fe (II)和硫物种，有望成为理想的催化剂，在基于PI的高级氧化工艺中有很大的应用潜力。AA是一种广泛存在于生物体和天然水体中的天然有机酸，已证实AA可以在高级氧化工艺中提高有机污染物的降解效率，但目前尚无AA在基于PI的高级氧化消毒工艺中应用的报道。
本研究探究了PI在pyrite和AA的活化下对ARB的灭活效果。探究了溶液pH值、PI投加量、pyrite投加量、AA投加量、腐殖酸以及无机阴离子对PI/pyrite/AA体系灭活ARB的影响。采用扫描电镜（Scanning electron microscope，SEM）观察消毒过程中ARB的形态变化情况。通过测定ARB酶活性的变化来反映ARB细胞结构损伤和氧化应激情况。采用淬灭实验和电子顺磁共振（Electron spin resonance，ESR）分析鉴定消毒过程中产生的反应活性物种及其对ARB灭活的贡献作用。通过分析DNA浓度和ARGs丰度的变化评估了PI/pyrite/AA体系对ARB遗传物质的损伤情况以及对ARGs传播的抑制作用。本研究提出了一种高效的绿色消毒工艺，并探索了消毒机理，为开发更环保的消毒技术提供了新的思路。
XRD谱图表明Natural pyrite在使用前后衍射峰的位置和强度没有显著变化，XPS谱图分析表明Natural pyrite在使用前后的化学元素组成和含量占比没有发生显著的变化，揭示了Natural pyrite在PI/pyrite/AA体系中具有可重复应用潜力。
降低溶液pH值（从9到3）、增加PI投加量（从0.5 mM到4 mM）和增加pyrite投加量（从0.25 g/L到2 g/L）可以提高PI/pyrite/AA体系对ARB的灭活效率。在0.1 mM到0.4 mM的范围内，提高AA投加量能够提高PI/pyrite/AA体系对ARB的灭活效率，但投加过量的AA（0.8 mM）则会显著抑制对ARB的灭活效率，归因于过量的AA会直接消耗体系中产生的反应活性物种。相较于其他一元或者二元体系，PI/pyrite/AA体系处理取得了最佳的ARB灭活效率，30分钟内可以灭活约5.62 log的ARB。将使用后的Natural pyrite再用于ARB灭活仍能取得显著的效果，证明了Natural pyrite在PI/pyrite/AA体系中的可重复利用性。
探究了不同水基质对PI/pyrite/AA体系灭活ARB的影响，发现NO3-对PI/pyrite/AA体系灭活ARB没有显著的影响，Cl-、SO42-和H2PO4-对PI/pyrite/AA体系灭活ARB有一定的促进作用，而HCO3-和腐殖酸对PI/pyrite/AA体系灭活ARB有显著的抑制作用。淬灭实验的结果表明1O2和SO4•-是PI/pyrite/AA体系中对ARB发挥灭活作用的主要反应活性物种。
ESR谱图表明，在PI/pyrite/AA体系中检测到了归属于•OH、SO4•-、•O2-和1O2的特征氧化产物信号，并且信号强度随着处理时间的增加而增强，证明了PI/pyrite/AA体系产生了这些反应活性物种。
对比PI/pyrite/AA体系处理前后ARB的SEM图像，观察到ARB细胞结构的完整性在消毒过程中遭到了破坏，导致了ARB的灭活。
检测了消毒过程中ARB的各类酶活性的变化，结果表明PI/pyrite/AA体系处理使得ARB细胞结构受到了损伤，引起了氧化应激反应，刺激了细胞内抗氧化酶的活性。
PI/pyrite/AA体系处理120分钟降低了ARB胞内的DNA浓度和ARGs丰度，破裂的ARB细胞内物质的泄漏导致胞外DNA浓度和ARGs丰度在90分钟之内有上升的趋势，但溶液中反应活性物种的存在会继续氧化降解胞外的DNA和ARGs。因此，PI/pyrite/AA体系不仅能从细胞内源降低ARGs丰度，而且实现了对破损ARB细胞泄漏的ARGs的降解，降低了形成二次污染的风险，体现了PI/pyrite/AA体系在控制ARGs传播上的应用潜力。
本研究首次提出了以天然矿物作为激活剂、天然有机酸作为还原剂，新型、高效、环保的基于PI的高级氧化消毒工艺。PI/pyrite/AA体系消毒处理30分钟可以灭活约5.62 log的ARB。本研究中发现Natural pyrite在消毒中具有稳定性好、可重复利用的优势。探究了溶液pH、PI投加量、pyrite投加量、AA投加量和共存水基质对PI/pyrite/AA体系灭活效率的影响。本研究证明了1O2在PI/pyrite/AA体系中对ARB的灭活发挥了最关键的作用。PI/pyrite/AA体系中产生的反应活性物种的攻击引起了ARB细胞结构损伤、氧化应激、细胞内抗氧化系统的崩溃和遗传物质的破坏，最终导致了ARB的失活。PI/pyrite/AA体系通过对胞内和胞外ARGs的破坏来抑制ARGs的传播。本研究为发展了绿色消毒技术提供了新的见解。感谢国家自然科学基金项目（52170016）和北京市自然科学基金项目（24JL004）的资助。
