西安理工大学王东琦等JWPE：铁酸铜/亚硫酸盐消毒体系及相关机理
西安理工大学王东琦等JWPE：铁酸铜/亚硫酸盐消毒体系及相关机理
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近日，西安理工大学王东琦副教授与西北大学城市与环境科学学院林奕杉副教授、美国东北大学土木与环境工程系陈龙博士合作，在环境领域学术期刊Journal of Water Process Engineering上发表了题为“A Novel Water Disinfection Method via Cuprous Ion Generation in a Copper Ferrite/Sulfite System and Associated Mechanism”的研究论文 。文中提出了一种基于铁酸铜/亚硫酸盐体系的新型水体消毒方法。该方法通过铁酸铜催化亚硫酸盐自氧化产生Cu(I)和活性自由基SO 4 •− ，用于杀灭水体中细菌等病原体，表现出1−2 h内杀灭初始浓度为10 4 −10 6 CFU/mL的大肠杆菌的优异性能，且铁酸铜可通过磁分离回收，是一种安全环保有效的消毒方法，具有良好应用前景 。
引言
通过亚硫酸盐（Sulfite）自氧化产生硫酸根自由基（SO 4 •− ）的高级氧化技术（AOP）具有氧化能力强的优点，常被应用于有机污染物的去除和水体的消毒。以过渡金属催化的sulfite自氧化（Me/sulfite）产生SO 4 •− ，可有效实现水体消毒。Cu(II)/sulfite系统是其中杀菌性能最优的方法，由于其不仅产生SO 4 •− ，还可以产生另一种强有力的杀菌基团Cu(I)。但是Cu(II)/sulfite系统不能回收催化剂Cu(II)，这具有潜在的健康威胁，并会引起消毒后污泥处置问题。近年来，非均相催化剂被越来越多地用于催化sulfite的自氧化，尖晶石铁酸铜（CuFe 2 O 4 ）是其中一种。CuFe 2 O 4 是一种纳米级铁磁性金属氧化物，具有磁性及稳定的结构，可以很容易地与水溶液分离并被回收，减小Cu离子泄露引起的负面影响。CuFe 2 O 4 也具有很强的催化活性，已被广泛用于催化臭氧、过硫酸盐、过氧化氢和sulfite。但CuFe 2 O 4 催化sulfite自氧化（CuFe 2 O 4 /sulfite）用于水体消毒尚未被研究。此外，一种基于毒理基因组学的高通量毒性评价技术被越来越多地用于揭示目标化学物毒性机制。这种方法利用融合有绿色荧光蛋白（GFP）全细胞大肠杆菌（ E. coli ）库，可以在分子水平实现快速、有效、全面和定量的毒性评价。因此，本研究以杀灭水体病原菌为出发点，构建CuFe 2 O 4 /sulfite系统用于水体消毒的新方法。结合杀菌实验、自由基掩蔽实验和毒理基因组学方法，探究CuFe 2 O 4 /sulfite系统杀灭水体中模型菌株 E. coli K12的性能，确定关键灭菌基团，揭示潜在灭菌机理，并评价其对其他3种常见模式菌株（ Pseudomonas aeruginosa 、 Staphylococcus aureus 和 Bacillus subtilis ）的杀灭效果 。
图文导读
CuFe 2 O 4 /sulfite 系统灭菌性能
图1a和1b为CuFe 2 O 4 浓度和sulfite浓度对CuFe 2 O 4 /sulfite系统灭菌性能的影响。最佳CuFe 2 O 4 浓度和sulfite浓度分别为800 mg/L和4 mM。在该浓度下,CuFe 2 O 4 /sulfite系统的3 h灭菌性能可达到4.65-log（>99.99%）（图1c）。当将 E. coli 浓度降低到10 4 -10 6 CFU/mL时，可在1-2 h实现100%的灭菌性能（图1d）。与其他类型产SO 4 •− 的AOP系统相比，CuFe 2 O 4 /sulfite系统具有可比甚至更优的杀菌性能 。
CuFe 2 O 4 /sulfite系统灭菌机理
通过对比不同处理条件下 E. coli 中重要化合物含量，揭示CuFe 2 O 4 /sulfite系统杀灭 E. coli 的机理。图2a中经CuFe 2 O 4 /sulfite系统处理后， E. coli 胞内ATP与NADH含量均显著降低，表明CuFe 2 O 4 /sulfite系统抑制了细胞中能量物质的合成，降低了细胞环境中的还原力，影响细胞正常代谢功能。另外CuFe 2 O 4 /sulfite系统可引起细胞中ROS含量的明显升高（图2b），这会进一步损伤胞内生物分子，造成细胞氧化损伤和细胞死亡。
图3可知，CuFe 2 O 4 和CuFe 2 O 4 /sulfite系统处理细胞后引起细胞明显的应激反应，并且CuFe 2 O 4 /sulfite系统毒性水平更强。氧化应激是CuFe 2 O 4 /sulfite系统引起的主要细胞应激反应，具有比单独CuFe 2 O 4 处理更高的氧化应激水平（图3d）。在主要的应激通路中，CuFe 2 O 4 /sulfite系统引起更多基因发生表达，产生应激反应（图4）。其中的氧化应激通路中，CuFe 2 O 4 /sulfite系统引起表达的基因可产生清除氧化自由基、抵抗氧化应激的酶。因此，推测CuFe 2 O 4 /sulfite系统的灭菌机理为：首先由SO 4 •− 和Cu(I)引起细胞外膜损伤，穿越细胞膜后，SO 4 •− 和Cu(I)联合引起胞内ROS水平的显著升高，造成细胞氧化损伤、DNA损伤等和最终的细胞死亡 。
CuFe
2
O
4
/sulfite
系统关键灭菌基团
CuFe 2 O 4 /sulfite系统的杀菌性能归因于CuFe 2 O 4 与sulfite反应后产生的新基团。由图5可知，CuFe 2 O 4 与sulfite反应后产生Cu(I)。进一步通过电子顺磁共振（EPR）测试发现，CuFe 2 O 4 /sulfite系统中产生了SO 3 •− （图6），这证实了sulfite自氧化的发生和Cu(I)的产生，如反应(1)和(2)。在有氧条件下，sulfite自氧化还会产生氧化活性很高的SO 4 •− 和OH • ，如反应(3)和(4)。通过对比CuFe 2 O 4 /sulfite系统在有氧和无氧条件下的杀菌性能(图7a)可知，只有Cu(I)存在时CuFe 2 O 4 /sulfite系统有较高的杀菌效果，表明Cu(I)对于CuFe 2 O 4 /sulfite系统的杀菌性能起主要作用。而无氧条件下，CuFe 2 O 4 /sulfite系统被抑制的部分杀菌效果可能来自于SO 4 •− 和/或OH • 。通过自由基掩蔽实验(图7a)可知OH • 没有杀菌贡献，而SO 4 •− 有部分杀菌作用。图7b中的对照结果显示，CuFe 2 O 4 /sulfite系统中游离的Cu(II)和Fe(II)离子，以及由两种自由离子催化sulfite自氧化产生的自由基未对杀菌作用产生贡献。综上可知，CuFe 2 O 4 /sulfite系统的杀菌作用主要归因于Cu(I)和SO 4 •− ，其中Cu(I)起主导作用。
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2
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系统对其他细菌的作用
图8：CuFe 2 O 4 /sulfite系统对10 8 CFU/mL P. aeruginosa , S. aureus 和 B. subtilis 的杀灭作用
小结
本文构建了 CuFe 2 O 4 /sulfite 杀菌系统，研究了其杀菌性能，并揭示了其主要通过产生 Cu(I) 杀灭细胞的机理。将 800 mg/L CuFe 2 O 4 与 4 mM sulfite 混合， 3 h 对 10 8 CFU/mL E. coli 的杀菌效率为 4.65-log （ >99.99% ）； 1 h 对 10 4 CFU/mL E. coli 的杀菌效率为 100% 。其他模式细菌（ P. aeruginosa , S. aureus 和 B. subtilis ）同样可以在不同浓度的 CuFe 2 O 4 与 sulfite 构成的系统中被有效杀灭。 Cu(I) 和 SO 4 •− 是起作用的关键活性基团，并且 Cu(I) 起更主要的作用。这两种活性基团通过破坏细胞膜结构、抑制 ATP 和 NADH 的产生、增加胞内 ROS 的产生造成细胞的死亡。在分子水平， CuFe 2 O 4 /sulfite 系统主要的杀菌机理为引起细胞的氧化损伤。杀菌过程中， CuFe 2 O 4 显示出极少量的铜和铁离子泄露，并且具有极高的磁性分离特性。这些结果显示， CuFe 2 O 4 /sulfite 系统是一种有前途的杀菌方法，可作为传统杀菌方法（如 UV 和氯消毒）的补充，以克服传统方法面临的产生细菌抗性和有害消毒副产物的挑战 。
本项目得到了国家自然科学基金委的资助 。
通讯作者简介
文 章链接： https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.103790
投稿 ： 西安理工大学王东琦副教授与西北大学城市与环境科学学院林奕杉副教授、美国东北大学土木与环境工程系陈龙博士 。 投稿、合作 、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领 域 最大的学术公号 ，拥有 15W+活跃读者 。由于微 信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为 星标 ，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！ 环境人Environmentor现有综合群、 期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。
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