 第一作者：刘莹 通讯作者：高景峰 通讯单位：北京工业大学，环境科学与工程学院，城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室 论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2024.133869  图片摘要
成果简介 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“Efficient peroxymonosulfate activation by nanoscale zerovalent iron for removal of sulfadiazine and sulfadiazine resistance bacteria: Sulfidated modification or not”的研究论文。该工作是高景峰研究团队关于高级氧化法抑制抗生素耐药性传播的研究。对于过氧单硫酸盐（Peroxymonosulfate，PMS）活化过程中，是否需要额外的化学合成步骤来修饰纳米零价铁（Nanoscale zerovalent iron，nZVI）进行了研究。研究了各种影响因素和潜在机制对硫化改性的nZVI（Sulfidated nZVI，S-nZVI）/PMS和nZVI/PMS体系降解抗生素磺胺嘧啶（Sulfadiazine，SDZ）的影响。同时，选择SDZ和与SDZ相关的抗生素抗性细菌（Antibiotic resistant bacteria，ARB）作为目标污染物，模拟化学和生物污染物共存这一实际现象。本项工作为高级氧化法控制抗生素耐药性的传播提供了新的见解。 全文速览 在PMS活化过程中，是否需要额外的化学合成步骤来改性nZVI值得进一步研究。本文制备了不同S/Fe摩尔比的S-nZVI作为PMS活化剂，用于SDZ的降解和假单胞菌（Pseudomonas. HLS-6，HLS-6）的灭活。56 mg/L的nZVI/153.65 mg/L PMS和56 mg/L的S-nZVI（S/Fe摩尔比=1:5）/153.65 mg/kg PMS体系在1 min内对20 mg/L的SDZ的降解效率分别为97.7%（kobs为3.7817 min−1）和97.0%（kobs为3.4966 min−1）；此外，两个体系在30 min内均能灭活99.99%的共存假单胞菌（初始浓度为108 CFU/mL）。两个体系具有优越的去除共存的SDZ和HLS-6能力。自由基淬灭实验和电子顺磁共振（Electron paramagnetic resonance，EPR）测试确定SO4·−、HO·、1O2和O2·−是SDZ降解的原因。分析了可能的SDZ降解途径。在腐殖酸（超过96.1%）、常见阴离子（超过67.3%）、合成废污水（超过90.7%）和真实污水（超过78.7%）的影响下，nZVI/PMS体系仍能达到令人满意的SDZ降解效率。四环素（超过98.9%）和五种常用消毒剂（超过96.3%）的高降解效率证实了这两种系统对污染物的去除具有普遍适用性。无需额外的化学合成步骤来修饰nZVI以用于PMS的活化，即可有效去除化学和生物污染物。 引言 SDZ作为应用最广泛的抗生素之一，其未被消化和未转化的残留物会通过污水排放污染环境。医疗废水中的抗生素残留水平甚至达到数百mg/L。在磺胺类药物家族中，SDZ是一种广泛用于人类和兽类药物的抗生素。污水处理厂和自然水体中检测到的SDZ浓度在0.04 ng/L至5.15 μg/L之间。抗生素残留具有不良副作用，甚至微量水平可能会促进ARB/抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）的增殖并诱导抗生素耐药性。几乎所有类型的地表水中都存在微量磺胺类药物。除抗生素外，消毒剂也可以促进细菌获得耐药性。作为广泛使用的消毒剂和阳离子表面活性剂之一，季铵盐类化合物（Quaternary ammonium compounds，QACs）在地表水和生活污水中的检测范围为μg/L至mg/L。因此，有必要开发有效的技术来应对抗生素耐药性的挑战。 已有研究证实nZVI是一种有前途的抗菌材料，经硫化物修饰（S-nZVI）将提高其性能和去除污染物的效率。我们之前的研究表明，S-nZVI/过硫酸盐工艺有较好的灭活ARB和去除ARGs的效果。然而，纳米级Fe0/PMS工艺对化学污染物是否具有优异的降解效率还有待进一步研究。考虑到抗生素和QACs均可促进细菌产生耐药性，目前尚无同时去除SDZ及其相关ARB的研究。因此，本研究探索了各种影响因素（PMS投加量、S-nZVI投加量、S/Fe比、背景水质以及共存的无机离子和天然有机物）对S-nZVI/PMS体系和nZVI/PMS体系去除SDZ的影响。同时，采用不同的活性氧物种（Reactive oxygen species，ROSs）清除剂和电子顺磁共振实验鉴定了SDZ降解中的优势自由基。预测了可能的SDZ降解途径。研究S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系对其他2种典型抗生素和5种QACs的去除效果，以验证体系的普遍适用性。此外，为了模拟许多复杂水系统中抗生素和ARB共存这一实际现象，选择抗生素SDZ和与SDZ相关的耐药菌株假单胞菌（Pseudomonas. HLS-6，HLS-6）共同作为目标污染物，系统地比较了S-nZVI和nZVI激活PMS的效率和机制，以确定它们在相应的实际工程中应用的可行性。 图文导读
图1：（a）S-nZVI（S/Fe摩尔比为1:5）和nZVI的XRD谱图；S-nZVI（S/Fe摩尔比为1:5）和nZVI的XPS光谱（b）全测量谱、（c）Fe 2p谱、（d）O 1s谱和（e）S 2p谱。 nZVI的XRD谱图（图1a）表明在nZVI中Fe0的成功生成。在S-nZVI的XRD谱图中，Fe0的峰强度比nZVI有所减弱，但典型峰并没有消失，表明硫化作用可能导致硫化合物覆盖在Fe0表面，其整体结晶度下降。S-nZVI的XRD衍射峰与Fe3O4标准图谱吻合良好。然而，在S-nZVI的XRD谱图中，没有检测到FeS的特征峰，这可能是由于含硫量低或结晶度低（图1a）。 S-nZVI（nZVI）的全XPS测量光谱表明，它们主要由C、O、Fe和S元素组成（图1b）。nZVI的XPS谱图中检测到了属于Fe0的峰，对于S-nZVI检测到了对应于Fe2O3和Fe3O4的峰（图1c）。在O 1s的XPS光谱中，在531.2和529.9 eV处出现两个主峰，分别代表O-H基团和氧化铁（图1d）。在S 2p的XPS光谱中，检测到了对应于SO42-、SO32-、Sn2-、S22-和S2-的峰（图1e）。因此，XPS和XRD的结果表明，硫化后Fe0表面形成了低密度的FeS，这会影响Fe0的腐蚀速率和疏水性，从而可能使Fe0具有更好的污染物去除性能。
图2：工艺参数（a）S-nZVI投加量；（b）PMS投加量；（c）S/Fe摩尔比对SDZ降解的影响；（d）nZVI与不同S/Fe摩尔比的S-nZVI的SEM图像。 在一定剂量范围内，SDZ的降解与S-nZVI初始剂量的增加呈正相关趋势，然而过量的S-nZVI会抑制污染物的降解（图2a）。在S-nZVI初始剂量为56 mg/L（S/Fe摩尔比=1:10）时，随着PMS剂量从76.85 mg/L提高到307.38 mg/L，反应30 min后的SDZ降解率和kobs从62.7%，0.0329 min−1显著提高至98.2%，0.1336 min−1（图2b）。不同S/Fe摩尔比的56 mg/L S-nZVI均可以在1 min内快速激活PMS，每个体系的SDZ降解率超过96.72%（kobs可达3.4229 min−1）。其中，未经硫化物修饰的nZVI的SDZ降解效果略高于不同S/Fe摩尔比的S-nZVI，达到了97.72%（kobs为3.7817 min−1）（图2c）。随着S/Fe摩尔比的增加，S-nZVI似乎呈现为更小的不规则纳米颗粒聚集体，并且其形态不如nZVI有序，即硫化后的S-nZVI形态明显不同于nZVI（图2d）。
图3：ROSs清除剂对（a）S-nZVI/PMS和（b）nZVI/PMS系统中SDZ降解的影响；不同反应时间下S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系的EPR谱图（c, e）DMPO和（d） TEMP。 在这两个体系中，HO·对SDZ的降解都有一定的贡献。加入100 mM MeOH后两体系降解效率的下降表明SO4·−对SDZ的去除起重要作用，TBA和MeOH的加入并未显著抑制SDZ的降解效率（低于40%）（图3a和3b），说明体系中的氧化反应并非以SO4·−和HO·为主导。加入100 mM L-His作为1O2清除剂，在两体系中几乎完全抑制了SDZ的降解，但并不能完全证实1O2的贡献。S-nZVI/PMS体系中可能产生O2·−（图3a）。 EPR分析结果表明，两体系中均产生了1O2、HO·、SO4·−和O2·−。硫化后的1O2和O2·−信号强度（图3d和图3e）均显著增强，HO·和SO4·−信号强度显著降低（图3c）。而这四种自由基在硫化前后SDZ降解中的作用没有明显变化。S-nZVI/PMS体系的淬灭和EPR鉴定结果表明，1O2、HO·、SO4·−和O2·−可能共同作用于SDZ的降解。在nZVI/PMS体系中，O2·−不是起主导作用的ROSs, 1O2、HO·和SO4·−是主要的ROSs。
图4：（a）使用nZVI或S-nZVI激活PMS和单独应用PMS期间PMS的分解；（b）S-nZVI/PMS和（c）nZVI/PMS中总铁、Fe3+和Fe2+浓度随时间的变化情况；（d）S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系反应30 min后七种典型污染物的降解情况。 PMS在S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系中于1 min内分别分解了约95.9%和95.0%。验证了前述的当其与S-nZVI共存（S/Fe=0和1 : 5）并分解产生自由基时，PMS的利用率迅速最大化，在仅有PMS存在的体系中，PMS的分解可以忽略不计，PMS浓度在30 min内几乎保持不变（图4a）。S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系中总铁、Fe3+和Fe2+的浓度变化情况表明PMS加速了Fe3+还原为Fe2+，激活了Fe3+/Fe2+氧化还原循环，促进了PMS的分解，同时产生更多的ROSs来降解SDZ（图4b和4c）。对于所选择的另外两种目标抗生素（TC和CIP），在S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系中，TC的降解效率在30 min内分别达到了99.8%（kobs为0.1021 min−1）和98. 9%（kobs为0.1024 min−1）；虽然S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系对CIP的去除效率较低，前者和后者的去除率也达到了37.7%（kobs为0.01791 min−1）和54.8%（kobs为0.0286 min−1）。两种体系几乎完全降解了QACs污染物，最低去除率已超过96.3%（图4d）。综上所述，这两个体系在去除污染物方面具有普遍适用性。
图5：天然有机物和常见无机阴离子对（a）S-nZVI/PMS体系和和（b）nZVI/PMS体系中SDZ降解的影响；（c）S-nZVI/PMS和（d）nZVI/PMS体系在各种水基质中的SDZ降解效率。 如图5a和5b所示，10 mM NO3-的存在对两体系中SDZ的降解没有显著影响，在10 mM的HCO3-存在情况下，S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系中SDZ的降解效率受到了轻微抑制，分别为90.5%（kobs为0.0785 min−1）和90.7%（kobs为0.0793 min−1）。10 mg/L HA对SDZ降解效率所具有的抑制效果可忽略不计，并且在两体系中的SDZ去除率均超过96.10%（kobs为0.1081 min−1）。10 mM Cl-的存在轻微抑制了S-nZVI/PMS体系在30 min内对SDZ的去除（~6.5%）。相比之下，在nZVI/PMS体系中引入10 mM Cl-可显著抑制SDZ的降解效率至67.3%（kobs为0.0372 min−1）。H2PO4-会抑制两体系对SDZ的降解效果，且对前者的抑制效果明显大于后者。10 mM SO42-对S-nZVI/PMS体系具有的轻微抑制作用（图5a），而nZVI/PMS体系中SDZ的降解效率几乎不受10 mM SO42-的影响（图5b）。 两个体系在生化反应器出水（包括人工配水出水（Synthetic wastewater effluent，SWE）和生活污水出水（Real wastewater effluent，RWE）中的SDZ降解效率均不如在超纯水（Ultrapure water，UPW）中有效（图5c和5d）。SWE和RWE两个体系中污染物的降解效率降低可归因于NOM、溶解有机物或无机物的存在。这些物质可能会限制S-nZVI（nZVI）的活化并降低自由基的形成速率，甚至与生成的自由基相互作用，从而进一步阻碍SDZ的降解过程。总之，在NOM、常见阴离子和真实水基质的影响下，nZVI/PMS体系仍能达到令人满意的SDZ降解效率。
图6：SDZ在S-nZVI/PMS体系中的潜在降解途径。 本文提出了SDZ的四种降解途径（图6）：（1）转化产物TP1的存在表明在S-nZVI/PMS体系中发生了SO2的挤压（γ/δ位置），据报道称为Smile重排；（2）NIII位置上的亲电性或自由基攻击以及CI、CII位置上的亲核性攻击导致了TP2的形成；（3）作为SDZ（m/z = 250）苯环上的给电子基团，α位置的N-H键容易被HO·和SO4·-等ROSs破坏，随后发生羟基化反应和取代反应以生成TP3（m/z = 284）；（4）ROSs攻击SDZ的嘧啶环（ζ位置）和苯胺部分（α位置）。随后，与HO·的加成反应生成TP4。HO·会攻击β位置的氨基，然后破坏磺胺基的N-S键（δ位置）以形成TP5。通过HO·加成破坏TP1的苯环C-N键，失去-NH2来生成TP6。SDZ的C-S键（γ位置）和C-N键（β位置）经ROSs攻击后断裂，随后形成TP7以响应HO·的攻击。TP2的N-S键（δ位置）在HO·攻击下断裂，继而ROSs攻击其嘧啶环上的C-N键（ζ位置），然后聚合取代苯环上的C-S键形成产物TP8。在自由基的攻击下，这些中间体进一步被氧化为CO2、H2O、SO42-、NH4+、NO3-等无机离子。nZVI/PMS体系中SDZ的降解途径和中间体与之相同。
图7：SDZ在S-nZVI/PMS体系中的潜在降解途径。 SDZ与HLS-6共存体系中SDZ降解率在30 min内出现了不同程度地降低，在S-nZVI/PMS和nZVI/PMS体系中可以分别达到90.4%（kobs为2.3365 min−1）和85.5%（kobs为1.9246 min−1）（图7a和7b）。与SDZ单独存在的体系相比，其效率下降可能归因于消耗了一部分S-nZVI（nZVI）催化PMS分解产生的活性自由基以攻击细菌细胞。可以看出，在S-nZVI/PMS体系作用15 min后，HLS-6的数量急剧减少，在SDZ与HLS-6共存的体系中于30 min内灭活了6.42-log的HLS-6，与单独HLS-6的体系（5.46-log）相比，这增加了0.96-log（图7c）。nZVI与PMS的组合也表现出相当大的灭活效率，在单独HLS-6和SDZ与HLS-6共存体系中，HLS-6细胞在30 min内分别去除约6.10-log和5.81-log（图7d）。这些结果证实了nZVI/PMS和S-nZVI/PMS工艺在同时灭活细菌和降解污染物方面具有巨大的潜力。值得注意的是，反应过程中形成的SDZ降解产物也可能轻微影响已经因ROSs攻击而严重破坏的细菌的活性。
图8：（a）未经处理的HLS-6细胞TEM图像，（b）HLS-6单独存在和（c）SDZ与HLS-6共存体系中的HLS-6经S-nZVI/PMS体系处理30 min后的TEM图像；（d）HLS-6单独存在和（e）SDZ与HLS-6共存体系中的HLS-6经nZVI/PMS体系处理30 min后的TEM图像。 未处理的HLS-6细胞（对照）呈球形或棒状，细胞质区域具有高度均匀的电子密度，细胞膜光滑完整（图8a）。S-nZVI/PMS体系处理HLS-6单独存在体系中的细胞呈现出更少的光滑表面，变得粗糙和褶皱，其细胞壁和细胞膜严重受损（图8b）。S-nZVI/PMS体系处理HLS-6与SDZ共存体系中的一些细胞表面由S-nZVI氧化物紧密包裹着，并观察到对细胞表面结构的物理破坏（图8c）。nZVI/PMS体系处理HLS-6单独存在体系中许多细胞出现了体积缩小的情况，并出现了胞浆溶解现象（图8d）。在nZVI/PMS体系处理HLS-6与SDZ共存体系中观察到了细胞内物质的泄漏或降解，其中高度聚集的针状物质的主要成分可能是氢氧化铁（FeO（OH））（图8e）。这些TEM图像清楚地显示了无论SDZ存在与否的情况下，S-nZVI/PMS和nZVI/PMS处理导致的HLS-6细胞结构的形态学变化和不可逆损伤，充分验证了再生试验所得结论，即处理后细菌是有效灭活的。  小结 S-nZVI（S/Fe=1:5）和普通的nZVI对PMS均表现出良好的活化作用，可有效去除8种目标污染物。研究结果表明，S-nZVI或nZVI可在1 min内快速分解PMS和激活Fe3+/Fe2+氧化还原循环，是催化反应的两个关键机制。S-nZVI/PMS和nZVI-PMS体系都能产生丰富的自由基（SO4·-、HO·、1O2和O2·-）以有效去除生物和化学污染物。nZVI/PMS体系对含有HA、常见阴离子（NO3-、HCO3-、Cl-、SO42-和H2PO4-）的水体保持了可接受的SDZ降解能力（超过67%）。两种体系对合成或实际污水出水中SDZ的降解仍能保持较高的氧化活性。根据降解反应中检测到的中间体，两个体系通过氧化、断键和羟基化等方式经四种途径来降解SDZ。TEM结果证实，所产生的ROS、S-nZVI（nZVI）及其氧化产物会攻击细菌细胞膜，并且由于渗透性的增加以及细胞成分的破裂和溢出而导致细胞的进一步变形，HLS-6细胞将失去其再生活性。总之，未经硫化的nZVI/PMS在污水处理中具有应用潜力，可以降低抗生素耐药性的传播风险。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。 作者简介 第一作者：刘莹，北京工业大学在读博士研究生。主要研究方向为高级氧化法抑制抗生素耐药性的传播等。目前以第一作者和导师一作，学生二作在杂志Journal of Hazardous Materials、Chemical Engineering Journal、Bioresource Technology发表SCI论文5篇。 联系方式：liuying166@emails.bjut.edu.cn 通讯作者：高景峰，教授、博士生导师，现任职于北京工业大学环境科学与工程学院。主要研究领域为污水新型生物脱氮除磷技术、好氧颗粒污泥技术、新污染物控制技术等。入选北京市科技新星计划，主持5项国家自然科学基金、4项北京市自然科学基金、1项国家科技重大专项课题子任务、1项北京科委科技计划项目。以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文90余篇，授权中国国家发明专利30余项。2021年入围全球顶尖前10万科学家名单。 联系方式：gao.jingfeng@bjut.edu.cn
JHM家族期刊包括Journal of Hazardous Materials (JHM)，Journal of Hazardous Materials Letters (JHM Letters), 和Journal of Hazardous Materials Advances (JHMA)。三本期刊拥有相同的scope，侧重在环境危险物质的迁移，影响，检测，和去除。旗舰期刊JHM发表高水平科研和综述文章，JHM Letters完全开放获取，发表Letter-type科研和前沿综述文章（3000字限制，4副图/表），JHMA定位为中档开放获取期刊。 |
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