第一作者：刘力铭（liuliming_1998@163.com）

通讯作者：陈鸿（chenhong@tju.edu.cn）

通讯作者：王灿（wangcan@tju.edu.cn）

通讯单位：天津大学

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.128311

期刊名称：Journal of Hazardous Materials

图文摘要

研究背景

生物气溶胶是空气污染物的一种，定义为空气和空气动力学当量直径在0.001 nm-100 μm之间的生物颗粒形成的两相分散系统。由于长期不合理、不规范地滥用抗生素，环境中微生物的耐药性增加，出现了抗生素耐药菌（ARB）。抗生素抗性基因（ARGs）通过迁移和转化传播的方式也广泛存在于各种环境介质。其中，气载ARB和ARGs相对来说不太受研究者们的重视，因此开发一种绿色高效的生物气溶胶控制手段具有重要意义。

文章亮点

（1）TiO₂/MXene填料的加入使气载ARB损伤更彻底；

（2）空气中携带抗性基因的大肠杆菌比不携带的大肠杆菌更容易被灭活；

（3）去除气载基因的难度16SrRNA<sul2<sul3<sul1；

（4）动态连续流光催化反应器可在2-3秒内有效去除ARB和ARGs。

图文总结

图1 三种菌株灭活效率的比较

（a）填料加入前 （b）填料加入后

空气中的抗生素耐药菌和抗生素敏感菌的生物多样性可能导致实际消毒过程的差异。本文选择了三种大肠杆菌进行研究，可以看出，具有多重抗生素耐药性的两株大肠杆菌的灭活情况较为相似，与抗生素敏感株有较大差异。在紫外或光催化条件下的抗生素敏感菌株CGMCC 1.3373均比多重耐药菌具有更好的自我保护能力。造成这种现象的原因是与抗氧化相关的细胞基因极大地改变了细菌对外部环境的抵抗力。由于基因调控，耐药菌株可能对光催化氧化的抵抗力减弱。除此之外，孔蛋白表达水平的变化和活性药物外排系统的协同作用在保证菌株的高耐药性的同时，改变了细胞通透性。

图2 不同光源对两株耐药大肠杆菌灭活效率的比较

毫无疑问，光子数量和能量直接影响了光催化消毒过程。当使用UV254灭活E.coli CICC 10667时，在66.8 mW/cm2和88.6 mW/cm2的辐照强度下的灭活效率均可保持在4 lg以上。当辐照强度增加到135.3 mW/cm2时，UV254灭活后的灭活效率约为5.6 lg。加入光催化剂填料对效率提升并不明显。而在UV365照射下，随着辐照强度的增强，引入光催化剂填料的处理效果提升明显，分别提高了0.32 lg和0.55 lg。结果表明，本研究中的光催化杀菌过程包括了紫外线直接照射杀菌和光催化产生的活性氧物种杀菌两种方式。

图3 不同湿度下两株耐药大肠杆菌灭活效率的比较

两种多重耐药菌株在不同湿度条件下的灭活特性相似，灭活效率随湿度的增加没有明显增加，甚至略有下降。虽然相对湿度较高的生物气溶胶含有更多的水分子，可以为羟基自由基的产生提供了来源。然而，高湿度的空气介质会折射UV254，从而降低反应器内的光强度。同时，在高湿度条件下，微生物表面可能会覆盖一层水膜，这可以在一定程度上帮助微生物细胞抵抗攻击。

图4 两株耐药大肠杆菌的光复活和暗修复

在微生物消毒的相关研究中，紫外线处理过的细菌会进入一种“存活但不可培养”（VBNC）的状态，这种状态下的细菌可以在特定条件下进行自修复，这对大多数的紫外线消毒应用造成了困扰，因此有必要对本反应体系下的自修复现象进行研究。从图中可以看出，UV254灭活后，光照条件下静置40 h，CICC 10663和CICC 10667分别由105.63、105.57 CFU/m³逐渐恢复到108.19 CFU/m³和106.98 CFU/m³。而在黑暗条件下静置 40 h 时，可以恢复到106.92 CFU/m³和106.92 CFU/m³。值得注意的是，携带不同ARGs的大肠杆菌的修复没有显着差异，且可见光下的修复效果比黑暗条件下更好。而光催化处理的ARB不仅没有出现光复活和暗修复现象，甚至呈现出持续失活的趋势。与单独的UV254照射相比，其灭活效果既高效又彻底。这是因为光催化灭活机理不同于紫外线照射。当光催化剂被光子能量大于其带隙的外部光源激发时，价带中的电子将转移到导带，形成电子空穴对，即光生载流子。一方面，迁移到催化剂表面的载流子可以直接氧化还原吸附在催化剂表面的微生物细胞。另一方面，载流子可以与空气中的氧气和水分子发生反应，产生活性氧物种，如·O₂-、·OH 和H₂O₂。它们可以破坏细胞结构、代谢物质（如辅酶A）和遗传物质，从而导致这种在光照或黑暗条件下都无法修复的损伤。正常代谢功能的破坏和无营养物质的摄入导致了微生物在光催化处理后仍然持续断失活。细胞结构不完整，更是加剧了细菌在采样液中“腐烂”的速度。

图5 紫外/光催化下的生物气溶胶粒度分布

(a)Anderson六级微生物采样器

(b)光学粒度光谱仪（OPS）

Anderson采样器结果表明，生物气溶胶的粒径分布集中在 3.3 μm 以下，这与大肠杆菌自身0.5 μm×(1-3) μm的大小有关。由于UV365的的灭活效果较差，处理前后生物气溶胶粒径分布无明显差异。而UV254/光催化处理后粒径为0.65-2.1 μm的生物气溶胶颗粒浓度显着降低。应该注意的是，UV254/光催化的灭活效果略高于单独的UV254照射。ARB在不同条件下的灭活效果表明，UV365和UV365/光催化对细胞整体的破坏效果一般，而且由于耐抗生素大肠杆菌对紫外线的耐受性相对较差，UV254/光催化对灭活的提升效果有限，这与Anderson采样器的结果一致。由于OPS采集原理与Anderson不同，因此利用OPS进一步分析了UV254和UV254/光催化对反应前后生物气溶胶的粒度分布。生物气溶胶颗粒数量主要分布在0.3-0.8 μm和0.8-1.5 μm范围内。其中，小于 0.3-0.8 μm的颗粒可能是无机盐和水分子，因此被忽略。而 大肠杆菌在紫外光照射下表现出明显的光活化和暗修复，在光催化下却被有效抑制了修复能力。OPS在UV照射后可以捕获处于VBNC状态的细胞，这些失去培养能力的细胞集中在0.8-1.5 µm之间，这与未处理细胞的粒径分布一致。而光催化处理后全粒度分布的降低也说明了生物性碳基结构被氧化到无法捕获的地步。

图6

(a)紫外线/光催化对三个磺胺抗性基因和16S rRNA 绝对丰度影响

(b)紫外线/光催化对三种磺胺抗性基因相对丰度的影响

细胞外层组织被氧化后，ARGs会解离到环境介质中，可能会造成新的环境威胁。在选用消毒效率最高的UV254/光催化处理条件时，4个基因的绝对丰度分别降低了0.42 lg、2.11 lg、0.40 lg和3.09 lg。无论波长如何，sul2和16S rRNA的环境浓度都显着降低。如前所述，UV254/光催化对ARB的失活率超过4个数量级，最高可达5.43 lg。UV/光催化能有效彻底灭活耐药菌，对ARGs的存在也有一定的限制作用。然而，我们也得出了与其他研究人员类似的结论，即破坏 ARGs比灭活ARB更难。这是因为 ARGs 被细胞结构、RNA 和蛋白质阻断，从而降低了紫外线照射的可能性并抵抗了ROS 的攻击。

此外，可以看出UV和光催化介导的ARGs降解效率弱于16S rRNA。这可能是由于去除每个ARGs，16S rRNA基因以及宿主细菌的去除机制不同。16S rRNA是细胞中含量最多的RNA，约占总RNA的80%。16S rRNA长度约为1542 nt，结构和碱基排列复杂度适中，推测这也是它比较容易去除的原因。此外，sul1和sul3对UV和ROS具有更高的抵抗力。虽然同属于磺胺类耐药基因，但sul1、sul2和sul3基因片段的序列不同。它们的抗消毒能力存在一些差异，这可能是由于二聚体形成位点（CC、TT、CT、TC）的数量不同。此前，一些研究人员使用qPCR研究并证实UV254处理下ARGs扩增子的消除与扩增子靶标中相邻T-T碱基的数量密切相关。此外，较长的基因往往具有更多的反应位点，这也是不同基因在单位时间内去除效果存在差异的原因。

文章结论

与抗生素敏感菌株相比，具有多重抗生素耐药性的菌株对消毒的抵抗性较差。TiO₂/MXene填料的加入可以显着提高UV照射的灭活效果，尤其是UV365。面对不同种类的生物气溶胶（不同浓度；不同湿度；不同菌株），自制的动态连续流光催化反应器可以保持有效稳定的处理效率（3.33-5.92 lg）。此外，本研究可以通过调节外部反应参数（紫外波长；紫外强度；气体流量）来优化处理效果，这也为光催化技术在生物气溶胶控制中的实际应用提供了参考。

从机理上看，紫外线主要是破坏微生物的遗传物质，使其失活。而光催化却是直接破坏了细胞结构，这也表现出了更为彻底的消毒效果。光催化处理后生物气溶胶中生物碎片变小以及细胞形态严重破坏的现象都说明了反应体系中高能量的光子与活性氧物种结合杀菌的先进性。在避免二次污染的同时，也为气载ARGs控制提供了强有力的解决方案。