FeOCl主导的非自由基可见光芬顿反应：揭示其对耐抗生素细菌及其基因的多目标损伤机制

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Nonradical-dominated visible-light Fenton Process by FeOCl: Unveiling the multi-target damage mechanism against antibiotic-resistant bacteria and genes

　　抗生素耐药菌（ARB）和基因（ARGs）的消除机制研究。开发FeOCl基可见光Fenton非自由基系统，通过1O?和h?靶向氧化核酸碱基，实现ARB灭活（6.07 log CFU/mL，40 min）和ARGs降解（4.9 log copies/mL，60 min）。蛋白质组学揭示多重细胞损伤：膜完整性破坏（K?泄漏）、能量代谢抑制、DNA修复干扰。质粒实验证实氧化阻断ARG水平转移。

　　抗生素耐药细菌（ARB）和抗生素耐药基因（ARGs）的广泛传播，通过水平基因转移（HGT）加速了多重耐药性的产生，对生态系统和公众健康构成了严重威胁。为了解决这一问题，研究团队设计了一种可见光激活的基于FeOCl的非自由基芬顿系统，以克服传统自由基反应过程在选择性和反应性方面的固有局限，从而实现对ARB和ARGs的精准、高效去除。该系统在40分钟内实现了对ARB的6.07 log?? CFU/mL的灭活效果，在60分钟内对ARGs的降解效果达到4.9 log?? copies/mL。通过数据独立获取（DIA）定量蛋白质组学分析，发现该系统通过破坏细菌膜结构（如K?泄漏）、抑制能量代谢和干扰DNA修复机制，导致ARB的不可逆灭活。此外，降解途径分析证实，h?和1O?能够选择性地氧化核碱基，而非磷酸二酯骨架。具体而言，h?/1O?在鸟嘌呤的C8位点发生亲电加成，引发氮杂环的裂解和脱氨反应，从而实现ARGs的彻底去除。质粒转化实验进一步验证了该系统在环境矩阵中对ARGs扩散潜力的显著抑制作用。这一研究揭示了非自由基协同机制在高效去除ARB和ARGs中的关键作用，为精准控制抗生素耐药性提供了理论基础和科学依据。

抗生素耐药细菌及其基因在水体环境中的大量存在和持续扩散，已成为全球公共卫生和环境可持续性面临的重大挑战。这些微生物不仅具有自我复制能力，还能够通过水平基因转移（HGT）在不同微生物群落之间传播耐药性，从而加剧微生物耐药性的扩散。传统的高级氧化工艺（AOPs）在微生物灭活方面表现出良好的效果，主要依赖于高度反应性的自由基（如•OH和SO?•?）来破坏细胞结构并干扰关键的生理功能。然而，这类自由基反应系统在实际水处理过程中存在两个主要限制：首先，背景中的无机阴离子和天然有机质（NOM）会与自由基发生竞争性反应，降低氧化效率，甚至可能产生更具毒性的二次污染物；其次，自由基的极短寿命限制了其有效扩散距离，使其难以穿透密集的细菌细胞壁或细胞膜，从而显著降低对细胞内ARGs的去除效果。

为了解决上述问题，研究者们逐渐将目光转向非自由基氧化路径，包括单线态氧（1O?）氧化、高价金属物种介导的氧化以及电子转移过程（ETP）。这些非自由基路径相较于传统自由基系统具有独特的优势：首先，它们对富含电子的有机物和微生物展现出更高的选择性；其次，它们在较宽的pH范围内表现出稳定的性能；最后，非自由基氧化过程产生的有毒副产物较少，从而提高了环境友好性。近年来，一些研究已经验证了非自由基系统在同时去除ARB和ARGs方面的有效性。例如，Long等人开发的电催化协同Fe(III)/过硫酸氢钾（PMS）系统，利用Fe(IV)和1O?作为主要的活性物种，在pH=3条件下，对目标污染物磺胺甲噁唑（SMX）的降解效率约为70%，并表现出对大肠杆菌（*E. coli*）的高效灭活能力。同样，Chen等人设计的PI/Fe(VI)系统，能够在pH范围3-7.2内高效灭活革兰氏阴性和阳性细菌，并显著降低ARGs的含量。这些研究结果表明，铁基催化剂在非自由基氧化过程中具有巨大的潜力，特别是在抗生素耐药性污染治理方面。

然而，尽管铁基材料在有机污染物降解方面一直受到广泛关注，其优势包括低成本、低毒性以及优异的芬顿类反应性能，但它们的催化性能却高度依赖于pH条件。在酸性条件下，铁基催化剂表现出最佳的活性，而在中性和碱性环境中，其性能显著下降。这种pH依赖性严重限制了其在实际水处理中的应用。因此，开发一种不受pH影响的非自由基氧化系统成为解决这一问题的关键。铁氧氯化物（FeOCl）作为一种n型光催化剂，具有独特的线性配位结构，即[O-Fe-Cl]/[O-Fe-O]，这种结构暴露了高活性的铁位点，从而能够高效激活H?O?。结合其最佳的能带间隙和优越的光电化学性能，FeOCl在芬顿类反应中表现出优于传统铁氧化物（如Fe?O?和α-Fe?O?）的性能。尤为重要的是，FeOCl通过其独特的机制，能够作为pH不敏感的催化剂，在广泛的pH范围内（3–11）高效降解污染物如双酚A和氨苄青霉素，并显著灭活大肠杆菌。最近的研究还展示了基于FeOCl的非自由基策略的潜力。

基于上述研究基础，本研究开发了一种以FeOCl为基础的可见光芬顿系统，该系统主要依赖非自由基路径，旨在克服传统自由基介导方法在抗生素耐药性污染治理中的局限性。通过优化FeOCl与H?O?的协同比例，系统实现了对ARB的高效灭活和对ARGs的显著降解。为了深入揭示其作用机制，研究采用了数据独立获取（DIA）定量蛋白质组学分析，发现细菌灭活主要由细胞膜完整性受损、关键能量代谢途径受抑制以及DNA损伤修复机制的破坏所驱动。此外，通过质粒转化实验评估了ARGs在处理后的扩散潜力，结果显示该系统能够通过针对DNA碱基的精准氧化，有效钝化细胞外ARGs，从而显著降低其水平基因转移的可能性。这些发现表明，非自由基氧化路径在缓解抗生素耐药性污染方面发挥着至关重要的作用，为环境修复和公共卫生安全提供了坚实的理论支持和科学依据。

在合成FeOCl的过程中，采用了一种简便的煅烧法，基于部分热分解。首先，将FeCl?·6H?O研磨成细粉，并均匀铺放在坩埚底部。随后，样品在马弗炉中以10°C/min的升温速率进行热处理，温度范围为25-220°C，并在220°C下保持2小时的等温处理。自然冷却至室温后，得到的产物被研磨成细粉，并密封保存以备后续使用。该合成方法不仅操作简单，而且能够有效控制FeOCl的晶体结构和形貌，确保其在后续实验中表现出优异的催化性能。

为了建立基于FeOCl的可见光芬顿非自由基氧化系统，研究首先通过X射线衍射（XRD）分析了FeOCl的晶体结构。XRD图谱（图1a）显示，在10.8°（010）、26.0°（110）、35.5°（021）和38.1°（111）处出现了尖锐的衍射峰，这些峰与FeOCl的标准图谱（JCPDS No. 01-072-0619）一致，证实了其高结晶度和相纯度。此外，扫描电子显微镜（SEM）图像（图S3a）显示，FeOCl呈现出层状堆叠的矩形棱柱状纳米棒结构，这种结构不仅有助于提高其比表面积，还为可见光驱动的电子转移提供了良好的物理通道。透射电子显微镜（TEM）和高分辨率TEM（HRTEM）进一步验证了FeOCl的高结晶度，表明其在微观结构上具有高度有序性，这对于光催化反应的效率至关重要。

在可见光条件下，FeOCl能够通过非自由基机制激活H?O?，产生高活性的氧化物种，如1O?和Fe(IV)=O。这些非自由基物种能够选择性地作用于微生物的特定结构和功能，从而实现对ARB和ARGs的高效去除。与传统自由基反应相比，非自由基路径在处理过程中表现出更强的选择性和更低的副产物生成，使其在实际水处理中更具应用前景。例如，Ying Zeng等人通过将氧掺杂的石墨碳氮化物（g-C?N?）引入FeOCl体系，成功调控了g-C?N?的工作函数，并在FeOCl/g-C?N?异质结中建立了内建电场。这一内建电场促进了Fe(II)/Fe(III)的重排，从而增强了PMS的吸附能力，降低了活化能障碍，并加速了1O?和Fe(IV)=O等活性物种的形成。最终，该系统表现出较高的活性（*k*_obs = 0.250 min?1），并具有良好的稳定性和抗干扰能力。

同样，Jinling Wang等人开发的钾插层FeOCl（K-FeOCl）系统，通过引入K?离子诱导了层间滑动和配位畸变，从而形成了高自旋的Fe(II)物种。这种转变将H?O?的活化路径从传统的芬顿类自由基机制转移到以Fe(IV)=O为主的非自由基路径。这一机制显著提高了有机污染物的降解效率，并将反应动力学提升了近两个数量级，同时提高了H?O?的利用率。此外，该催化剂系统的集成应用还具有降低能耗的潜力，为大规模水处理提供了新的思路。

综上所述，基于FeOCl的可见光芬顿非自由基氧化系统在抗生素耐药性污染治理方面展现出广阔的应用前景。该系统不仅克服了传统自由基反应在pH依赖性和副产物生成方面的不足，还通过精准的非自由基氧化机制，有效抑制了ARGs的水平基因转移，从而显著降低了抗生素耐药性的传播风险。未来的研究将进一步探索该系统的优化路径，提高其在不同环境条件下的适应性和稳定性，以期实现更广泛、更高效的抗生素耐药性污染控制。