研究概述

水传播病原体（Waterborne pathogens），特别是新出现的抗生素耐药细菌（ARB），可引起严重的传染病，对公众健康构成巨大威胁。然而，现有的水消毒技术往往不仅能源和化学密集型，而且在消除抗生素抗性基因（ARGs）方面效率低下。基于此，清华大学深圳国际研究生院/北京师范大学张军特聘副研究员、清华大学深圳国际研究生院李晓岩教授和林琳副教授、澳门科技大学Songying Qu（共同通讯作者）等人报道了一个“化学（H2O2预处理）-物理（纳米尖端电穿孔）-化学（•OH注射）”的顺序电化学过程，该过程在灭活ARB和去除ARGs方面非常有效。

细菌首先在SnO2-x/TiO2阳极区域通过双电子水氧化产生的H2O2进行预处理，以降低细菌外壁对电穿孔的防御。然后，“软化”和“弱化”的细菌很容易被Pd-Au/TiO2阴极区的电穿孔和同步注入通过三电子氧还原产生的丰富的•OH刺穿。包括核体和细胞质在内的细菌内含物被•OH氧化有效分解，导致整个细胞结构由内而外的被破坏。这种协同物理损伤和化学氧化的杀菌机制在短停留时间（~16 s）、高通量（~4.5 m3 h-1 m-2）和低能耗（~42.4 Wh m-3）下连续运行15天，灭活了超过99.9999%的ARB和去除了约99%的ARGs。本工作开发了一种高效、无残留的杀菌方法，其具有协同物理损伤和化学氧化作用，有可能在水消毒领域带来革命性的进步。

相关工作以《Synergetic physical damage and chemical oxidation for highly efficient and residue-free water disinfection》为题发表在最新一期《Nature Water》上。

图文解读

图1.电极的合成和表征

图2.电极的电化学性能分析

图3.灭活效率

图4.完全消毒性能

图5.消毒机制

文献信息

Synergetic physical damage and chemical oxidation for highly efficient and residue-free water disinfection. Nature Water, 2024, https://doi.org/10.1038/s44221-024-00344-0.