האיום המתהווה של זיהום אנטיביוטיקה במערכות מים

התפשטותה העולמית של זיהומים עמידים באנטיביוטיקה היא אחד המשברים הבריאותיים הציבוריים הדחופים ביותר של זמננו בכל שנה, כמעט FLT:05 מיליון מקרי מוות של FLT:1 ; הם קשורים להתנגדות מיקרוביאלית (AMR), על פי מקורות הבריאות הלא-מועילים:2World Health OrganizationFLT 3FLT 3 (A עיקרי אך לעתים קרובות מתעלם מהמשבר הזה הוא נוכחות של עמידות לאנטיביוטיקה וגנים מקומיים, מפסולת זרים, ממאגרי מזון, מפריים, תרופות לא-תזונה, מפריים, מפריים, מפריים, מפריים, מפריים, מפריים, מפרי מזון, מפרי מזון, ממחסור) ממחסור במים לא-תזונה לא-תזונה לא-תזונה, שמקורם, שמקורם, שמקורם של תרופות לא-מרפאים, שמקורן.

שיטות טיפול במים קונבנציונליים - כגון קידוד מופעל ביולוגי, coagulation-flocculation, סינון חול, וכלורציה - לא נועדו להסיר תרכובות תרופות מעקב או חומר גנטי.הם לעתים קרובות להשיג רק הסרת חלקי, ובמקרים מסוימים, ריכוזים תת-הבייטרליים של אנטיביוטיקה יכולים למעשה לקדם את הבחירה של חיידקים עמידים בתוך צמח הטיפול עצמו.

תהליכי חמצון מתקדמים (AOPs) הופיעו כמעמד רב עוצמה של טכנולוגיות המסוגלות לחדור את המזהמים המתקדמים הללו.על ידי יצירת מינים תגובתיים מאוד כי לא-מחוק לתקוף מולקולות אורגניות, AOPs מציעים מסלול לפירוק אנטיביוטיקה, חיידקים לא יעילים, וחיסול שברי דנ"א הנושאים התנגדות - כל צעד טיפול יחיד.

הבנת תהליכי חמצון מתקדמים

תהליכי חמצון מתקדמים מתייחסים למערך של טכניקות טיפול כימיות הנתמכות על הדור ה-FLT:0in-situ של hydroxyl RadsigmigFLT:1 (OH) או מינים אחרים של חמצן תגובתי כגון רדיקלים סולפטים (SO4-), אוזון (O3), ומימן peroxide (H2O2) יש פוטנציאל חמצון גבוה מאוד - יש אפילו נוזל אורגני 2, אפילו כדי לפרק את הפוטנציאל של 2, אוקסריד.

משפחות המפתח של AOPs כוללות:

  • (FLT:0) OOPs מבוסס AOPs: ⁇ 1 (O3) לבד או בשילוב עם H2O2 (O3/H2O2) או אור UV (O3/UV) מאיץ את הדור הרדיקלי.
  • (FLT:0)UV מבוסס AOPs:FreaLT:1) hydrogen peroxide photolysis (UV / H2O2) מייצרת OH; UV / TO2 (פוטקטאליזה) ו-UV /persulfate הם גם נפוצים.
  • (FLT:0)Fenton ו- Fenton-like Process:BuildFLT:1) Iron-catalyzed decomposition של H2O2 בתנאים חומציים מניבים OH. אלקטרו-Fenton וריאציות צילום-Fenton משפרות את היעילות.
  • (FLT:0) תהליכי פוטו-אנליזה: 1FLT:1 Semiconductors כמו TiO2, ZnO ו- g-C3N4 מייצרים זוגות חור אלקטרוני תחת אור UV או גלוי שיוצר רדיקלים.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) חמצון אלקטרו-כימיקלי: ANGDERE1; Anodes כגון יהלום ברון-דופד (BDD) או תחמוצות מתכת מעורבות ישירות מחמצן את המזהמים באמצעות פרסומות.

לכל AOP יש יתרונות ומגבלות ברורים לגבי צריכת אנרגיה, דרישות pH, ויצורי לוואי, אבל כולם חולקים את המנגנון הבסיסי של התקפה על ידי רדיקלים לא חשמליים.

מכניזם של Degradation זיהום על ידי hydroxyl Radicals

רדיקלים הידרוקסיל מגיבים עם תרכובות אורגניות באמצעות שלושה מסלולים עיקריים: תוספת אלקטרופיללית לאיגרות חוב בלתי רוויות (כגון טבעות ארומטיות או אג"ח כפול), הפשטות מימן מרשתות אלphatic, ותגובות העברה אלקטרוניות.עבור אנטיביוטיקה, תגובות אלה יכולות להוביל לפתיחה טבעת, טיפול, הדבקה, ומינרליזציה (conversion to CO2 ו- H2O) תלויות בתדירות נמוכה יותר של לחץ מולקולרית, אפילו לא מושלמת של תגובה לא מושלמת של תפקוד ביולוגי.

יעילות AOPs בהעברת כיתות אנטיביוטיות ספציפיות

מאות מחקרים בשני העשורים האחרונים הוכיחו את יעילותם של AOPs נגד מגוון רחב של כיתות אנטיביוטיקה.התתתת-התפיסות הבאות מסכמת את התוצאות המותקנות ביותר.

Tetracyclines

Tetracyclines הם אנטיביוטיקה רחבה-ספקטרום בשימוש נרחב הן ברפואה האנושית והן בייצור בעלי חיים. הם לעתים קרובות מזוהה במים פני השטח וממים קרקעיים ליד אזורים חקלאיים. AOPs כגון UV / H2O2O2, photocatalysis עם TiO2, ו תהליכי ניטור תמונה-Fenton השיגו > 90% של tetracycline, ו oxytetracy בתוך 120 שעות טיפול בינוניות עד בינונית (או-icip) עם ירידה משמעותית של טיפול תרופתית) תוך כדי טיפול תרופתית לאחר טיפול תרופתית (או-דלקת ריאות) עם ירידה בינונית (או-דלקת ריאות) תוך מספר דקות לאחר טיפול תרופתית) תוך כדי ירידה בינונית (דלקת ריאות) עם ירידה של דלקת ריאות) עם ירידה של כמה דקות לאחר זמן קצר יותר, עם ירידה בינונית (דלקת ריאות) עם ירידה בינונית (דלקת ריאות) עם טיפול תרופתית) עם ירידה של דלקת ריאות (דלקת ריאות (דלקת ריאות) עם טיפול תרופתית) עם טיפול תרופתית) עם ירידה של דלקת ריאות (דלקת ריאות (דלקת ריאות (דלקתית) עם ירידה של כמה דקות לאחר זמן קצר יותר) עם טיפול תרופתית) עם ירידה בינונית (דלקת ריאות) עם ירידה בינונית (אוקסיליטיסהפחתת דלקת ריאות (דלקת ריאות (דלקת

Sulfonamides

Sulfonamides, כולל sulfamethoxazole ו sulfadiazine, הם בין אנטיביוטיקה מזוהה ביותר במי שפכים. תרכובות אלה הם יחסית realcitrant לטיפול ביולוגי. Ozone מבוסס AOPs הוכיחו יעיל במיוחד. O3 לבדו משיגה שיעורי הסרה גבוהים עקב תגובה ישירה עם קבוצות amine, בעוד O3 / H2O2O נוספים לשפר את ה-Ox2K / O.2K / O.

פלואורוקווינפולנס

Ciprofloxacin, levofloxacin, ו- Norfloxacin הם פלואורוקווינפולנס כי מתנגדים לטיפול קונבנציונלי בשל המבנה הטרוקרקטי של הטרוקיקה היציב שלהם. Fenton ו- אלקטרו-Fenton תהליכים נחקרו באופן נרחב עבור תרכובות אלה.תחת pH מותאם אישית (2.8-3.5) ו- Fe2+ / H2O22 יחסים, ירידה ciprofloxacin יכול לעלות על 95% בתוך 30 דקות בלבד, לעומת ירידה של נוזל חמצן נמוך יותר מאשר .

Beta-Lactams

פניצילין, cephalosporins, ו carbapenems רגישים הידרוליזה אבל יכול להימשך במים כאשר מודעות חומר אורגני. Ozonation ו-UV /H2O2 להפחית את התרכובות האלה ביעילות, אם כי נוכחות של חומר אורגני טבעי יכול להתחרות על רדיקלים.עבור amoxicillin, שילוב של UVsulfate יצרו sulfatesulfatesulfatesulfatesulfates > רדיקלים הרבה יותר מ מינרלים לאחר 60 דקות יותר גבוה יותר מאשר 60.

הסרת הג'ינס של ההתנגדות האנטיביוטית (ARGs)

בעוד מולקולות אנטיביוטיות מקטין את הלחץ הברירה הכימי, ה-DNA ה-FLT:0 (גנטי התנגדות לחומרים אנתרופולוגיים) 1 - ARGs הממוקם על plasmids, transposons, ו- chromosomal DNA - יכול להימשך בסביבה גם לאחר שהאנטיביוטיקה הוסרה.

מכניזם של ARG REמובal

  • (FLT:0Cell lysis ו- DNA שחרור: ⁇ F1) רדיקלים AOP-generated יכולים לנקב את הקרמונים של תאי חיידקי, לשחרר DNA תוך-תאי לפתרון הגדול.אם הרדיקלים עדיין נוכחים, הם יכולים להמשיך לחמצן את ה-DNA הנחשק.
  • (FLT:0) הפעלת חמצון DNA:FLT:1 hydroxyl רדיקלים לתקוף deoxyribose סוכרים ובסיסים נוקלוטידים, גרימת הפסקות סטרנד ושינויים בבסיס.זה הופך את ה-DNA לא מתפקד כמו תבנית לתעתיק או שכפול.
  • (FLT:0) אינטיבינציה של טרנספורמציה: FLT:1 גם אם דנ"א מפוצל נמשך, היכולת שלו להפוך חיידקי מקבל מוכשר מופחתת באופן דרסטי כאשר השברים קצרים יותר מ -200 זוגות בסיס.

מספר מחקרים הגדירו את הסרת ARG על ידי AOPs.לדוגמה, טיפול UV / H2O2 של פסולת עירונית מים effluent השיג 2-4 הפחתה של גנים התנגדות tetracycline (tetA, tetW) ו sonulf התנגדות גנים (sul1, sul2) במינונים מעשיים (40- 100 mJ /2).

גורמים המשפיעים על ARG Degradation

היעילות של AOPs עבור ARGs תלויה: (א) הריכוז הראשוני של תאים דנ"א וחיידקים; (ב) נוכחות של מתפתלים רדיקליים כגון bicarbonate, chloride, וחומר אורגני טבעי; (c) סוג AOP; ו (ד) את נוכחותם של מערכי הגן של המטרה.לדוגמה, DNA נוסף הוא בדרך כלל פגיע יותר לחמצן מאשר גנים תאיים, בנוסף להורדת חמצן סלולרי יכול לשפר את ה- COP.

הסרת סימולטני של אנטיביוטיקה וג'ינים התנגדות

יתרון גדול של AOPs הוא ה-FLT:0 של הסרת עונשים של אנטיביוטיקה ו- ARGSFLT 1, שובר את מחזור ההתפשטות של התנגדות. במערכות משולבות, האנטיביוטיקה מוזנחת בעוד התאים המארחים מופעלים וחומר הגנטי שלהם נהרס.לדוגמה, תקן פיילוט / H2O2O מטפל במערכת של פסולת אמיתית של בית חולים מושגת > 80% של אנטיביוטיקה ו-95% (כולל סגסוגת גנטית)

תהליכים היברידיים כי זוג AOPs עם מחסומים פיזיים כגון אולטרה סינון או או או אוסמוזה הפוכה יכול לשפר עוד יותר את ההסרה.צעד AOP מצמצם biofouling על membranes על ידי הפעלת חיידקים, בעוד membrane שומר שברים DNA גדול ו debris תאים, המאפשר AOP כדי לכוון מולקולות קטנות יותר.

סינרגיה עם פוסט-תגובה ביולוגית

גישה נוספת היא להשתמש ב-AOPs כ-AfLT:0pre-טיפולFLT:1 לפני מערכות ביולוגיות. חמצון חלקית של אנטיביוטיקה על ידי AOPs יכול לייצר יותר ביניים בר-קיימא ביולוגית, אשר לאחר מכן הוסרו בתהליך של קידוד מופעל למטה הזרם.באותו זמן, AOP inactivates ARG-carrying, להפחית את הסיכון HGT זה בלבד.

יתרונות של תהליכי חמצון מתקדמים

  • (FLT:0) התקפה לא אלקטרונית: FLT:1 OH רדיקלים מגיבים כמעט כל מולקולות אורגניות, כולל תרופות סטיות רבות נגד טיפול ביולוגי.
  • (ב) פעולה מילולית: 0 (Dual Action: FLT:1) מפילה באנטיביוטיקה ומשמידת את ARGs, מתייחסת לנהגים כימיים וביולוגיים של AMR.
  • (ב) יכולת הפחתה:0 (ה-0) ,001) רבים של AOPs לא מתפקדים חיידקים ווירוסים, המספקים בטיחות מיקרוביולוגית נוספת.
  • ייצור הטיהור המילולי: 1FLT (בניגוד לתהליכים ביולוגיים, AOPs אינם מצטברים ביומסה, צמצום בעיות של פסולת.
  • (FLT:0) תאימות עם אנרגיה מתחדשת: מנורות UV 1 יכול להיות מופעל על ידי לוחות סולאריים; photocatalysis יכול להשתמש קרינה סולארית ישירות.
  • (FLT:0) ניתן לכוונון במהירות ובמהירות: שיעור התגובה של 1FLT:1) ניתן לכוון על ידי התאמת מינון חמצון, עוצמת אור או זרם, המאפשר טיפול מהיר בזרימה רציפה.

אתגרים ומגבלות

למרות ביצועים חזקים בקנה מידה מעבדה, כמה מכשולים מעכבים את הפריסה הנרחבת של AOPs עבור אנטיביוטיקה ו- ARG להסרת מים בעולם האמיתי.

עלויות אנרגיה וכימיקלים

הדור של רדיקלים (באמצעות מנורות UV, אוזון או זרם) לצרוך אנרגיה חשמלית משמעותית.עבור UV / H2O2, האנרגיה החשמלית לפי סדר (EE/O) עבור degrading אנטיביוטיקה נמוכה ריכוזית יכול לנוע בין 0.5 ל 10 קילוואט / m3, בהתאם לאיכות המים.זה לעתים קרובות גבוה יותר מאשר עלויות טיפול קונבנציונליות.

מטריקס Interference

חומר אורגני טבעי (NOM), alkalinity (bicarbonate ופחמן), וכלור פועל כיצורים רדיקליים, צמצום הריכוז היעיל של OH זמין כדי לתקוף את המזונאים המטרה. במי שפכים, ריכוזים של NOM גבוה (5-20 מ"ג / L כ C) יכול להגדיל את המינון ה-UV הנדרש או מינון חמצון באופן משמעותי.

יצירת מוצרים לטרנספורמציה

חמצון חלקי של אנטיביוטיקה יכול להניב ביניים כי הם יותר רעילים או יותר מתמיד מאשר תרכובת ההורה.לדוגמה, השפלה של tetracycline יכול לייצר מוצרים עם רעילות גבוהה יותר מאשר tetracycline עצמו במקרים מסוימים.לבדיקות רעילות מקיפה אופטימיזציה של תנאי תגובה (טיפול ארוך יותר, מינון חמצון גבוה יותר) הם הכרחי כדי להבטיח איכות יעילה ובטוחה.

סקאביה ומציאות-World אימות

רוב המחקרים נערכו במים סינתטיים או כורים קטנים. Scale-up לטיפול זרימה מתמשך של אלפי מ"ק ליום נשאר מאתגר.בעיות כגון חלוקת מנה UV אחידה, העברת המונים של אוזון, ומחזור ברזל בתהליכים פנטון זקוקים לפתרונות הנדסיים. - פיילוט בקנה מידה מלא מחקרים הם עדיין מעטים יחסית, במיוחד עבור נקודות להסרת RG.

פרספקטיבה עתידית ודרכים מחקר

כדי להפוך AOPs כלי מעשי למאבק בהתנגדות אנטיביוטית במים, כמה שדרות הם רדוף באופן פעיל.

אופטימיזציה תהליכים ואוטומציה

מערכות בקרה מתקדמות באמצעות חיישני זמן אמיתיים לריכוז החמצן הסמוי, העברת UV ואינדיקטורים מיקרוביאליים יכולים להתאים את הפרמטרים התפעוליים בזמן אמת, צמצום פסולת האנרגיה.מודלים למידה מכונה מאומן על נתונים באיכות המים יכול לחזות את המינון האופטימלי עבור מאטריקס נתונה.

שילוב עם תהליכי Membrane

מערכות AOP-membrane היברידיות (למשל, UV / H2O2 עם ננומטרה, או או אוזון עם קרום קרמיקה) מציעים הסרת מוגברת והפחתה מופחתת של בחירה ממברנה יכול גם לדחות באופן סלקטיבי מולקולות אנטיביוטיקה לטיפול AOP נוסף בזרם הרכז.

פיתוח Catalysts Low-Cost

עבור תהליכי photocatalysis ו- Fenton-like, המחקר מתמקד בזרזים גלויים-אקטיביים (למשל, doped TiO2, bismuth oxyhalides, ותרכובות פחמן ניטריד) שיכולים להשתמש באור השמש ביעילות רבה יותר. זרזים מגנטיים רזים מפשטים לאחר טיפול ו reuse.

נהגים והערכה של סיכונים

התקנים לשרידים אנטיביוטיקה ו- ARGS במים עדיין לא הוקמו ברוב המדינות.עם זאת, ארגון הבריאות העולמי והאיחוד האירופי מדגישים יותר ויותר גישות בריאות אחת ל- AMR.אינטגרציה של AOPs למתן היתרי שחרור לבתי חולים ובתי-חרושת לתרופות עלולה להאיץ את אימוץ.

הערכה מחזור חיים

העבודה העתידית חייבת להעריך את טביעת הרגל הסביבתית המלאה של AOPs – כולל מקור אנרגיה, ייצור כימי וסילוק של זרזים בילו - נגד התועלת הציבורית של צמצום התפשטות AMR.

מסקנה

תהליכי חמצון מתקדמים מייצגים פתרון בוגר ורב תכליתי מבחינה טכנולוגית להסרת אנטיביוטיקה וגנים עמידים אנטיביוטיים ממים.על ידי יצירת רדיקלים תגובתיים מאוד, AOPs יכול לחדד ספקטרום רחב של שיעורי אנטיביוטיקה בו זמנית חיידקים ו להרוס DNA תאי נוסף, בעוד אתגרים הקשורים בעלות, הפרעה מטרטרית, ודרגתיות להישאר, התקדמות מתמשכת בתהליך, פיתוח, פיתוח, מערכת היברידית הם במהירות קרוב יותר כדי למנוע פתרונות הגנה מיקרוסקופית של פתרונות חזקים נגד ARMIOPD.