Применение расширенного окисления при удалении генов антибиотиков и резистентности

Растущая угроза загрязнения антибиотиками водных систем

Глобальное распространение устойчивых к антибиотикам инфекций является одним из самых неотложных кризисов общественного здравоохранения нашего времени. Каждый год почти пять миллионов смертей связаны с устойчивостью к противомикробным препаратам (AMR), согласно Всемирной организации здравоохранения . Основным, но часто упускаемым из виду драйвером этого кризиса является наличие остатков антибиотиков и генов устойчивости к антибиотикам (ARG) в источниках воды. Эти загрязнители происходят из фармацевтического производства, больничных стоков, сельскохозяйственного стока, бытовых сточных вод и неправильного удаления неиспользованных лекарств.

Обычные методы очистки воды, такие как биологический активированный ил, коагуляция-флоккуляции, фильтрация песка и хлорирование, не были предназначены для удаления следов фармацевтических соединений или генетического материала. Они часто достигают только частичного удаления, и в некоторых случаях субингибирующие концентрации антибиотиков могут фактически способствовать выбору резистентных бактерий внутри самого растения для обработки. Эти листья обработанного стока все еще нагружены соединениями, которые могут вызывать резистентность в принимающих средах.

Продвинутые процессы окисления (AOP) стали мощным классом технологий, способных бороться с этими непокорными загрязнителями. Создавая высокореактивные виды, которые неселективно атакуют органические молекулы, AOPs предлагают путь к деградации антибиотиков, инактивации бактерий и уничтожению фрагментов ДНК, которые несут гены устойчивости - все на одном этапе лечения.

Понимание передовых процессов окисления

Продвинутые процессы окисления относятся к набору методов химической обработки, которые полагаются на генерацию гидроксильных радикалов на месте (•OH) или других активных форм кислорода, таких как сульфатные радикалы (SO4•−), озон (O3) и перекись водорода (H2O2). Эти виды обладают чрезвычайно высокими потенциалами окисления - гидроксильные радикалы имеют потенциал окисления 2,80 В, уступая только фтору - что позволяет им разрушать даже самые стабильные органические структуры.

Ключевые семейства АОП включают:

• Озон на основе AOP: Озон (O3) в отдельности или в сочетании с H2O2 (O3/H2O2) или ультрафиолетовым светом (O3/UV) ускоряет генерацию радикалов.
• УФ-основанные АОП: Фотолиз перекиси водорода (UV/H2O2) производит •OH; УФ/TiO2 (фотокатализ) и УФ/персульфат также распространены.
• Фентон и Фентон-подобные процессы: Железо-катализированное разложение H2O2 в кислых условиях дает •OH. Изменения электро-Фентона и фото-Фентона повышают эффективность.
• Фотокаталитические процессы: Полупроводники, такие как TiO2, ZnO и g-C3N4, генерируют пары электрон-дырка под УФ или видимым светом, которые производят радикалы.
• Сонолиз: Ультразвуковая кавитация создаёт локальные горячие точки, которые разлагают воду на •ОН и Н•.
• Электрохимическое окисление: Аноды, такие как алмаз с борной допингом (BDD) или оксиды смешанных металлов, непосредственно окисляют загрязняющие вещества через адсорбированный ОН.

Каждая АОП имеет свои преимущества и ограничения в отношении потребления энергии, требований к рН и образования побочных продуктов, но все они имеют общий фундаментальный механизм атаки неселективных радикалов.

Механизм деградации загрязняющих веществ гидроксильными радикалами

Гидроксильные радикалы реагируют с органическими соединениями по трем основным путям: электрофильное присоединение к ненасыщенным связям (таким как ароматические кольца или двойные связи), абстракция водорода из алифатических цепей и реакции переноса электронов. Для антибиотиков эти реакции могут привести к кольцевому открытию, декарбоксилированию, декарбоксилированию и минерализации (преобразованию в CO2 и H2O). Путь деградации зависит от молекулярной структуры антибиотика и условий реакции. Ключевое преимущество заключается в том, что даже если полная минерализация не достигается, полученные продукты трансформации часто менее биологически активны и менее склонны оказывать избирательное давление на сопротивление.

Эффективность АОП при удалении специфических классов антибиотиков

Сотни исследований за последние два десятилетия продемонстрировали эффективность АОП против широкого спектра классов антибиотиков. В следующих подразделах обобщаются наиболее хорошо документированные результаты.

Тетрациклины

Тетрациклины представляют собой антибиотики широкого спектра действия, широко используемые как в медицине человека, так и в животноводстве. Они часто обнаруживаются в поверхностных и подземных водах вблизи сельскохозяйственных районов. АОП, такие как УФ/Н2О2, фотокатализ с TiO2 и фотофентонные процессы, достигли >90% деградации тетрациклина, хлортетрациклина и окситетрациклина в течение нескольких минут до нескольких часов. Например, исследование с использованием фотокатализа UV/TiO2 под солнечным облучением сообщило о полном удалении тетрациклина (50 мг/л) за 120 минут, со значительным снижением антимикробной активности. Однако некоторые промежуточные продукты могут сохранять умеренную токсичность, что требует более длительного лечения или мониторинга после обработки.

Сульфонамиды

Сульфонамиды, включая сульфаметоксазол и сульфадиазин, являются одними из наиболее часто обнаруживаемых антибиотиков в сточных водах. Эти соединения относительно непокорны биологической обработке. Озоновые АОП оказались особенно эффективными. О3 сам по себе достигает высоких скоростей удаления из-за прямой реакции с аминными группами, в то время как O3/H2O2 дополнительно усиливает радикальную генерацию. УФ/H2O2 также хорошо работает; при дозе H2O2 10 мМ и УФ-флектории 1000 мДж/см2 можно удалить более 99% сульфаметоксазола в экологически значимых концентрациях (0,5-10 мкг/л).

Фторхинолоны

Ципрофлоксацин, левофлоксацин и норфлоксацин являются фторхинолонами, которые сопротивляются обычной обработке из-за их стабильной гетероциклической структуры. Для этих соединений широко изучены процессы Фентона и электрофентона. При оптимизированных соотношениях pH (2,8-3,5) и Fe2+/H2O2 деградация ципрофлоксацина может превышать 95% в течение 30 минут. Фотокатализ с использованием модифицированного TiO2 при видимом свете также показал перспективность, при кинетике деградации быстрее, чем при одном только УФ. Примечательно, что деградация фторхинолона часто дает продукты с пониженной антибактериальной активностью, важный критерий для смягчения выбора резистентности.

Бета-лактамы

Пенициллины, цефалоспорины и карбапенемы чувствительны к гидролизу, но могут сохраняться в воде при адсорбции с органическим веществом. Озонирование и УФ/Н2О2 эффективно разрушают эти соединения, хотя присутствие природного органического вещества может конкурировать за радикалы. Для амоксициллина комбинация УФ и персульфата генерирует сульфатные радикалы, которые достигли > 90% минерализации через 60 минут, намного выше, чем только УФ.

Удаление генов устойчивости к антибиотикам (ARG)

В то время как разлагающиеся молекулы антибиотиков снижают давление химического отбора, генетический материал, кодирующий резистентность — АРГ, расположенные на плазмидах, транспозонах и хромосомной ДНК, — может сохраняться в окружающей среде даже после удаления антибиотика. Эти гены могут быть переданы другим бактериям посредством горизонтального переноса генов (HGT), увековечивая проблему резистентности. AOPs могут непосредственно инактивировать бактерии (убивая клетки-хозяева) и разрушать свободную ДНК посредством радикальной атаки.

• Лизис клеток и высвобождение ДНК: Радикалы, генерируемые АОП, могут прокалывать мембраны бактериальных клеток, высвобождая внутриклеточную ДНК в объемный раствор. Если радикалы все еще присутствуют, они могут продолжать окислять открытую ДНК.
• Прямое окисление ДНК:] Гидроксильные радикалы атакуют дезоксирибозные сахара и нуклеотидные основания, вызывая разрывы нитей и модификации оснований. Это делает ДНК нефункциональной в качестве шаблона для транскрипции или репликации.
• Ингибирование трансформации: Даже если фрагментированная ДНК сохраняется, ее способность трансформировать компетентные бактерии-реципиенты резко снижается, когда фрагменты короче ~200 пар оснований.

В нескольких исследованиях количественно было определено удаление АРГ АОП. Например, при обработке УФ/Н2O2 стоков муниципальных сточных вод было достигнуто 2-4-х логовое снижение генов тетрациклиновой резистентности (tetA, tetW) и генов сульфонамидной резистентности (sul1, sul2) при практических УФ дозах (40-100 мДж/см2). Было показано, что процессы Фентона и фото-Фентона снижают обилие интегронов (несущих несколько АРГ) в сточных водах больницы до 99,9%.

Факторы, влияющие на деградацию АРГ

Эффективность АОП для АРГ зависит от: (а) начальной концентрации ДНК и бактериальных клеток; (б) наличия радикальных поглотителей, таких как бикарбонат, хлорид и натуральное органическое вещество; (в) типа АОП; и (г) структуры целевого гена. Например, внеклеточная ДНК, как правило, более восприимчива к окислению, чем внутриклеточная ДНК, потому что клеточная стенка обеспечивает некоторую защиту. Соникация до АОП может улучшить внутриклеточное удаление АРГ путем разрушения клеток. Кроме того, гены с более высоким содержанием ГК могут быть более устойчивыми к окислительному повреждению из-за более сильной водородной связи.

Одновременное удаление генов антибиотиков и резистентности

Основным преимуществом AOPs является однокомпонентное удаление как антибиотиков, так и ARGs, разрывающее цикл распространения резистентности. В комбинированных системах антибиотик деградирует, в то время как клетки-хозяева инактивируются и их генетический материал разрушается. Например, экспериментальная система UV/H2O2, обрабатывающая реальные больничные сточные воды, достигает одновременного удаления > 80% общего количества антибиотиков (включая ципрофлоксацин и сульфаметоксазол) и > 95% снижения гена интегразы intI1 (маркер для мобильных ARG).

Гибридные процессы, которые связывают АОП с физическими барьерами, такими как ультрафильтрация или обратный осмос, могут дополнительно усилить удаление. Шаг АОП минимизирует биообрастание на мембранах путем инактивации бактерий, в то время как мембрана сохраняет большие фрагменты ДНК и клеточный мусор, позволяя АОП нацеливаться на более мелкие молекулы.

Синергия с биологическим пост-лечением

Другой новый подход заключается в использовании АОП в качестве предварительной обработки перед биологическими системами. Частичное окисление антибиотиков АОП может производить более биоразлагаемые промежуточные соединения, которые затем удаляются в процессе активированного шлама, который затем удаляется в процессе нисходящего потока. В то же время АОП инактивирует бактерии, несущие АРГ, снижая риск HGT. Эта последовательная концепция снижает общую потребность в энергии по сравнению с АОП, потому что полная минерализация не требуется.

Преимущества передовых процессов окисления

• Неселективная атака: радикалы OH реагируют практически со всеми органическими молекулами, включая многие непокорные фармацевтические препараты, которые сопротивляются биологической обработке.
• Двойное действие: Одновременно разрушает антибиотики и АРГ, обращаясь как к химическим, так и к биологическим факторам УПП.
• Способность к дезинфекции: Многие АОП инактивируют бактерии и вирусы, обеспечивая дополнительную микробиологическую безопасность.
• Минимальное производство осадка: В отличие от биологических процессов, АОП не накапливают биомассу, что снижает проблемы с удалением отходов.
• Совместимость с возобновляемой энергией: УФ-лампы могут питаться от солнечных панелей; фотокатализ может использовать солнечное излучение напрямую.
• Скорость реакции может быть настроена путем корректировки дозы окислителя, интенсивности света или тока, что позволяет быстро лечить в непрерывном потоке.