导读
卤代抗生素的耐药基因表达和微生物抑制是一个主要的环境问题。尽管电催化脱卤可以对卤化抗生素进行解毒，但关于脱卤处理对耐药基因表达和微生物抑制的影响知之甚少。本研究通过对水热条件下在NiF上生长的Fe-CoP纳米线进行简单的超声处理，在镍泡沫上制备了一种新型的Fe-CoP纳米管阵列电催化剂（Fe-CoPNTs/NiF）。从纳米线到纳米管的转变提高了CoP的结晶度并充分暴露了活性位点，产生用于脱卤的高能原子氢。Fe-CoPNTs/NiF对难处理的氟苯尼考（FLO）表现出优异的脱卤性能，可在20分钟内实现100%的去除（-1.2 V vs Ag/AgCl，C0 = 20 mg L-1）。脱氯率接近100%，50 min内脱氟率达到36.8%，是迄今为止报道的最佳电催化脱卤性能。微生物群落及相关性分析表明变形菌门（Proteobacteria）是FLO抗性基因的主要潜在宿主。FLO的电催化还原脱卤预处理可以减少微生物抑制，保持后续生化处理单元中微生物的丰富度和多样性。电催化还原脱卤处理可显著降低FLO抗性基因的相对丰度，为含卤含抗生素废水的安全处理提供了可靠的工艺。
原名：Electrocatalytic deep dehalogenation of florfenicol using Fe-doped CoP nanotubes array for blocking resistance gene expression and microbial inhibition during biochemical treatment
译名：使用Fe掺杂的Cop纳米管阵列对氟苯尼考进行电催化脱卤用于阻断生化处理过程中耐药基因表达和微生物抑制
期刊：Water Research
IF：11.236
发表时间：2021.6.13
通讯作者：刘承斌
通讯作者单位：湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室
在Fe和Co溶液的水热反应和磷化之后，致密的纳米线阵列垂直生长在NiF表面（图1A）。导线的直径约为100 nm（图1B）。选区电子衍射（SAED）图表明结晶度较差（图1B中的插图）。能量色散X射线光谱（EDS）元素映射表明Co、Fe和P在纳米线中的均匀分布（图1C）。有趣的是，在水中超声处理后的纳米线转化为纳米管，尺寸几乎保持不变（图1D和1E）并且具有更好的结晶度（图1E中的插图）。边缘区域元素分布的更亮对比进一步证实了纳米管的结构（图1F）。显然，本研究为大规模生产Fe掺杂的CoP纳米管建立了一种简便的方法。从纳米线到纳米管的转变显著增加了比表面积（图2A），暴露出更多的反应位点。与Fe-CoP NWs/NiF中的磷化物相比，XRD谱显示Fe-CoPNTs/NiF中磷化物的衍射峰更尖锐（图2B），表明结晶度更好，这与SAED结果一致（图1B）和1E)。此外，Co(HPO3)•H2O(030)的特征峰在超声处理后消失。因此，从纳米线形成纳米管可能是由于磷酸盐化合物和一些无定形化合物的损失，伴随着超声过程中磷化物结晶度的优化。进行XPS表征以进一步探索材料的组成。Co 2p的778.5 eV和793.4 eV（图2C）以及P 2p3/2的129.1 eV和130.1 eV（图2D）的峰值与CoP中Co-P的特征结合能有关。Fe-CoP NWs的P-Co键强度高于CoP NWs，表明Fe掺杂有利于引导CoP的形成。在对Fe-CoP NWs进行超声处理后，获得的Fe-CoP NTs表现出增强的P-Co键强度，这是由于更多的CoP暴露并丢失了磷酸盐化合物和一些无定形化合物。CoP 是唯一能产生具有还原脱卤活性H*的物种。此外，在Fe和P光谱中没有来自FeP的XPS峰，但在713.5和725.1 eV处显示存在Fe3+（图S1），表明形成了Fe掺杂的CoP。
图1. Fe-CoP NWs/NiF（A）和Fe-CoP NTs/NiF（D）的SEM图像；Fe-CoP NWs（B）和Fe-CoP NTs（E）的TEM图像，插图是选区电子衍射图；Fe-CoP NWs（C）和Fe-CoP NTs（F）中Co、Fe、P的EDS元素分布情况。
图2. Fe-CoP NWs/NiF和Fe-CoP NTs/NiF的N2-
吸附
/解吸等温线图（A）和XRD谱（B）；NiF上的CoP NWs、Fe-CoP NWs和Fe-CoP NTs中（C）Co 2p和（D）P 2p的XPS谱。为了优化具有最佳性能的材料，研究了Fe掺杂对FLO脱卤的影响（图S2）。在纳米线（Fe-CoP NWs/NiF）和纳米管（Fe-CoP NTs/NiF）中，FLO脱卤的最佳Fe/Co比例为Fe0.02–Co0.98P。CV测试适用于进一步研究具有不同Fe掺杂含量的NWs的FLO脱卤活性（图S3）。Fe0.02-Co0.98P的最大还原电流表明在电极表面发生了更多的还原反应。除非另有说明，本文中的Fe-CoP特指Fe0.02-Co0.98P，用于系统研究FLO的脱卤。比较了各种阴极的FLO脱卤性能。Fe-CoP NTs/NiF电极的FLO脱卤速度比其他三个电极快得多（图3A）。NiF、Pd/C/NiF和Fe-CoP NWs/NiF在30分钟内的FLO去除效率分别为29.6%、77.9%和91.5%，而Fe-CoP NTs/NiF在20分钟内去除了近100%的FLO。反应动力学遵循拟一级速率模型（R2 > 0.98）。Fe-CoP NTs/NiF的表观速率常数（k）分别是Fe-CoP NWs/NiF、Pd/C/NiF和NiF的3.3、5.5和20.5倍（图3B）。通过HPLC-TQMS分析鉴定了FLO在50分钟时的脱卤产物。图S4展示了MS谱图以及上述阴极降解产物的m/z值。Fe-CoP-NWs/NiF和Fe-CoP-NTs/NiF共检测到五种主要产物，即FLO-F、FLO-Cl、FLO-ClF、FLO-2Cl和完全脱卤产物FLO-2ClF。FLO-2ClF和FLO-2Cl的提取色谱图表明Fe-CoP NTs/NiF的色谱峰强于Fe-CoP NWs/NiF的色谱峰（图S5），这意味着Fe-CoP NTs/NiF具有更强的催化活性来深度脱卤。检测到Pd/C/NiF的四种主要脱卤产物，即FLO-Cl、FLO-ClF、FLO-2Cl和FLO-2ClF。NiF底物仅检测到少量的单-脱卤相关产物（FLO-Cl或FLO-F），表明其脱卤活性较弱。Fe-CoP NWs/NiF和Fe-CoP NTs/NiFw从FLO释放的Cl-和F-在脱卤50分钟后进行定量分析（图3C）。50分钟内在Fe-CoP NWs/NiF上检测到3.08 mg L-1 Cl-和0.207 mg L-1 F-。相比之下，Fe-CoP NTs/NiF具有显著的Cl-产量（3.81 mg L-1），接近20 mg L-1 FLO 的理论Cl含量（3.96 mg L-1）。并且50 min内F-的释放率达到36.8%（0.39 mg L-1，理论F含量为1.06 mg L-1）。上述结果表明，Fe-CoP NTs/NiF具有优异的脱氟或深度脱卤活性。研究了Fe-CoP NWs/NiF和Fe-CoP NTs/NiF的电化学性能，以阐明Fe-CoP NTs/NiF更好的电催化脱卤性能。CV测试表明FLO在Fe-CoP NTs/NiF上的还原峰出现在-0.41 V和-1.16 V附近，电流比Fe-CoP NWs/NiF上的大（图3D）。进行了背景电解质中Fe-CoP NTs/NiF的CV曲线（图S6）。将FLO注入背景电解液后的较大电流进一步证明了FLO的减少。通过EIS分析电化学反应的动力学（图3E）。阴极/电解质界面电荷转移电阻可以从高频电弧中获得（表S2）。与Fe-CoP NWs/NiF相比，Fe-CoP NTs/NiF的电荷转移电阻（Rct）较低，为1.877 Ω cm-2，固体/电解质界面电阻（RSEI）为0.02 Ω cm-2。Fe-CoP NTs/NiF增强的电子转移能力应归因于更大的比表面积和更好的结晶度。电化学双层电容器（Cdl）直接反映电极的电化学活性表面积（ECSA）。从CV获得的电容电流（图S7）被绘制为扫描速率的函数（图3F）。Fe-CoP NTs/NiF的Cdl是Fe-CoP NWs/NiF的1.6倍。仅通过简单的超声处理将纳米线转化为纳米管可以显著增加脱卤的催化活性位点。
图3.（A）FLO的电催化脱卤和（B）不同阴极上的拟一级动力学模型。（C）50分钟时释放的Cl-或F-，（D）FLO还原的CV谱，（E）奈奎斯特图（插图是等效电路），以及（F）Fe-CoP NWs/NiF和Fe-CoP NTs/NiF。（A-C）的条件：C0 = 20 mg L-1，0.1 M Na2SO4溶液，-1.2 V vs Ag/AgCl，Fe-CoP NWs负载量为5.77 mg cm-2，Fe-CoP NTs负载量为4.49 mg cm‒2，Pd/C负载量为5.5 mg cm-2。根据脱卤产物的分析，Fe-CoP NTs/NiF电极对FLO脱卤途径可能如图S8所示。对于电催化过程，水的直接电解可以在阴极表面产生H*，这与电催化剂的化学成分、形貌和晶体结构密切相关。与金属Co（778.1–778.2 eV）和元素P（130.2 eV）的结合能相比，Co 2p3/2的结合能为778.5 eV，P 2p3/2的结合能为129.1 eV，表明样品中的Co和P分别带正电和负电，可能是由于电子从Co转移到P（图 2C和D）。因此，H原子可以在一定电位下键合到P端的CoP表面。有研究指出了阴极电子的直接还原机制或H*对不同阴极FLO脱卤的间接还原机制。电子自旋共振（ESR）测试显示仅存在H*信号，Fe-CoP NTs具有很强的产生H*的能力（图 S9）。t-BuOH作为H*的特定猝灭剂用于评估原子H*对FLO脱卤的贡献。显然，在t-BuOH存在的情况下，所有阴极的FLO脱卤都可以被抑制（图4A-4C）。当t-BuOH浓度从0 mM增加到10.0 mM时（图4D和图S10），Fe-CoPNTs/NiF、Pd/C/NiF的FLO去除率分别降低了59%、53%和40%和Fe-CoP NWs/NiF分别直接反映H*贡献的程度。与Fe-CoPNWs/NiF相比，H*对Fe-CoP NTs/NiF的更高贡献可归因于更大的比表面积、改善的晶体结构和增加的磷化物量，这将暴露更多的活性位点并增强促进H*生成的电导率。尽管H*对Pd/C/NiF的贡献大于Fe-CoP NWs/NiF，但FLO去除能力较差。这一结果意味着垂直生长的纳米线阵列更有利于活性位点暴露和质量传输，从而提高了除间接还原过程之外的直接还原过程的效率。
图4.（A）Fe-CoP NWs/NiF、（B）Fe-CoP NTs/NiF和（C）Pd/C/NiF上不同t-BuOH浓度的FLO去除。（D）A-C中速率常数的抑制。条件：C0 = 20 mg L-1，0.1 M Na2SO4溶液，-1.2 V vs Ag/AgCl。优化实验条件以在Fe-CoP NTs/NiF上实现良好的脱卤性能（图5）。研究了阴极电位对FLO电催化脱卤的影响，范围为-0.6至-1.4 V（相对于Ag/AgCl）（图5A）。FLO的去除效率从-0.6 V提高到-1.2 V，在-1.2 V的20分钟内去除了近100% 的FLO。显然，较高的阴极电位可以提供更多的电子并有利于H*的产生，从而提高脱卤性能通过直接和间接还原途径。然而，当将阴极电位施加到-1.4 V时，FLO去除效率降低，因为在更负的电位下，H2 析出可能占主导地位，这不利于脱卤的原子H*生成。pH几乎没有在2.82至11.06的宽pH范围内，Fe-CoP NTs/NiF对FLO脱卤的影响（图5B）。此外，当初始FLO浓度从1到50 mg L-1变化时，FLO可以在30分钟内被去除（图5C），表明有足够的反应活性位点。此外，Fe-CoP NTs/NiF电极在经历了5次循环后仍保持非常稳定的FLO去除效率（图5D）。Fe、Co和Ni的总体损失在ppb范围内（图S11），远低于其排放标准（GB25467-2010）。XPS光谱表明，经过5次循环后的Fe-CoP NTs仍然保持催化活性的CoP物种（图S12）。这些结果表明，Fe-CoPNTs/NiF电极在电催化还原脱卤方面具有巨大的实际应用潜力。
图5.（A）Fe-CoP NWs/NiF、（B）Fe-CoP NTs/NiF和（C）Pd/C/NiF上不同t-BuOH浓度的FLO去除。（D）A-C中速率常数的抑制。条件：C0 = 20 mg L-1，0.1 M Na2SO4溶液，-1.2 V vs Ag/AgCl。
使用大肠杆菌DH5α进行抗菌活性测定（图6A）。在20 mg L-1 FLO存在下，大肠杆菌在12 h内几乎被完全抑制，而大肠杆菌在50 min脱卤产物溶液中的生长与空白（不含FLO）相同。该结果证明Fe-CoP NTs/NiF阴极脱卤50分钟可以有效消除FLO的抗菌活性。为了确定最小抑制浓度，测试了圆盘琼脂扩散敏感性，以进一步验证FLO预处理对大肠杆菌的影响。琼脂平板照片表明，即使仅经过10分钟的脱卤预处理，抑菌圈也显著减少（图S13）。为探讨脱卤预处理对后续生物降解过程的影响，通过评估COD去除率进行了厌氧和好氧过程的抑制试验。FLO（未处理）显著抑制了厌氧过程中的生物降解能力（图6B）。FLO溶液预处理50 min后，其抑制作用被有效消除，COD消耗量与空白对照组相当。相比之下，FLO对好氧过程的抑制作用并不明显，但经过预处理后仍会有一定程度的降低（图6C）。
图6.（A）大肠杆菌DH5α的生长，溶液的（B）厌氧过程和（C）好氧过程：未处理（C0 = 20 mg L-1)，预处理（C0 = 20 mg L-1，t = 50 min）和空白（无FLO）。
通过高通量测序研究了脱卤预处理对厌氧消化和好氧过程中微生物群落的影响。从厌氧微生物群落的门水平结果（图7A）来看，变形菌门在空白组（B）中占主导地位，平均相对丰度约为44.73%。空白组群落中含量> 2%的其它丰富的门水平包括拟杆菌门（~22.76%）、绿弯菌门（~6.17%）、厚壁菌门（~6.28%）、Patescibacteria（~15.52%）和脱硫杆菌门（~2.02%）。预处理组（Pre）的物种丰富度与B相似，远高于未处理组（Un）。废水中FLO的存在显著抑制了厌氧微生物群落中微生物的丰度和多样性。含量> 2%的门数量从6个减少到2个。这一结果表明FLO可以重塑厌氧过程中的微生物群落结构。除厚壁菌门和变形菌门外，由于FLO残留，大多数细菌门急剧减少并最终消失。此外，变形菌和厚壁菌的含量分别从~44.73%显著增加到~84.91%以及从~6.28%显著增加到~11.22%。对于好氧过程，虽然对微生物的抑制作用不明显（图6B），但微生物群落也发生了显著变化（图7B）。大多数细菌门也迅速下降并最终在有氧过程中FLO的存在下消失。然而，优势变形菌门的含量从~41.31%显著增加到~76.53%。厚壁菌的含量也从~0.78%增加到~5.29%。这些结果意味着变形菌门和厚壁菌门可能更能抵抗FLO压力。显然，脱卤预处理可以有效消除FLO对微生物群落多样性的影响。为了深入了解脱卤预处理对污泥样品中微生物群落结构的影响，在属水平上分析了厌氧和好氧过程中的细菌群落序列。对于厌氧消化过程（图7C），布鲁氏菌、假单胞菌和嗜热菌的丰度在FLO压力下显著增加，而气单胞菌、短链单胞菌和Candidatus Nomurabacteria是预处理和空白组的优势属。对于好氧过程（图7D），Thauera是预处理组和空白组中的优势属，并且丰度在FLO压力下未发生显著变化。由于其代谢多功能性，Thauera是有机废水生物处理的重要属。未经处理的FLO刺激后，假黄单胞菌的相对丰度显著增加。FLO对好氧过程降解效率的抑制作用不明显，可能是由于FLO对好氧系统中Thaurea的毒性作用不明显。
图7. 门水平（A和B）和属水平（C和D）微生物群落丰度；厌氧（E）和好氧（F）过程样品中floR（floR/16S rRNA）的相对丰度。未处理（Un，C0 = 20 mg L-1)、预处理（Pre，C0 = 20 mg L-1, t = 50 min）和空白（B，无FLO)。通过量化floR的表达阐明FLO ARG（floR）在厌氧和好氧过程中的结果。对于厌氧消化过程（图7E），未处理的FLO压力下floR表达明显，相对丰度为0.45，远高于空白组和预处理组。对于有氧过程（图7F），未经处理的FLO压力下floR表达的丰度为0.058，相对低于厌氧条件，但与预处理和空白组相比，floR的相对丰度也显著降低。分析前10个细菌门或属与floR和FLO含量的相关性，以确定携带floR的潜在宿主。图S14显示了与细菌门的相关性。变形菌门与厌氧（R = 0.4833）和好氧（R = 0.7, P <0.01）污泥群落中floR的相对丰度呈正相关，表明变形菌门是floR基因的主要潜在宿主。布鲁氏菌属是变形菌门的主要属，在厌氧未处理组中占优势，与floR含量显著相关（R = 0.80335，P < 0.01）（图S15A）。此外，在厌氧未处理组中，Thermomonas与floR之间存在极其显著的相关性（R = 0.916667，P < 0.001）。对于好氧过程（图S15B），唯一与floR含量显著相关的属是属于变形菌的Thauera（R = 0.7，P < 0.05），表明Thauera对来自FLO的选择压力有抵抗力。因此，FLO对好氧过程显示出微小的抑制作用。此外，FLO与floR与微生物群落具有相似的相关性，这意味着FLO会对携带floR的宿主产生选择性压力，脱卤预处理过程可以有效控制携带floR宿主的筛选。在任何情况下，Fe-CoP NTs/NiF的脱卤预处理都可以降低FLO对污泥微生物的毒性，并防止密切相关的ARGs的出现。因此，将电催化还原脱卤与生化工艺相结合是抑制ARGs表达、保证含卤含抗生素废水高效处理的有效途径。本研究已开发出一种高效的Fe-CoP NTs/NiF阴极脱卤电催化剂，可以轻松实现催化剂形态和结晶度的调节。独特的纳米管阵列结构和改进的结晶度赋予催化剂对卤化抗生素深度脱卤的卓越电催化能力，是迄今为止报道的最佳电催化脱卤性能。Fe-CoP在NiF基底上的原位生长使工作电极具有出色的耐久性。该研究表明，还原脱卤预处理可以有效地消除抗菌活性，保证微生物的丰富性和多样性，从而提高后续生物处理单元的处理性能和稳定性。此外，还原脱卤预处理可以极大地降低抗生素废水处理过程中ARGs增殖概率。本研究为卤化抗生素脱卤提供了电催化剂的大规模生产和高度实用化的应用，证明了电催化还原脱卤是减少ARGs表达并保证含卤抗生素废水处理性能的有效可靠方法。
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