西南科技大学王骏教授ACB: FeOCl介导的非自由基可见光芬顿体系靶向去除ARB和ARGs

邃瞳科学云

2025-10-03

导读：本研究成功构建了一种基于FeOCl的非自由基主导型可见光Fenton系统，通过协同利用1O2）和h+，实现了对ARB和ARGs的高效协同去除，并揭示ARB不可逆损伤机制以及ARGs传播阻断机制。

第一作者：曾雪莲、刘域延

通讯作者：王骏

通讯单位：西南科技大学

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125961

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本研究构建了一种可见光激发的FeOCl基非自由基芬顿体系，突破传统自由基过程的反应选择性限制，实现对ARB和ARGs的靶向高效去除。该系统可在40分钟内灭活6.07 log₁₀ CFU/mL的ARB，60分钟内降解4.9 log₁₀ copies/mL的ARGs。基于数据非依赖采集（DIA）定量蛋白质组学分析，发现该系统通过细胞膜损伤（K⁺泄漏）、能量代谢抑制及DNA修复功能破坏导致ARB不可逆失活。降解路径分析表明，空穴（h⁺）和单线态氧（¹O₂）优先攻击碱基而非磷酸骨架——其中h⁺/¹O₂对鸟嘌呤C8位的亲电加成触发含氮杂环断裂及脱氨反应，最终实现ARGs的彻底破坏。质粒转化实验进一步证实，这种分子级精度的氧化作用可有效阻断ARGs在环境介质中的扩散潜能。该研究阐明了非自由基协同高效去除ARB/ARGs的机制，为精准控制抗生素耐药性传播提供了新策略。

背景介绍

抗生素耐药细菌（ARB）及其耐药基因（ARGs）在水环境中的广泛存在与持续传播，已成为全球公共卫生和环境可持续性的严重威胁，这些生物污染物通过自我复制和水平基因转移（HGT）加速耐药性扩散。传统的高级氧化工艺（AOPs）依赖自由基（如·OH和SO₄^·-）灭活微生物，但面临固有局限性：背景无机阴离子和天然有机物竞争性消耗活性氧物种（ROS），降低效率并可能生成有毒副产物；同时，自由基寿命极短，扩散能力有限，难以穿透细菌细胞屏障，导致细胞内ARGs去除效果不佳。为克服这些挑战，研究转向非自由基氧化途径，包括单线态氧（¹O₂）氧化、高价金属物种介导的氧化和电子转移过程（ETP），这些途径具有更高选择性、宽pH稳定性及更低副产物生成的优势。近年来，铁基材料如氧化氯铁（FeOCl）因其独特结构和pH不敏感性展现出潜力，能高效激活H₂O₂并在宽pH范围降解污染物，但具体非自由基机制仍不明确，亟需深入探索以推动精准抗生素耐药性控制。

本文亮点

1、构筑了一个可见光驱动的非自由基体系

2、 DIA定量蛋白组学揭示细菌多维损伤机制

3、实现了ARGs靶向氧化，阻断耐药性传播

图文解析

图1综合展示了FeOCl催化剂的结构表征和活性氧物种（ROS）分析结果，通过X射线衍射（XRD）分析（图1a）确认了FeOCl的高结晶度和相纯度，显示尖锐衍射峰位于10.8°（010）、26.0°（110）、35.5°（021）和38.1°（111），与标准模式（JCPDS No. 01-072-0619）一致；高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）（图1b）进一步验证了FeOCl纳米片的高结晶度；能量色散X射线光谱（EDS）元素映射（图1c）证实了Fe、O和Cl元素的均匀分布，支持催化剂的均匀性；此外，电子自旋共振（ESR）光谱（图1d-g）揭示了在可见光Fenton系统中，空穴（h⁺）和单线态氧（¹O₂）是主要的累积活性物种，而羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂^-）作为 transient 中间体，这通过信号强度随时间增强得到验证，为 nonradical主导的氧化机制提供了关键证据。

图2系统评估了FeOCl/H₂O₂/Vis光芬顿体系对卡那霉素抗性大肠杆菌（KanR E. coli）的灭活性能与机制。在优化参数（300 mg/L FeOCl，4 mM H₂O₂）下，体系对初始浓度为5.32、6.07和7.24 log₁₀ CFU/mL的菌液分别于30、40和60分钟内实现完全灭活（图2a）。对比实验显示，该协同体系显著优于单一组分（如仅FeOCl、H₂O₂或光照）及无光照的FeOCl/H₂O₂体系（图2b），突显了光催化与非自由基氧化路径的协同增强效应。此外，细菌再生实验表明，处理后菌液在37°C培养24–48小时后未观察到菌落生长（图2c），证实灭活为不可逆过程。循环实验进一步表明，FeOCl在连续使用5次后仍保持高灭菌效率（图2d），结合表征结果（图S7）显示其晶体结构与微观形貌稳定，说明该催化剂具备良好的可重复使用性与实际应用潜力。

图3通过火山图和细胞膜破坏机制示意图，系统揭示了FeOCl/H₂O₂/Vis系统对耐药细菌（ARB）的灭活机制。DIA定量蛋白质组学分析显示，外膜组装蛋白BamD和内膜蛋白YpjD的显著下调破坏了细胞膜的生物发生与结构稳定性，尽管细菌通过上调外排泵蛋白TolC和修复蛋白YobD/YbhG激活应激响应，仍无法逆转膜损伤。同时，LPS核心磷酸化酶WaaP和肽聚糖-外膜连接蛋白Pal的下调进一步削弱了膜屏障功能。原子吸收光谱证实处理组钾离子（K⁺）泄漏浓度显著升高（0.854 ppm），而清除实验证明h⁺和¹O₂是导致膜损伤的关键活性物种。这些发现表明，非自由基介导的氧化应激通过协同破坏膜蛋白表达与离子稳态，最终引发不可逆的细胞膜结构崩解。

图4通过DIA定量蛋白质组学分析，揭示了FeOCl/H₂O₂/Vis系统对细菌能量代谢系统的多维度破坏机制。研究显示，该系统显著下调了多个关键代谢基因的表达，包括menC、ndK、pckA和ubiG，这些基因分别调控糖酵解、三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化等核心能量代谢途径。具体而言，pckA的下调导致磷酸烯醇丙酮酸（PEP）合成受阻，进而限制丙酮酸进入TCA循环并减少乙酰辅酶A的生成；menC和ubiG的抑制则破坏了辅酶Q（CoQ）的生物合成，中断了电子在呼吸链复合体I/II至III之间的传递；同时，ndk活性的显著降低严重削弱了ADP向ATP的转化能力，最终导致细菌能量代谢系统的全面崩溃。这种多靶点抑制作用通过图5a基因本体（GO）功能富集分析得到进一步验证，显示异构酶、裂合酶和氧化还原酶等关键酶类的活性被显著抑制，从而在分子层面阐明了非自由基主导的氧化过程对细菌生理功能的不可逆损伤机制。

基因本体（GO）富集分析（图5）进一步证实了抗氧化酶活性、系统修复能力以及关键DNA修复基因（如alkA、polA、nth、mutY和recJ）的显著下调，结合硫传递系统及嘧啶代谢系统下调，凸显了非自由基途径对DNA合成与修复机制的全面破坏，最终促成抗生素耐药细菌（ARB）的不可逆失活。

图6评估了FeOCl/H₂O₂/Vis体系对ARGs的去除效能及其环境传播风险的阻断机制。结果显示，在可见光驱动下，该系统在60分钟内实现了4.9 log₁₀ copies/mL的KanR基因高效降解，显著优于单一组分或无光条件下的处理效果。通过质粒转化实验进一步发现，经FeOCl/H₂O₂/Vis处理后，KanR基因完全丧失水平转移能力，转化活性由初始的2.27 log₁₀ copies/mL降至不可检测水平，表明其生物活性被彻底消除。离子色谱分析表明反应后NO₃^-浓度显著上升（0.83 mg/L），而PO₄^3-未被检出，证明h⁺和¹O₂优先攻击碱基（尤其是鸟嘌呤），而非磷酸二酯骨架，从而从分子层面破坏了ARGs的结构完整性，阻断了其环境传播途径。

图7详细展示了在FeOCl/H₂O₂/Vis非自由基光芬顿系统处理下，鸟嘌呤(G)的潜在氧化降解途径，该途径始于h⁺和¹O₂在鸟嘌呤的C8位置进行亲电加成，形成氢过氧化物中间体G1（m/z 183），随后通过还原和脱水反应生成G2（m/z 167）；降解过程进一步通过两条主要路径展开：一条路径涉及G2的C5位置羟基化产生G3（m/z 183），随后通过质子迁移和异构化形成含酰胺结构的G4（m/z 183），最终经氧化释放硝酸盐(NO₃^-)；另一条路径中，G2被氧化形成C5-氢过氧化物中间体G5（m/z 199），随后发生¹O₂/h⁺诱导的咪唑环开环生成G6（m/z 199），并经过脱羧、脱氨和开环氧化等系列反应，最终也生成NO₃^-，这种分子级别的靶向氧化彻底破坏了鸟嘌呤的氮杂环结构和氨基基团，从而有效消除了抗生素抗性基因(ARGs)的结构完整性和水平转移潜力。