用阳光捕捉细菌蒙纳士大学发现去除水中有害大肠杆菌的新方法

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这种光催化方法能够利用静电粘附的原理来捕获细菌细胞能在

45分钟内去除水中有害的致病性大肠杆菌,在60分钟内去除粪肠球菌

大肠杆菌是人和动物肠道中最著名的一种细菌,主要寄生于大肠内,约占肠道菌中的1%。绝大多数大肠杆菌与人类有着良好合作,正常栖居条件下不致病,甚至能合成维生素B和K供人体使用。但是仍有少部分致病性大肠杆菌具有相当强的毒力,通过污染饮水、食品引起疾病暴发流行,造成严重疫情。一旦感染,病情严重者可危及生命。

美国在1982、1984、1993年曾发生了三次致病性大肠杆菌的爆发性流行;日本在1996年爆发过一次波及9000多人的大流行。2011年初夏,一场突如其来的肠出血性大肠杆菌疫情袭击了德国,被称为“欧洲史上最严重的大肠杆菌疫情”。其感染后的主要症状是出血性腹泻,严重者可伴发溶血尿毒综合征(HUS),及其他严重并发症,危及生命。中国虽未爆发严重的大肠杆菌疫情,饮用水和食品中大肠杆菌超标的新闻却屡见不鲜,严重危害着中国人的健康。

由于致病性大肠杆菌危害较大,且可经食物和饮用水在人群中广泛传播,因此,大肠菌群数(或大肠菌值,指每立升中大肠菌群数)常作为饮水和食物(或药物)的卫生学标准。中国的卫生标准是每1000ml饮水中不得超过3个大肠菌群;瓶装汽水、果汁等每100ml大肠菌群不得超过5个。

然而,大肠杆菌也是一个生命力顽强的细菌,对热的抵抗力较其他肠道杆菌强,55℃经60分钟或60℃加热15分钟仍有部分细菌存活,在自然界的水中可存活数周至数月,在温度较低的粪便中存活更久。而且许多欠发达国家和地区无法承担高额的饮用水消毒费用,消毒过程还有污染环境的风险,那么如何才能高效能、低成本、无污染地去除水中的致病性大肠杆菌呢?

蒙纳士大学的工程师们已经想出了一种更好的方法,能够利用石墨氮化碳和阳光从水中去除潜在的致命细菌,如大肠杆菌。

该国际小组由蒙纳士大学化学工程系的张西旺教授领导。他们将石墨氮化碳与聚乙烯亚胺(PEI)结合起来,能够在45分钟内摧毁水中有害的致病性大肠杆菌,在60分钟内去除粪肠球菌。这种利用光催化剂的新方法成本低、无金属,能防止过滤过程中浸出金属离子所导致的二次污染。如果加以推广应用,这种太阳能驱动的方法能显著改善大规模的水处理过程。在那些获得淡水的机会有限的国家,它也很有希望被纳入现有的太阳能水消毒技术之中。

张教授在《应用催化B:环境》(Applied Catalysis B: Environmental)杂志上发表文章说,将光催化剂整合进太阳能水消毒技术中,能基本保证完全而快速的消毒,并且整个过程更加具有可持续性。

“水传播病原体引起的传染病威胁着全世界人民的健康,”张教授说,他也是澳大利亚研究委员会(ARC)的高能效分离中心主任,“石墨氮化碳作为一种无金属的用于水消毒的光催化剂,受到了广泛的关注。然而,它的能力也有其局限性,单靠光催化作用无法完全去除病原体。”

“我们的做法是将石墨氮化碳与PEI融合,以提高这种材料的光催化性能,这种方法已经在水生细菌上进行了测试。”

“我们发现PEI实际上拥有调节石墨氮化碳的光化学反应的功能。 我们发现石墨氮化碳上带正电荷的PEI可以通过静电粘附的作用促进光催化剂与细菌细胞(表面带负电荷)的接触,从而使活性氧能够杀死被抓住的细菌细胞。”

此前,该研究团队在《美国化学学会催化剂专刊》(ACS Catalysis)上发表的一项研究称,石墨氮化碳上的PEI能在光诱导剂的孔洞上设置一个陷阱。 通过这个,PEI可以调节光化学反应,产生更多的活性氧,用于细菌灭活。

通过这个过程,PEI将复合光催化剂的表面电荷改为了正电荷;而在自然界中,细菌细胞的表面由于其细胞结构的特定部位而带负电荷。

因此,石墨氮化碳上带正电荷的PEI可以通过静电粘附作用促进光催化剂与细菌细胞之间的接触。就这样,PEI捕获了水中的细菌细胞。 然后,被捕获的细胞被通过光催化剂产生的活性氧杀死。

通过这一过程,在太阳光的照射下,研究小组能在45分钟内去除水中99.99%的大肠杆菌,在60分钟内去除相同百分比的粪肠球菌。

“这个将PEI功能化的过程很简单。 在通过进一步研究来推动光催化装置的发展后,它可以与全世界缺水的国家和地区分享。”张教授说。

这项研究由澳大利亚研究委员会(Australian Research Council)资助。