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A microbial-driven persulfate activating-cycling system for in-depth oxytetracycline degradation and bacterial antibiotic resistance control
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2025-01-16 , DOI: 10.1016/j.watres.2025.123151
Hang Qiu, Liyue Jiang, Huan Niu, Xinyi Wang, Wenqiu Qin, Fei Xu, Likai Hao, Can Wang
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2025-01-16 , DOI: 10.1016/j.watres.2025.123151
Hang Qiu, Liyue Jiang, Huan Niu, Xinyi Wang, Wenqiu Qin, Fei Xu, Likai Hao, Can Wang
Insufficient biodegradability of antibiotics (e.g., oxytetracycline, OTC) and the accompanying antibiotic resistance gene (ARG) spreading risk have been a serious concern in wastewater treatment plants. This study developed a microbial-driven persulfate activating-cycling system (MPCS) relying on the iron-reducing capacity of Shewanella oneidensis to sustainably degrade OTC and prevent ARG elevation. In MPCS, a nanosized bio-magnet shell (20-60 nm) was bio-generated and incorporated with S. oneidensis to activate peroxydisulfate and produce free radicals to attack OTC, removed by 98.78% in 120 min. S. oneidensis metabolism re-generated the bio-magnet and cleared the toxic intermediates. Despite the stress of OTC and free radicals, S. oneidensis sustained (live/death ratio of 74.50%: 25.50%) under bio-magnet shell protection, showing a strong energy metabolism and iron-reducing strength. The tight coupling of biodegradation and advanced oxidation process (AOP) greatly improved degrading efficiency (132.65%-2369.44% higher than single biodegradation or AOP). MPCS continuously operated 5 cycles efficiently, exhibiting a diverse degrading pathway with less toxic intermediates than the single treatment. Notably, MPCS functioned well without peroxydisulfate, as the S. oneidensis produces low-level hydrogen peroxide as the AOP substrate, achieving favorable OTC elimination. Especially, the expression of sixteen tetracycline-related ARGs dropped by 62.94%-100% in MPCS than biodegradation, indicating resistance control advantage under bio-magnet shell protection and the synergism effect of AOP and biodegradation. This study spontaneously recyclably combined biodegradation and AOP to simultaneously eliminate antibiotics and ARGs, which provided a potential approach to control the drug resistance risk.
中文翻译:
一种微生物驱动的过硫酸盐活化循环系统,用于深度土霉素降解和细菌抗生素耐药性控制
抗生素(例如土霉素、OTC)的生物降解性不足和随之而来的抗生素耐药基因 (ARG) 传播风险一直是污水处理厂的一个严重问题。本研究开发了一种微生物驱动的过硫酸盐活化循环系统 (MPCS),该系统依靠 Shewanella oneidensis 的铁还原能力可持续降解 OTC 并防止 ARG 升高。在 MPCS 中,生物生成纳米级生物磁体壳 (20-60 nm) 并与 S. oneidensis 结合以激活过氧二硫酸盐并产生自由基来攻击 OTC,在 120 分钟内去除 98.78%。尽管受到 OTC 和自由基的压力,但 S. oneidensis 在生物磁体壳保护下持续存在 (活/死比为 74.50%:25.50%),表现出较强的能量代谢和减铁强度。生物降解与高级氧化过程 (AOP) 的紧密耦合大大提高了降解效率(比单一生物降解或 AOP 高 132.65%-2369.44%)。MPCS 连续高效运行 5 个循环,表现出多样化的降解途径,与单一处理相比,毒性中间体更少。值得注意的是,MPCS 在没有过氧化物二硫酸盐的情况下功能良好,因为 S. oneidensis 产生低水平的过氧化氢作为 AOP 底物,实现了有利的 OTC 消除。特别是,16 种四环素相关 ARGs 在 MPCS 中的表达比生物降解下降了 62.94%-100%,表明在生物磁体壳保护下具有抗性控制优势以及 AOP 与生物降解的协同效应。 本研究自发地将生物降解和 AOP 相结合,同时消除抗生素和 ARGs,这为控制耐药风险提供了一种潜在的方法。
更新日期:2025-01-17
中文翻译:
一种微生物驱动的过硫酸盐活化循环系统,用于深度土霉素降解和细菌抗生素耐药性控制
抗生素(例如土霉素、OTC)的生物降解性不足和随之而来的抗生素耐药基因 (ARG) 传播风险一直是污水处理厂的一个严重问题。本研究开发了一种微生物驱动的过硫酸盐活化循环系统 (MPCS),该系统依靠 Shewanella oneidensis 的铁还原能力可持续降解 OTC 并防止 ARG 升高。在 MPCS 中,生物生成纳米级生物磁体壳 (20-60 nm) 并与 S. oneidensis 结合以激活过氧二硫酸盐并产生自由基来攻击 OTC,在 120 分钟内去除 98.78%。尽管受到 OTC 和自由基的压力,但 S. oneidensis 在生物磁体壳保护下持续存在 (活/死比为 74.50%:25.50%),表现出较强的能量代谢和减铁强度。生物降解与高级氧化过程 (AOP) 的紧密耦合大大提高了降解效率(比单一生物降解或 AOP 高 132.65%-2369.44%)。MPCS 连续高效运行 5 个循环,表现出多样化的降解途径,与单一处理相比,毒性中间体更少。值得注意的是,MPCS 在没有过氧化物二硫酸盐的情况下功能良好,因为 S. oneidensis 产生低水平的过氧化氢作为 AOP 底物,实现了有利的 OTC 消除。特别是,16 种四环素相关 ARGs 在 MPCS 中的表达比生物降解下降了 62.94%-100%,表明在生物磁体壳保护下具有抗性控制优势以及 AOP 与生物降解的协同效应。 本研究自发地将生物降解和 AOP 相结合,同时消除抗生素和 ARGs,这为控制耐药风险提供了一种潜在的方法。