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The efficacies of degrading antibiotic resistance genes (ARGs) by applying UV light emitting diodes (UV-LEDs) based advanced oxidation processes (AOPs)
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2025-01-27 , DOI: 10.1016/j.watres.2025.123197
Shayok Ghosh, Guanghan Zhang, Yiwei Chen, Jiangyong Hu
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2025-01-27 , DOI: 10.1016/j.watres.2025.123197
Shayok Ghosh, Guanghan Zhang, Yiwei Chen, Jiangyong Hu
Widespread dissemination of antibiotic resistance genes (ARGs) in the aquatic environment has become a concern for public health. This study evaluated the performance of UV-LED based advanced oxidation processes (AOPs) such as the simultaneous application of UV-LEDs (265 and 285 nm) and oxidants (chlorine and persulfate) to degrade ARGs. Persulfate (PS)-based treatment systems showed lower log-removals than chlorine (Cl2) to degrade extracellular ARGs (e-ARGs), with the molar absorption coefficient (ɛ) for PS being 13.66 and 66.4 times lower than those for chlorine at 265 nm and 285 nm, respectively. While 285/Cl2 exhibited stronger synergistic effects achieving an optimal synergy value of 4.02 log, 265/Cl2 displayed better degradation rates with the maximum degradation rate of 0.117 cm2/mJ. Degradation rates induced by 265/PS were 1.2 to 2.2 times higher than 285/PS across all applied concentrations of oxidants. 265/PS also demonstrated a more pronounced synergistic effect than 285/PS with an optimal synergy value of 2.56. Quantum yields (Φ) at 265 nm are ∼1.1 times higher than at 285 nm for both oxidants. Cl2 has ∼1.7 times higher ɛ-value at 285 nm than at 265 nm, while persulfate's ɛ-value is ∼2.93 times higher at 265 nm than at 285 nm. Thus, the better ɛ-value of Cl2 at 285 nm improved the performance of 285/Cl2 over 285/PS than 265 nm-based AOPs. Radical roles were investigated using scavenger studies with nitrobenzene (NB) and ethanol (EtOH) as quenchers. EtOH reacts quickly with hydroxyl radical (HO•), reactive chlorine species (RCS), and sulfate radical (SO4•‾), while NB primarily reacts with HO• and shows minimal reactivity with other radicals. The involvement of radicals in different AOPs varied depending on the wavelength. For 265/Cl2 and 285/PS, HO• was the primary contributor, with minimal contributions from other radicals. Significant contributions from RCS and SO4•‾ radicals were observed for 285/Cl2 and 265/PS, respectively, alongside HO•. Plasmid linearization was observed when the plasmid was subjected to AOPs, confirming the role of radicals in initiating the process of plasmid linearization through their interaction with the sugar-phosphate backbone. Scavenging of radicals by cellular components diminished the synergistic impact of AOPs on intracellular ARGs (i-ARGs) degradation. While AOPs demonstrated a notable degradation of extracellular polymeric substances (EPS), the absence of EPS didn't enhance the degradation of i-ARGs. The overall concentration of free ARGs (f-ARGs) was influenced by the interplay of two factors: the extent of membrane damage and the efficacy of e-ARG degradation. This study offers detailed insights into the effectiveness and mechanisms of UV-LED based AOPs for inactivating various forms of ARGs, as well as the associated challenges. Understanding the relevant mechanisms and challenges will assist in developing a sustainable and efficient UV-LED based AOP technology for removing ARGs from water and wastewater.
中文翻译:
通过应用基于紫外发光二极管 (UV-LED) 的高级氧化过程 (AOP) 降解抗生素耐药基因 (ARG) 的功效
抗生素耐药性基因 (ARG) 在水生环境中的广泛传播已成为公共卫生的一个问题。本研究评估了基于 UV-LED 的高级氧化过程 (AOP) 的性能,例如同时应用 UV-LED(265 和 285 nm)和氧化剂(氯和过硫酸盐)来降解 ARGs。基于过硫酸盐 (PS) 的处理系统在降解细胞外 ARG (e-ARGs) 方面显示出比氯 (Cl 2 ) 更低的对数去除率,PS 的摩尔吸收系数 (ɛ) 在 265 nm 和 285 nm 处比氯低 13.66 和 66.4 倍, 分别。虽然 285/Cl 2 表现出更强的协同效应,达到了 4.02 log 的最佳协同值,但 265/Cl 2 表现出更好的降解率,最大降解率为 0.117 cm 2 /mJ。在所有应用的氧化剂浓度中,265/PS 诱导的降解速率比 285/PS 高 1.2 至 2.2 倍。265/PS 还显示出比 285/PS 更明显的协同效应,最佳协同效应值为 2.56。两种氧化剂在 265 nm 处的量子产率 (Φ) 比在 285 nm 处高 ∼1.1 倍。Cl 在 285 nm 处 2 的 ɛ 值比在 265 nm 处高 ∼1.7 倍,而过硫酸盐在 265 nm 处的 ɛ 值比在 285 nm 处高 ∼2.93 倍。因此,与基于 265 nm 的 AOP 相比,Cl 2 在 285 nm 处更好的 ɛ 值比 285/PS 提高了 285/Cl 2 的性能。使用以硝基苯 (NB) 和乙醇 (EtOH) 为淬灭剂的清除剂研究自由基作用。EtOH 与羟基自由基 (HO•)、活性氯 (RCS) 和硫酸根自由基 (SO 4 • ̅) 反应迅速,而 NB 主要与 HO• 反应,与其他自由基的反应性最小。 自由基在不同 AOP 中的参与因波长而异。对于 265/Cl 2 和 285/PS,HO• 是主要贡献者,其他自由基的贡献最小。与 HO• 一起,分别观察到 RCS 和 SO 4 • ̅ 自由基对 285/Cl 2 和 265/PS 的显著贡献。当质粒经受 AOP 时观察到质粒线性化,证实了自由基通过与糖-磷酸骨架的相互作用在启动质粒线性化过程中的作用。细胞成分对自由基的清除减少了 AOPs 对细胞内 ARGs (i-ARGs) 降解的协同作用。虽然 AOPs 表现出细胞外聚合物物质 (EPS) 的显着降解,但 EPS 的缺失并未增强 i-ARGs 的降解。游离 ARGs (f-ARGs) 的总浓度受膜损伤程度和 e-ARG 降解功效两个因素相互作用的影响。本研究详细介绍了基于 UV-LED 的 AOP 灭活各种形式的 ARG 的有效性和机制,以及相关的挑战。了解相关机制和挑战将有助于开发一种可持续且高效的基于 UV-LED 的 AOP 技术,用于从水和废水中去除 ARGs。
更新日期:2025-01-28
中文翻译:
通过应用基于紫外发光二极管 (UV-LED) 的高级氧化过程 (AOP) 降解抗生素耐药基因 (ARG) 的功效
抗生素耐药性基因 (ARG) 在水生环境中的广泛传播已成为公共卫生的一个问题。本研究评估了基于 UV-LED 的高级氧化过程 (AOP) 的性能,例如同时应用 UV-LED(265 和 285 nm)和氧化剂(氯和过硫酸盐)来降解 ARGs。基于过硫酸盐 (PS) 的处理系统在降解细胞外 ARG (e-ARGs) 方面显示出比氯 (Cl 2 ) 更低的对数去除率,PS 的摩尔吸收系数 (ɛ) 在 265 nm 和 285 nm 处比氯低 13.66 和 66.4 倍, 分别。虽然 285/Cl 2 表现出更强的协同效应,达到了 4.02 log 的最佳协同值,但 265/Cl 2 表现出更好的降解率,最大降解率为 0.117 cm 2 /mJ。在所有应用的氧化剂浓度中,265/PS 诱导的降解速率比 285/PS 高 1.2 至 2.2 倍。265/PS 还显示出比 285/PS 更明显的协同效应,最佳协同效应值为 2.56。两种氧化剂在 265 nm 处的量子产率 (Φ) 比在 285 nm 处高 ∼1.1 倍。Cl 在 285 nm 处 2 的 ɛ 值比在 265 nm 处高 ∼1.7 倍,而过硫酸盐在 265 nm 处的 ɛ 值比在 285 nm 处高 ∼2.93 倍。因此,与基于 265 nm 的 AOP 相比,Cl 2 在 285 nm 处更好的 ɛ 值比 285/PS 提高了 285/Cl 2 的性能。使用以硝基苯 (NB) 和乙醇 (EtOH) 为淬灭剂的清除剂研究自由基作用。EtOH 与羟基自由基 (HO•)、活性氯 (RCS) 和硫酸根自由基 (SO 4 • ̅) 反应迅速,而 NB 主要与 HO• 反应,与其他自由基的反应性最小。 自由基在不同 AOP 中的参与因波长而异。对于 265/Cl 2 和 285/PS,HO• 是主要贡献者,其他自由基的贡献最小。与 HO• 一起,分别观察到 RCS 和 SO 4 • ̅ 自由基对 285/Cl 2 和 265/PS 的显著贡献。当质粒经受 AOP 时观察到质粒线性化,证实了自由基通过与糖-磷酸骨架的相互作用在启动质粒线性化过程中的作用。细胞成分对自由基的清除减少了 AOPs 对细胞内 ARGs (i-ARGs) 降解的协同作用。虽然 AOPs 表现出细胞外聚合物物质 (EPS) 的显着降解,但 EPS 的缺失并未增强 i-ARGs 的降解。游离 ARGs (f-ARGs) 的总浓度受膜损伤程度和 e-ARG 降解功效两个因素相互作用的影响。本研究详细介绍了基于 UV-LED 的 AOP 灭活各种形式的 ARG 的有效性和机制,以及相关的挑战。了解相关机制和挑战将有助于开发一种可持续且高效的基于 UV-LED 的 AOP 技术,用于从水和废水中去除 ARGs。