光驱动下光敏化希瓦氏菌MR-1对氯霉素的生物降解作用

氯霉素作为一种广谱抗生素，已被广泛用于治疗人类和动物的细菌感染。目前，在生活污水、医疗废水和养殖废水中持续检测到氯霉素。在某些医疗废水中，氯霉素浓度可达每升数毫克（Ma等人，2020）。一些研究报道称，氯霉素可诱发再生障碍性贫血，并具有遗传毒性和致癌作用（Hanekamp和Bast，2015）。因此，高效且可持续地降解氯霉素等抗生素已引起科学界的关注。生物降解是一种有前景的、环境友好且成本效益高的抗生素修复策略（Tan等人，2022）。由于氯霉素是一种含氯硝基芳香族抗生素，通过氧化降解具有挑战性（Li等人，2023），因此通过生物还原去除氯霉素是一种有效方法。电活性微生物，尤其是希瓦氏菌属（Shewanella），可通过跨膜蛋白复合物（如MtrABC）介导细胞外电子传递（Schicklberger等人，2011）。先前研究表明，希瓦氏菌可通过这些电子通道还原氯硝基苯（Kong等人，2017）。因此，基于其脱氯和硝基还原能力，希瓦氏菌可用于处理氯霉素污染。

然而，传统生物处理有毒持久性污染物时存在降解效率下降和稳定性不足的问题，通常需要额外处理技术来提高生物降解效率。电刺激已被用于增加抗生素抗性细菌的丰度和抗性基因表达以增强生物降解（Guo等人，2017），但生物电化学系统操作复杂、成本高且需要外部电源。利用电活性微生物及其自合成半导体材料构建的光敏生物杂合系统（PBSs），结合了半导体材料增强的光捕获能力和电活性微生物的复杂代谢优势（Sakimoto等人，2016）。半导体材料受光激发后产生电子-空穴对，电活性微生物与半导体材料的紧密接触可使微生物产生的电子转移至带正电的价带（Qian等人，2014），而导带中的光生电子可促进物质的还原反应。在PBSs中，硫化镉（CdS）因其良好的可见光吸收和优异的光催化性能成为最常用的光催化剂。已有多种PBSs应用于环境修复，但相关研究大多集中于偶氮染料和Cr⁶⁺等易降解物质（Du等人，2022；Zhang等人，2023b），针对四环素降解的研究有限（Wang等人，2023c），而PBSs在氯霉素降解中的应用尚未见报道。此外，半导体材料与电活性微生物之间的电子转移机制尚未被清晰系统地揭示。光激发下，半导体材料产生的活性氧（ROS）虽参与污染物降解，但也可能抑制细菌活性（Chen等人，2020；Zhang等人，2023b）。阐明PBSs对抗生素和ROS的生理响应，将有助于理解半导体材料与电活性微生物的相互作用机制。

服务对象 ： 东北林业大学
发表时间： 2024 年 12 月
发表期刊： Bioresource Technology
文章链接： https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131508