黑磷基杂化材料的制备及其光催化去除水中抗生素与抗性基因机制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41877364
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0707.环境地球化学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The pollution of antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs) is attracted more attention. Photocatalysis technique has been confirmed to be an efficient method for the removal of antibiotics and ARGs in water. However, the correlational researches are still at the primary stage. Especially, the degradation mechanisms of photocatalytic degradation for ARGs are unclear. In this project, several black phosphorus (BP)-based hybrid materials will be synthetized by chemical vapor transport and liquid phase microwave heating synthesis method, using red phosphorus as raw materials. To evaluate the optical adsorption properties, preparation pathways, and stabilization mechanisms of BP-based hybrid materials, a series of characterizations will be carried out. Using the prepared BP-based hybrid materials with favorable stability and high photocatalytic property as photocatalysts, the reaction pathways, influencing mechanisms, and stabilities of the photocatalytic degradations for tetracycline, ampicillin, and ARGs will be studied. The combination of structure analysis and theoretical calculation will be applied to assess the toxicities and potential risks of the incomplete mineralization products from the photocataltic degradations for tetracycline and ampicillin, in addition, the reaction active sites of ARGs will also be revealed. The photocatalytic degradation mechanisms for antibiotic and ARGs, coexisting in water, will be also investigated. This project will not only provide the referential technology for the practical application of photocatalytic degradation for antibiotics and ARGs in water, but also furnish scientific basis for the remediation and restoration of the polluted water.
抗生素及抗生素抗性基因(ARGs)污染日益受到人们的关注。光催化技术可有效去除水中抗生素和ARGs,但相关研究尚处于起步阶段,尤其是ARGs的光催化反应机制尚不清楚。本项目拟以红磷为原料,采用气相传输法及液相微波加热合成法,制备多种黑磷(BP)基杂化材料;通过系统表征,考察BP基杂化材料的光吸收特性,探究制备途径及杂化后BP的稳定机理;选取稳定高效的BP基杂化材料作为光催化剂,研究BP基催化剂光催化降解水中四环素、氨苄青霉素及ARGs的反应途径、影响机制及循环使用稳定性;结合结构分析和理论计算,预测四环素及氨苄青霉素光催化降解过程中,生成未完全矿化产物的毒性和潜在风险,揭示ARGs光催化降解的反应活性点位;阐明水中抗生素及ARGs共存时,抗生素与ARGs的光催化降解机制。本项目不仅可为光催化降解水中抗生素和ARGs的实际应用提供可参考的技术,而且为其污染水体的修复及恢复提供理论依据。

结项摘要

我国水环境抗生素污染日趋严重,亟需开展水环境中抗生素、耐药菌(ARB)与抗生素抗性基因(ARGs)的反应机理及控制技术的研究。项目围绕黑磷(BP)基杂化材料的制备、催化降解水中抗生素药物等与ARB、ARGs的反应途径、毒性变化、反应机理及影响机制等开展了系列研究,具体情况如下:(1)以红磷(RP)等为原料,采用气相传输法、微波热法等制备多种BP基杂化材料(如BP/CN(石墨相氮化碳)等),并对制备方法进行了优化,进而将其用于抗生素污染物的光催化处理。模拟可见光照射下,BP/CN(BP掺杂量为6%)在30 min内可将99%的四环素(TC)脱除,表观速率常数是P25-TiO2的2.7倍,这归因于CN等上负载BP可以增强载流子的分离,增强对可见光的吸收能力,从而使催化剂具有更高的催化活性。此外,设计了多种去除水中污染物的AOPs装置,如光催化、电催化及光电催化、MFC(微生物燃料电池)等并应用于水中抗生素等、大肠杆菌(E. coli)及耐药基因的去除与灭活,均取得了较好的降解效果,并对反应机理、影响机制和毒性变化进行了深入探究;(2)采用AOPs技术有效的氧化了水中耐AMP的E. coli及其ARGs(blaTEM-1),并系统研究了抗生素耐药的传播风险,耐药大肠杆菌(AR E. coli)的灭活主要是由于活性氧对细胞膜的破坏和胞内细胞质的泄漏,降解过程中,blaTEM-1因链断裂而降解。此外,以含有四环素抗性基因(TC-ARG)的AR E. coli为代表,研究了ARB的光灭活情况。由于直接辐照产生的膜损伤,AR E. coli发生了明显的光失活。模拟的阳光照射特异性地抑制了TC耐药性的表达,这是由于TC特异性外排泵的破坏所致。由于TC具有对AR E. coli的选择性压力和竞争性光吸收效应,因此抑制了AR E. coli的光失活;(3)对无细胞TC-ARG在模拟阳光照射下的光降解途径进行研究。TC-ARG可以发生直接的光降解,这大大降低了其水平转移效率。苏万尼河富里酸(SRFA)促进了TC-ARG的光降解,并通过产生反应性中间物进一步抑制了其水平转移。TC-ARG的光降解归因于四个碱基和脱氧核糖组的降解。尽管ARGs在阳光照射下可以在地表水中进行快速的光降解,但不能完全消除,因为ARGs可以随着抗生素耐药菌的扩散而产生。

项目成果

期刊论文数量(19)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Rapid water purification using modified graphitic carbon nitride and visible light
使用改性石墨氮化碳和可见光快速净化水
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2020.119864
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Applied Catalysis B: Environmental
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    He Dongyang;Yang Hao;Jin Dexin;Qu Jiao;Yuan Xing;Zhang Ya-nan;Huo Mingxin;Willie J.G.M. Peijnenburg
  • 通讯作者:
    Willie J.G.M. Peijnenburg
Preparation of metal-free BP/CN photocatalyst with enhanced ability for photocatalytic tetracycline degradation
增强光催化四环素降解能力的无金属BP/CN光催化剂的制备
  • DOI:
    10.1017/nps.2023.22
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Chemosphere
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Jin Dexin;He Dongyang;Lv Yihan;Zhang Kangning;Zhang Zhaocheng;Yang Hao;Liu Chuanhao;Qu Jiao;Zhang Ya-nan
  • 通讯作者:
    Zhang Ya-nan
Photochemical degradation pathways of cell-free antibiotic resistance genes in water under simulated sunlight irradiation: Experimental and quantum chemical studies
模拟阳光照射下水中无细胞抗生素抗性基因的光化学降解途径:实验和量子化学研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Chemosphere
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Zhang Tingting;Cheng Fangyuan;Yang Hao;Zhu Boyi;Li Chao;Zhang Ya-nan;Qu Jiao
  • 通讯作者:
    Qu Jiao
Trace amounts of fenofibrate acid sensitize the photodegradation of bezafibrate in effluents: Mechanisms, degradation pathways, and toxicity evaluation
痕量的非诺贝特酸使废水中苯扎贝特的光降解变得敏感:机制、降解途径和毒性评估
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Chemosphere
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Zhou Yangjian;Zhao Jianchen;Zhang Ya-nan;Qu Jiao;Li Chao;Qin Weichao;Zhao Yahui;Chen Jingwen;Willie J. G. M. Peijnenburg
  • 通讯作者:
    Willie J. G. M. Peijnenburg
Effective degradation of norfloxacin on Ag3PO4/CNTs photoanode: Z-scheme mechanism, reaction pathway, and toxicity assessment
Ag3PO4/CNTs 光阳极上诺氟沙星的有效降解:Z 型机制、反应途径和毒性评估
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2021.132092
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Lv Yihan;Liu Haiyang;Jin Dexin;Yang Hao;He Dongyang;Zhang Zhaocheng;Zhang Yushu;Qu Jiao;Zhang Ya-nan
  • 通讯作者:
    Zhang Ya-nan

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其他文献

Comparative Study of Carbon Materials Synthesized "Greenly" for 2-CP Removal
“绿色”合成用于去除 2-CP 的碳材料的比较研究
  • DOI:
    10.1016/j.jneumeth.2011.09.013
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Scientific Reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    马莹;鲁楠;路莹;关久念;曲蛟;刘海洋;丛俏;袁星
  • 通讯作者:
    袁星

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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