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我院文刚教授课题组硕士梁智婷在环境领域国际TOP期刊“Water Research”,“Journal of Hazardous Materials”连续发表论文揭示臭氧消毒控制真菌的机理

2021-07-22 作者:梁智婷 编辑:张璐 来源:饮用水水质安全保障创新团队
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近期,我校西北水资源与环境生态教育部重点实验室、陕西省环境工程重点实验室,澳门威尼娱人网站文刚教授课题组硕士梁智婷在环境领域国际著名期刊Water ResearchSCI一区,IF=11.236)和Journal of Hazardous MaterialsSCI一区,IF=10.588)上连续发表题为“Inactivation of fungal spores in water using ozone: Kinetics, influencing factors and mechanisms”(2020,116218)以及“Synergistic effect of ozone and chlorine on inactivating fungal spores: Influencing factors and mechanisms”(2021,126610)两篇重要成果。两篇论文针对臭氧对水中真菌孢子的灭活效果展开研究,探究了臭氧分子对真菌孢子的灭活动力学,研究了影响灭活效果的环境因素,从细胞水平上深入分析了臭氧对真菌孢子的灭活机制;首次揭示了臭氧/氯联合灭活真菌孢子过程中产生了协同作用,并从细胞和分子水平探讨分析了协同作用的产生机理,对控制水源水中真菌污染、保障饮用水供水安全具有重要意义。

1. 臭氧对三种真菌孢子的灭活过程以及动力学分析([O3]0 = 2 mg L−1, pH = 7.0, T = 20 °C

臭氧具有强氧化性,其消毒效果比氯更强,并且作为消毒剂对pH变化的敏感性比氯低;此外,臭氧消毒过程中不会直接产生消毒副产物。因此,臭氧作为消毒剂在国内外饮用水消毒领域受到广泛关注。研究结果表明,臭氧对真菌孢子的灭活过程包括两个阶段,其中在第二灭活阶段内,臭氧分子对真菌孢子的灭活过程符合Chick–Watson模型。动力学分析结果表明,真菌孢子对臭氧的抗性明显强于病毒和细菌,而与隐孢子虫对臭氧的抗性相当。单独使用臭氧对真菌孢子的灭活效果优于氯和二氧化氯,且更具经济性。

使用流式细胞仪结合三种染色剂(SG/PI、DHE、CFDA)以及扫描电镜分析深入探究了臭氧对真菌孢子的灭活机制。臭氧首先破坏真菌孢子的细胞壁和细胞膜,这一过程促进了臭氧分子进入细胞内部并与胞内化合物反应,在这一快速过程内,真菌孢子受到外界强烈氧化刺激,产生应激反应,导致胞内活性氧(ROS)水平和酯酶活性急剧升高,随后,真菌孢子在臭氧分子和ROS的联合作用下被逐渐灭活。

2. 臭氧灭活30s后,真菌孢子形态、膜完整性、胞内ROS水平以及酯酶活性的变化([O3]0 = 2 mg L−1, pH = 7.0, T = 20 °C

该研究中,向真菌孢子悬浮液中同时施加臭氧和氯进行消毒,并将联合灭活效果与单独施加一种消毒剂的灭活效果进行比较,首次证实臭氧/氯联合灭活真菌孢子的过程中产生了协同效应,并且能够在体系中保持一定的持续消毒能力。协同作用的产生原因主要有两方面:一、臭氧与氯反应促使更多的羟基自由基产生,作为非选择性的强氧化剂,羟基自由基对灭活效果的贡献率显著;二、臭氧氧化并破坏真菌孢子的细胞壁和细胞膜,促进氯渗透进入细胞中,同时,臭氧迅速氧化了体系中的真菌色素,减少了真菌色素对氯的损耗,从而导致协同作用的产生。

3. 臭氧/氯联合灭活真菌孢子的过程曲线,以及联合灭活过程中协同作用产生的机制示意图([O3]0 = 1 mg L−1, [Cl2]0 = 2 mg L−1, pH = 7.0, T = 20 °C

文刚教授为两篇论文的通讯作者,2018级硕士生梁智婷为第一作者,研究受到国家自然科学基金面上项目(No.51678472)、陕西省杰出青年基金(No.2018JC-026)、陕西省高校青年创新团队,陕西省重点研发项目(2020ZDLSF06-05)的资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116218

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126610

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