Förbättrad bakterieaffinitet och generering av reaktiva syrearter förbättrar antibakteriell inaktivering i avloppsvatten av grafenoxidlindade nanosfärer utvecklade av forskare vid Rice University och Tongji University, Shanghai. Antibiotikaresistensgener (eARG) frisatta av inaktiverade antibiotikaresistenta bakterier (ARB) i närheten av fotokatalytiska platser på sfärerna underlättar deras nedbrytning. Kredit:Alvarez Research Group/Rice University
En sköld av grafen hjälper partiklar att förstöra antibiotikaresistenta bakterier och fritt flytande antibiotikaresistensgener i avloppsreningsverk.
Tänk på den nya strategin som utvecklats vid Rice University som "wrap, fälla och zappa."
Rice miljöforskare Pedro Alvarez och Yalei Zhangs laboratorier, professor i miljöteknik vid Tongji University, Shanghai, introducerade mikrosfärer inslagna i grafenoxid i tidskriften Elsevier Vattenforskning .
Alvarez och hans partners i Rice-based Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) har arbetat för att släcka antibiotikaresistenta "superbugs" sedan de först hittade dem i avloppsreningsverk 2013.
"Superbugs är kända för att häcka i avloppsreningsverk och frigöra extracellulära antibiotikaresistensgener (ARG) när de dödas när avloppsvattnet desinficeras, ", sa Alvarez. "Dessa ARG:er släpps sedan ut och kan förvandla inhemska bakterier i den mottagande miljön, som blir resistomreservoarer.
"Vår innovation skulle minimera utsläppet av extracellulära ARG, och därmed minska spridningen av antibiotikaresistens från avloppsreningsverk, " han sa.
En bild med ett svepelektronmikroskop visar ett grafenoxidskal runt de skiktade nanoplattorna som utgör kärnan i en partikel som fångar och zapar antibiotikaresistenta bakterier och de resistensgener som de frigör. De omslagna sfärerna som utvecklats vid Rice och Tongji universitet visade sig tre gånger bättre kunna desinficera sekundärt avlopp från avloppsanläggningar än sfärerna utan den kvävedopade grafenoxiden. Kredit:Deyi Li/Tongji University
Rislabbet visade sina sfärer - kärnor av vismut, syre och kol insvept med kvävedopad grafenoxid – inaktiverade multiläkemedelsresistenta Escherichia coli-bakterier och nedbrutna plasmidkodade antibiotikaresistenta gener i sekundärt avloppsvatten.
De grafenlindade sfärerna dödar elaka i avloppsvattnet genom att producera tre gånger mängden reaktiva syrearter (ROS) jämfört med enbart sfärerna.
Sfärerna i sig är fotokatalysatorer som producerar ROS när de utsätts för ljus. Laboratorietester visade att inpackning av sfärerna minimerar förmågan hos ROS-rensare att begränsa deras förmåga att desinficera lösningen.
Forskarna sa att kvävedopning av skalen ökar deras förmåga att fånga bakterier, ger de katalytiska sfärerna mer tid att döda dem. De förstärkta partiklarna fångar sedan omedelbart och bryter ner de resistenta gener som frigörs av de döda bakterierna innan de förorenar avloppsvattnet.
En elektronmikroskopbild visar E. coli-bakterier fångade av inslagna mikrosfärer utvecklade vid Rice och Tongji universitet. Sfärerna skapades för att desinficera sekundärt avlopp från avloppsreningsverk, en grogrund för antibiotikaresistenta bakterier och antibiotikaresistensgener. Kredit:Deyi Li/Tongji University
"Inpackning förbättrad bakteriell affinitet för mikrosfärerna genom förbättrad hydrofob interaktion mellan bakterieytan och skalet, " sa medförfattaren Pingfeng Yu, en postdoktoral forskarassistent vid Rice's Brown School of Engineering. "Denna mildrade ROS-utspädning och rensning av bakgrundsbeståndsdelar och underlättade omedelbar fångst och nedbrytning av frigjorda ARG."
Eftersom de inslagna sfärerna är tillräckligt stora för att filtreras bort från det desinficerade avloppsvattnet, de kan återanvändas, sa Yu. Tester visade att sfärernas fotokatalytiska aktivitet var relativt stabil, utan någon signifikant minskning i aktivitet efter 10 cykler. Det var betydligt bättre än cykellivslängden för samma sfärer minus omslaget.
