季铵型磁性树脂对饮用水中耐药性病原菌控制技术原理

Extensive use of antibiotics stimulates the proliferation of antibiotic-resistant pathogens (ARP) in natural waters, which aggravates the biological pollution of drinking water and thus threatens public health. Recent researches prove that chlorination cannot completely kill ARP due to the co-resistance mechanism between antibiotics and chlorine, and it can inversely increase the relative abundances of ARP and their inherent genes. Ultraviolet disinfection also can make ARP enter the state of the viable but non-culturable, but resurrection risk still exists after disinfection. Conventional disinfection technologies of drinking water face severe challenges in ARP inhibition, but macromolecular disinfectants with quaternary-ammonium structure have potential advantages in ARP control because of the unique bactericidal mechanism (adsorption-dissociation). This project was designed to study the control principles of drinking water antibiotic-resistant pathogens using magnetic exchange resin with quaternary-ammonium structure (MIEX-QAS), as well as the effect of MIEX-QAS on antibiotic resistance of drinking water pathogens. The synthesis principle of MIEX-QAS basing on the ARP control will be explored to help develop a new MIEX-QAS with high adsorption capacity and good biocidal effectiveness. Moreover, the underlying mechanisms that environmental conditions affect ARP removal and transfer by MIEX-QAS will be further studied. Finally, the best disinfection method, which combines the MIEX-QAS and conventional disinfection technologies, will be concluded to control the biological risks in drinking water.

抗生素等药物的大量使用导致自然水体中耐药性致病菌丰度显著上升，饮用水生物安全形势日益严峻。前期研究发现由于耐药性致病菌存在“共抗性”机制，传统氯消毒对其灭活效果不佳，还会导致耐药菌及基因在水体中的相对丰度升高。紫外消毒可诱导细菌进入有活性但不可培养的状态，存在后续复活的风险。传统的饮用水消毒工艺在控制耐药性病原菌上面临挑战。高分子季铵型消毒剂因其独特的“吸附-裂解”杀菌方式，在控制耐药性病原菌上具有潜在优势。因此，本项目拟选取季铵型磁性树脂作为研究对象，围绕其对饮用水中耐药性致病菌的控制原理，探索季铵型磁性树脂对病原菌耐药性的影响机制，揭示基于耐药性病原菌控制的树脂合成调控原理，开发出高效杀菌及具备优异吸附性能的树脂材料。系统研究不同水环境化学条件下季铵型磁性树脂对耐药性病原菌的削减转移机制，提出季铵型磁性树脂与传统消毒工艺最佳耦合方式。为饮用水中微生物风险控制提供理论基础与技术支撑。

抗生素等药物的大量使用导致自然水体中耐药性致病菌丰度显著上升，饮用水生物安全形势日益严峻。前期研究发现由于耐药性致病菌存在“共抗性”机制，传统氯消毒对其灭活效果不佳，还会导致耐药菌及基因在水体中的相对丰度升高。紫外消毒可诱导细菌进入有活性但不可培养的状态，存在后续复活的风险。传统的饮用水消毒工艺在控制耐药性病原菌上面临挑战。高分子季铵型消毒剂因其独特的“吸附-裂解”杀菌方式，在控制耐药性病原菌上具有潜在优势。因此，(一)本项目首先研究了氯、紫外、臭氧及高分子季铵盐树脂材料等不同消毒方式对饮用水中抗性细菌及基因的影响。结果发现化学消毒方式均可能引起细菌应激反应以及与抗生素之间的共抗性，导致抗生素抗性细菌的富集以及外排泵类抗性基因的过表达，从而引起水体中残留细菌抗性增强。高分子季铵盐消毒剂因其特殊的吸附-裂解杀菌机制，并且由于假单胞菌属及芽孢杆菌属等耐氯细菌的高电负性，高分子季铵盐消毒剂可将其选择性优先去除，同时有效去除其携带的抗性基因。证明了高分子季铵盐材料可作为饮用水中辅助消毒剂，强化饮用水中抗性细菌/基因的去除。（二）考察了树脂骨架、季铵盐碳链长度对其杀菌性能的影响，研究阐明了树脂结构与杀菌性能之间的构效关系，证明聚丙烯酸骨架及烷基碳链6-8个碳原子时具有最佳的杀菌效果。并进一步研究发现杀菌效果与树脂类表面电荷密度及碳链长度之间具有较好相关性，证明杀菌作用主要发生在树脂表面基团。研究为后续复合功能树脂合成指明了方向。（三）首次创新性提出树脂长链-短链两次季铵化的方法，强化树脂表面长链基团的杀菌效果，及孔道内部短链基团的污染物去除能力。合成了一种具有高效杀菌及污染物去除复合功能的新一代树脂。该树脂可选择性高效去除饮用水中低浓度的细菌，具有较好的应用价值。本研究为饮用水微生物安全保障提供了理论基础和技术支撑。