第一作者：韩佳芮，李婉鑫
通讯作者：张相如教授
作者单位：香港科技大学土木与环境工程学系
论文DOI：10.1038/s41467-024-48752-w
氯二甲酚是全球广泛使用的消毒剂。其大规模使用和相对较高的化学稳定性对受纳水体的生态系统产生了威胁。我们发现氯二甲酚的化学结构与许多卤代酚类消毒副产物相似。受到部分卤代酚类消毒副产物在太阳光照下可快速降解特性的启发，我们开始从中寻找能够替代氯二甲酚的环境友好型消毒剂。在研究消毒副产物的抗微生物活性时，我们发现2,6-二氯苯醌灭活细菌、真菌和病毒的效率比氯二甲酚高出9-22倍。即使在没有光照的情况下，2,6-二氯苯醌也可在受纳海水中通过水解途径快速降解，同时其对海洋生态系统食物链最底端的环节动物的发育毒性也迅速降低；进入海水两天后，其毒性较氯二甲酚低31倍。我们的研究表明，2,6-二氯苯醌是一种有潜力的消毒剂，能够有效应对人类生物安全和环境可持续性的挑战。该新型消毒剂及其同系物已经申请了美国专利和中国专利。更重要的是，我们的研究成果会启发科学家们利用海水的微碱性来开发出其他能够在海水中快速降解的工业产品。
COVID-19大流行对人类生活和活动产生了深远的影响。为了防止疾病的传播，个人和环境的消毒措施有了显著增强。根据Reckitt Benckiser的报告，其全球消毒产品的销量从大流行前的年销售额54.5亿美元激增超过50%。鉴于化学消毒剂可通过废水排放和地面径流进入自然水体，强化消毒引起的对水生生态系统的潜在灾害引起了相当的关注。因此，急需开发既环境友好又高效的消毒剂。氯二甲酚（PCMX），又名对氯间二甲苯酚，是一种卤代酚类消毒剂。自1920年代被开发以来，PCMX已被广泛用作一种广谱抗微生物剂，并且其使用量在近年来有了显著增加。由于其广泛的使用和相对较高的化学稳定性，PCMX常在水环境中被检测到。尽管PCMX通常被认为对人是安全的，但美国环境保护局已指出，PCMX对水生无脊椎动物有中度毒性，且对淡水鱼类有高毒性。例如长期暴露于环境浓度下的PCMX（4.2 μg L
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1
）可造成虹鳟鱼的基因调控和形态变化。我们近些年在消毒副产物的研究中检测并鉴定了约120种卤代消毒副产物（DBPs），其中大多数为卤代酚类化合物，与PCMX结构相似，譬如卤代酚、卤代硝基酚、卤代氢醌、卤代羟基苯甲醛、卤代羟基苯甲酸及卤代水杨酸等。卤代酚类DBPs的结构特性似乎赋予了它们作为消毒剂的抗微生物活性。我们先前的研究也发现，部分卤代酚类DBPs可在阳光下通过脱卤和环裂转变为脂肪族化合物而降低毒性。这表明，使用某些卤代酚类DBPs作为消毒剂时可有助于减轻消毒剂对生态环境造成的危害。然而，卤代酚类DBPs灭活病原体的有效性、它们在无光照时在水环境中的可降解性以及相关毒性的变化仍然未知。
1. 我们注意到PCMX的化学结构与众多卤代酚类消毒副产物类似。受到部分卤代酚类消毒副产物在光照条件下可快速降解特性的启发，我们从卤代消毒副产物中寻找能够替代氯二甲酚的环境友好型消毒剂。
2. 本研究比较了PCMX与数种消毒副产物对典型病原体的灭活效果。通过综合考量这些消毒副产物的消毒效率与其在受纳海水中的降解和解毒速率，我们挑选出了一种具有潜力的新型消毒剂。
3. 2,6-二氯苯醌在抗微生物效能上明显优于PCMX，而且即使在没有光照的条件下，它在海水中的浓度以及对生物发育的毒性也在迅速降低。这说明2,6-二氯苯醌作为一种在受纳水体中可快速降解且毒性快速降低的高效广谱消毒剂，具有极大的应用前景。
最初，我们主要基于其急性毒性和降解性来筛选有潜力的卤代酚类DBPs作为候选消毒剂。含氮DBPs，比如卤代硝基苯酚和卤代羟基苯腈，普遍拥有比不含氮DBPs更高的毒性和更强的稳定性，因此被排除在外。在新发现的卤代酚类DBPs中，5-溴水杨酸和2,5-二溴氢醌在太阳光照射下显示出最短的半衰期。2,4-二卤苯酚在卤代苯酚中展现了较高的光降解速率常数和较低的发育毒性。研究表明，碘代DBPs通常比其溴代和氯代类似物具有较高的毒性和较低的稳定性。因此，这三类DBPs（即2,4-二卤苯酚、2,5-二卤氢醌和5-卤水杨酸）的氯代、溴代和碘代物被纳入了考察范围内 （图1）。
图1. 潜在消毒剂筛选。
根据卤化酚类 DBP 的结构特性和光降解动力学筛选潜在消毒剂的示意图。
我们首先评估了选定的DBPs和PCMX对大肠杆菌（一种常见病原污染指示细菌和结直肠癌驱动因素）的抗微生物效果。按照美国环保局推荐的0.25-10分钟消毒时间，选定了5分钟作为接触时间。结果显示，针对大肠杆菌的消毒效率依次为：2,4-二卤苯酚 > 2,5-二卤氢醌 > 5-卤水杨酸（pH 7.2，图2a）。考虑到消毒产品通常在使用前会用自来水（pH 6.5–8.5）稀释，因此我们检验了在不同pH条件下DBPs对大肠杆菌的灭活作用（图2a,b）。为了验证DBPs的广谱抗微生物潜力，我们检测了它们在pH 7.2和5分钟接触时间下灭活金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性细菌）、白色念珠菌（真菌）和噬菌体MS2（病毒）的效力。PCMX和DBPs在灭活金黄色葡萄球菌、白色念珠菌或MS2的效率顺序基本与灭活大肠杆菌时相同，其中2,4-二碘苯酚在相同剂量下显示出最大的抗微生物效果（图2c）。
海水是城市废水和沿海或内陆地区城市径流的直接或最终受纳水体。数十年来，城市废水一直在对海洋生态系统造成严重破坏。多毛环节动物
Platynereis dumerilii
在沿海水域广泛分布，它以海洋藻类为食，是海洋生态系统营养金字塔基座的关键物种，已被广泛用作海洋生态毒性评估的模型生物。为了评估将DBPs作为消毒剂对
P. dumerilii
胚胎发育的风险，我们以对大肠杆菌达到3-log（99.9%）灭活的剂量作为使用浓度，确定了使50%胚胎（相比于对照组）正常发育的该浓度的稀释因子（DF）（EC
50,DF
，图2d）。EC
50,DF
较高意味着该消毒剂需要更大的稀释因子来减弱其发育毒性，表明其对海洋生态系统的风险较高。EC
50,DF
的顺序依次为2,5-二卤氢醌 > 2,4-二卤苯酚 > PCMX。在海水中，PCMX和DBPs在光照或黑暗条件下遵循准一级动力学降解。2,4-二卤苯酚的光降解半衰期（35−83小时，图2e）小于PCMX（半衰期为257小时）。在没有光照的情况下，2,4-二卤苯酚和PCMX都只有轻微的降解（120小时内少于5%，图2f）。考虑到阳光中的紫外线成分只能穿透海水的最上层，且2,4-二卤苯酚的降解主要通过日间阳光下海水表层的光降解发生，2,4-二卤苯酚作为消毒剂可能还不够理想。相比之下，2,5-二卤氢醌在光照和黑暗条件下极快地降解（图2e,f），半衰期仅为0.12−0.16小时。然而，其在水中极高的不稳定性和消毒时使用的高浓度使2,5-二卤氢醌可能不适合作为消毒剂。与此同时我们注意到随着pH值的增加，2,5-二卤氢醌的消毒效率显著提高（图2b）。由于氢醌在碱性溶液中易于氧化，这使我们假设二卤苯醌（二卤氢醌的氧化产物）可能在灭活病原体上更有效。
图2.
PCMX及九种消毒副产物的抗微生物活性、发育毒性和降解动力学。
a
在pH
7.2的条件下，大肠杆菌存活率与PCMX及DBPs剂量的相关性；
b
pH值对PCMX及DBPs消毒效能的影响；
c
在pH 7.2、接触时间为5分钟、剂量为300 mg/L的条件下，PCMX及DBPs对白色念珠菌（C. albicans）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）以及噬菌体MS2的灭活效果；
d
PCMX及DBPs对P. dumerilii胚胎发育毒性的比较。
e
在日照条件下PCMX及DBPs在海水中的降解情况；
f
在无日照条件下PCMX及DBPs在海水中的降解情况；DBPs包括：2,4-二氯酚（2,4-DCPh）、2,4-二溴酚（2,4-DBPh）、2,4-二碘酚（2,4-DIPh）、2,5-二氯氢醌（2,5-DCHQ）、2,5-二溴氢醌（2,5-DBHQ）、2,5-二碘氢醌（2,5-DIHQ）、5-氯水杨酸（5-CSA）、5-溴水杨酸（5-BSA）、5-碘水杨酸（5-ISA）。
为了验证这一假设，我们研究了2,6-二氯苯醌（一个新鉴定的DBP）的抗微生物特性。与PCMX相比，2,6-二氯苯醌对所测试的四种病原体都显示出了更高的消毒效能（图3a）。在固定5分钟的接触时间下，实现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色假丝酵母菌和病毒MS2的3-log灭活所需的PCMX剂量为2,6-二氯苯醌所需剂量的9–22倍。为了深入了解2,6-二氯苯醌的消毒机制，我们使用了不能穿透细胞膜的染料碘化丙啶对大肠杆菌进行染色，然后用荧光显微镜进行分析。结果表明细胞膜的破坏在2,6-二氯苯醌的消毒过程中起着重要作用。
接着，我们研究了2,6-二氯苯醌在受纳海水（pH 8.2）中的降解情况。其降解遵循准一级动力学（图3b）。有趣的是，2,6-二氯苯醌在黑暗中的降解速率与在阳光照射下相当。在海水中，2,6-二氯苯醌在阳光照射下的半衰期（1.33小时）比PCMX（257小时）短193倍，而2,6-二氯苯醌在黑暗中的半衰期（1.74小时）比PCMX（约240天）短了三千倍。为了弄清2,6-二氯苯醌在海水中快速降解的原因，我们随后研究了pH对2,6-二氯苯醌降解动力学的影响（图3b）。结果表明，光照能有效促进2,6-二氯苯醌的降解，且在较低pH值时效果更为明显。光照下降解的增强可能是由于光亲核取代的发生以及与生成的活性氧物种（例如羟基自由基）之间的反应。随着pH的升高，2,6-二氯苯醌的降解明显加快，表明水解在2,6-二氯苯醌降解中发挥着重要作用。我们进一步探索了黑暗条件下海水中2,6-二氯苯醌的降解途径（图3c,d）并评估了2,6-二氯苯醌和PCMX对
P. dumerilii
胚胎发育的相对风险（图3e）。刚排放到海水中时，2,6-二氯苯醌的毒性略高于PCMX。然而，随着2,6-二氯苯醌在海水（无光照）中的迅速降解，其毒性快速降低，48小时内EC
50,DF
从21.7降至0.28。与此同时，PCMX的毒性在同一时间段内基本不变，这与其在黑暗中的极低的降解速率相符。48小时后，在黑暗条件下降解的2,6-二氯苯醌的毒性较PCMX低31倍。
图3. 2,6-二氯苯醌的抗微生物活性、降解动力学与途径以及发育毒性。
a
在pH
7.2条件下，大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌和MS2噬菌体对2,6-二氯苯醌和PCMX剂量的存活率；
b
在不同pH条件下，有无太阳光照情况下2,6-二氯苯醌的降解情况；
c
随时间变化的2,6-二氯苯醌及其降解产物的峰面积变化；
d
2,6-二氯苯醌在海水中的降解途径；
e
在黑暗中不同降解时间下的2,6-二氯苯醌与PCMX的发育毒性。
我们的研究提出了一种面对人类生物安全挑战与生态可持续性困境的解决方案。结果表明，2,6-二氯苯醌具有成为PCMX替代品的巨大潜力。2,6-二氯苯醌的高效消毒效果及其在海水中的快速降解和解毒性能，意味着它有望在全球价值数十亿美元的消毒和抗微生物产品市场中占领一席之地，同时更有效地保障人类社会的生物安全与水生态的可持续性。该新型消毒剂及其同系物已经申请了美国专利和中国专利。
特别需要指出的是，2,6-二氯苯醌能够在没有光照的条件下，在海水中迅速降解和解毒。这一过程可归因于其在海水中的水解作用较强，海水的微碱性环境（pH 8.2）提供了稳定的氢氧根离子浓度 （大约是中性pH的16倍），而这体现了自然界的奇妙之处。借助海水这一微碱性环境，科学家们可设计和开发出可在海水中通过水解快速降解的其他工业产品，例如杀虫剂、药品和个人护理产品等。这不仅促进了“确保所有人获得安全的水和卫生设施”（满足人类最基本的健康和福祉需求），还有助于“保护和可持续利用海洋和海洋资源以实现可持续发展”（为超过三十亿人的生计提供海洋和沿海生物多样性的保障），这两项均是联合国确定的可持续发展目标。我们的研究为实现这些目标提供了重要支撑。
韩佳芮
博士，2019年于香港科技大学获得博士学位。现任职于香港科技大学土木与环境工程系研究助理教授、斯坦福大学访问学者。主要研究领域为新型消毒技术开发，不同消毒技术下的消毒副产物生成、鉴定、健康风险评估与控制等。
李婉鑫
博士， 2021年于香港科技大学获得博士学位。现任职于西交利物浦大学健康与环境科学系助理教授。主要研究领域为环境健康风险控制，环境微污染物在水处理过程中迁移、转化与毒理，以新污染物为前体物的消毒副产物的生成、鉴定与去除等。
张相如
教授，博士生导师，现任职于香港科技大学土木与环境工程系。致力于研究新消毒副产物在水和污水处理中的生成、检测、鉴定、毒理和去除，消毒副产物和微污染物的总体毒性评估和控治, 以及开发绿色新型的水和污水处理技术。在
Nature Communications、Nature Water、Environmental Science & Technology
和
Water Research
等期刊发表论文100余篇。
Han, J., Li, W.,
& Zhang, X. (2024). An effective and rapidly degradable disinfectant from
disinfection byproducts.
Nature Communications
, 15(1), 4888.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-48752-w
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