论文部分内容阅读
目前，抗生素广泛用于人类医疗、农业和畜禽养殖业，极大地促进了人类健康和农业生产。然而，大量的使用使其释放至自然生态系统中，对人类、动物和环境造成潜在的生态毒性威胁。更重要的是，抗生素的使用会导致抗生素耐药性细菌(ARB)和抗生素抗性基因(ARGs)的产生和积累。因此，ARGs被定义为一种新型的污染物。由于使用的抗生素将会通过污水系统进入污水处理厂(WWTPs)，并易积累在污水生物处理过程产生的剩余污泥中，因此，剩余污泥是ARGs的重要贮存场所，同时也成为ARGs集中高效去除的关键环节。
本论文考察了污泥热水解过程操作条件对泥相中四环素抗性基因（TC-ARGs）的影响，不同pH下液相中TC-ARGs的变化情况，以及热水解联合厌氧消化过程对TC-ARGs的影响；并从热水解后水热液中有机物含量和污泥胞内胞外物质（蛋白质、多糖和腐殖酸）释放到液相的情况，释放到液相的有机物在不同pH下对液相中ARGs削减的影响以及微生物群落的变化情况对 ARGs 的削减机理进行了探究。
得出以下主要结论：
（1）根据污泥热水解影响因素研究，确定污泥热水解过程最优操作条件是：pH为3，反应温度160 ℃，反应时间为2 h。而且，初始pH值是影响污泥热水解过程中污泥相和液相中TC-ARGs基因丰度削减的重要因素。
（2）污泥热水解过程中随着微生物细胞的破坏，DNA释放到液相，导致液相中TC-ARGs基因丰度升高，而且在pH=11的条件下会有更多的 TC-ARGs 释放到液相中，pH=3 的条件下释放到液相的TC-ARGs最少。
（3）不同初始 pH 条件下污泥热水解后，受到了不同程度的破坏，从胞内和胞外释放出不同数量的有机物（蛋白质、多糖和腐殖酸等）；在pH=11的条件下，大量的有机物释放到上清液中，而在pH=3条件下释放的有机物量最少。
（4）水热液中的多糖、蛋白质以及多糖和蛋白质复合组在不同pH 下对液相中的 ARGs 有复杂的影响，总体上，pH=3 时液相中的ARGs下降幅度最大，而在pH=7和11时液相ARGs去除效果较差，推测可能由于蛋白质和多糖对ARGs的削减有抑制作用；而液相中的美拉德产物对液相中ARGs的削减几乎无影响，且与美拉德产物的浓度也无相关性。同时，通过热水解后的上清液进行验证，证实了酸性条件下存在的有机物对DNA的保护作用较弱，导致液相残留较少的ARGs。此外，在不同初始 pH 条件下污泥热水解前后微生物结构分析表明，热水解后，在酸性条件下破坏TC-ARGs基因的宿主菌较多，导致污泥相中ARGs去除效率较高。
（5）相比单独地厌氧消化过程，热水解联合厌氧消化过程对泥相中的TC-ARGs有更好的削减作用，可见热水解预处理可进一步增强后续厌氧消化过程ARGs的削减；而且在pH=3热水解联合厌氧消化时TC-ARGs的削减效果最好，pH=11时削减效果最差。
（6）厌氧过程中存在泥相的TC-ARGs大量释放到液相的现象，厌氧消化40 d后，对照组液相中含有更高丰度的ARGs，尽管厌氧消化过程热水解污泥的投加会增加液相中ARGs的丰度，但在厌氧消化过程被有效的去除，且在pH=3热水解联合厌氧消化时液相含有最低的ARGs。
（7）污泥厌氧消化后微生物的丰富度和多样性均呈现出下降的趋势。厌氧消化反应40 d后，相比反应前优势菌种变少，主要包括厚壁菌门（ Firmicutes ）、变形菌门（ Proteobacteria ）、绿弯菌门（Chloroflexi）和拟杆菌门（Bacteroidetes），而且已经被报道酸杆菌门（Acidobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和拟杆菌门（Bacteroidetes）均是TC-ARGs的宿主，因此，厌氧消化后这些门的丰度的降低可能引起了TC-ARGs丰度的降低；此外，藤黄色单胞菌属（ Luteimonas ）、Dechloromonas 属和硝化螺菌属（Nitrospira）也被报道是TC-ARGs的宿主，且这些属水平上的ARGs宿主微生物在pH=3污泥热水解联合厌氧消化40 d后相对丰度最低，这表明pH=3的热水解污泥联合厌氧消化对ARGs的削减有更好的效果。
本论文考察了污泥热水解过程操作条件对泥相中四环素抗性基因（TC-ARGs）的影响，不同pH下液相中TC-ARGs的变化情况，以及热水解联合厌氧消化过程对TC-ARGs的影响；并从热水解后水热液中有机物含量和污泥胞内胞外物质（蛋白质、多糖和腐殖酸）释放到液相的情况，释放到液相的有机物在不同pH下对液相中ARGs削减的影响以及微生物群落的变化情况对 ARGs 的削减机理进行了探究。
得出以下主要结论：
（1）根据污泥热水解影响因素研究，确定污泥热水解过程最优操作条件是：pH为3，反应温度160 ℃，反应时间为2 h。而且，初始pH值是影响污泥热水解过程中污泥相和液相中TC-ARGs基因丰度削减的重要因素。
（2）污泥热水解过程中随着微生物细胞的破坏，DNA释放到液相，导致液相中TC-ARGs基因丰度升高，而且在pH=11的条件下会有更多的 TC-ARGs 释放到液相中，pH=3 的条件下释放到液相的TC-ARGs最少。
（3）不同初始 pH 条件下污泥热水解后，受到了不同程度的破坏，从胞内和胞外释放出不同数量的有机物（蛋白质、多糖和腐殖酸等）；在pH=11的条件下，大量的有机物释放到上清液中，而在pH=3条件下释放的有机物量最少。
（4）水热液中的多糖、蛋白质以及多糖和蛋白质复合组在不同pH 下对液相中的 ARGs 有复杂的影响，总体上，pH=3 时液相中的ARGs下降幅度最大，而在pH=7和11时液相ARGs去除效果较差，推测可能由于蛋白质和多糖对ARGs的削减有抑制作用；而液相中的美拉德产物对液相中ARGs的削减几乎无影响，且与美拉德产物的浓度也无相关性。同时，通过热水解后的上清液进行验证，证实了酸性条件下存在的有机物对DNA的保护作用较弱，导致液相残留较少的ARGs。此外，在不同初始 pH 条件下污泥热水解前后微生物结构分析表明，热水解后，在酸性条件下破坏TC-ARGs基因的宿主菌较多，导致污泥相中ARGs去除效率较高。
（5）相比单独地厌氧消化过程，热水解联合厌氧消化过程对泥相中的TC-ARGs有更好的削减作用，可见热水解预处理可进一步增强后续厌氧消化过程ARGs的削减；而且在pH=3热水解联合厌氧消化时TC-ARGs的削减效果最好，pH=11时削减效果最差。
（6）厌氧过程中存在泥相的TC-ARGs大量释放到液相的现象，厌氧消化40 d后，对照组液相中含有更高丰度的ARGs，尽管厌氧消化过程热水解污泥的投加会增加液相中ARGs的丰度，但在厌氧消化过程被有效的去除，且在pH=3热水解联合厌氧消化时液相含有最低的ARGs。
（7）污泥厌氧消化后微生物的丰富度和多样性均呈现出下降的趋势。厌氧消化反应40 d后，相比反应前优势菌种变少，主要包括厚壁菌门（ Firmicutes ）、变形菌门（ Proteobacteria ）、绿弯菌门（Chloroflexi）和拟杆菌门（Bacteroidetes），而且已经被报道酸杆菌门（Acidobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和拟杆菌门（Bacteroidetes）均是TC-ARGs的宿主，因此，厌氧消化后这些门的丰度的降低可能引起了TC-ARGs丰度的降低；此外，藤黄色单胞菌属（ Luteimonas ）、Dechloromonas 属和硝化螺菌属（Nitrospira）也被报道是TC-ARGs的宿主，且这些属水平上的ARGs宿主微生物在pH=3污泥热水解联合厌氧消化40 d后相对丰度最低，这表明pH=3的热水解污泥联合厌氧消化对ARGs的削减有更好的效果。