高盐四环素条件下人工强化硫酸盐还原系统降解污染物特性研究

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随着海产品需求量的日益增加,含有包含四环素在内的抗生素高盐养殖废水流入海洋。另外,常规污水处理厂对抗生素的处理能力较弱,沿海城市圈产生的生产生活废水也最终汇入近岸海域,并富集于底泥中,严重威胁近海生态环境。因此,采用人工强化的方法处理高盐环境下的四环素废水,并研究其中多元污染物的降解转化特性,对海洋新兴有机污染物的防治具有重要的现实意义。研究利用驯化得到的硫酸盐还原系统吸附并生物降解高盐废水中的四环素;基于吸附动力学模型和等温吸附模型考察不同四环素(TC)浓度和不同暴露时间的条件下四环素的去除特性;分析不同TC浓度条件下硫酸盐(SO42-)和有机物(TOC)的转化机制;基于16s r DNA高通量测序技术,研究反应系统微生物群落特征、功能菌和功能基因的分布规律。得出以下主要结论:(1)生物降解和吸附共同作用下活性污泥对TC的去除率可达75.8%-85%;失活活性污泥对TC的吸附在145h时达到吸附平衡,去除率达90.1%-96.2%,且TC吸附去除率与TC浓度成负相关;吸附平衡时,失活活性污泥对TC的吸附能力大于活性污泥对TC的去除能力,硫酸盐还原活性污泥系统对TC的去除以吸附作用为主,生物降解作用占比较小;活性污泥和失活活性污泥对TC的去除过程分别更符合准二级动力学模型(R~2>0.84)和准一级动力学模型(R~2>0.96);两种活性污泥中TC的吸附去除是物理吸附与化学吸附共同作用的结果,且以单分子层吸附为主、多层吸附为辅;失活活性污泥的吸附速率大于活性污泥。(2)活性污泥在TC浓度不高于8mg/L的环境下可高效去除碳、硫污染物,各组SO42-和TOC去除率分别高于90%和70%;较低浓度0.5-5mg/L的TC促进了SRB对碳源的利用;较高浓度8mg/L的TC却会削弱活性污泥对SO42-和有机物的转化能力;TC暴露时间对微生物群落结构变化的影响大于TC浓度变化产生的影响;TC的存在与否对微生物群落结构变化的影响大于TC浓度的影响;Synergistetes、Firmicutes、Bacteroidetes和Proteobacteria为系统内的优势菌门,TC加入后系统内主导反应依旧为硫酸盐还原反应。(3)Thermovirga、Dethiosulfatibacter、Dethiosulfovibrio和Desulfobacter等四种SRB为系统中的优势功能菌,对TC生境敏感度不同,Thermovirga和Dethiosulfatibacter对8mg/L的TC适应性较0.5-5mg/L的强,而Desulfobacter和Dethiosulfovibrio对0.5-5mg/L的TC适应性更强;系统内的水解发酵菌和部分产酸菌比产甲烷菌更容易受较高浓度TC的抑制;系统内的功能基因主要有cys NC等8种与同化硫酸盐还原反应相关的基因,以及dsr A等6种与异化硫酸盐还原反应相关的基因,前者相对丰度均高于后者,随着时间的推移,前者相对丰度下降而后者相对丰度明显升高,表明SO42-还原为S2-的主要方式为同化硫酸盐还原反应,但随着微生物群落结构的逐渐稳定,异化硫酸盐还原作用有所增强。本研究揭示了高盐条件下TC和硫、碳污染物在硫酸盐还原活性污泥系统中的去除机理和转化途径,可为海洋生态环境的修复提供有力的科学依据。
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