不同导电纳米材料对污泥厌氧消化性能和抗性基因削减的影响研究

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厌氧消化是污水处理厂处理污泥的重要手段之一,污泥中除了含有大量的有机质之外,还含有不容忽视的抗生素和抗性基因,如果不将这些污泥进行有效处理就直接排放,会对环境安全造成一定的风险,水平基因转移是导致污泥中抗性基因传播风险提高的重要原因。研究表明污泥厌氧消化技术在一定程度上有助于污泥中抗性基因丰度的削减。投加添加剂已经成为改善污泥厌氧消化性能的一种广泛应用的方法,纳米材料是目前增强厌氧消化性能最主要的添加剂之一。本文通过为期36天的发酵实验,结合实时荧光定量PCR(RT-qPCR)和16S rRNA扩增子测序等分子生物学手段,探究了四种导电纳米材料(纳米碳粉,纳米Al2O3,纳米Zn O,纳米Cu O)对污泥厌氧消化性能、微生物群落结构的多样性和丰富度以及抗性基因可移动基因元件丰度的影响。(1)探讨了四种导电纳米材料如何影响厌氧消化性能(四种导电纳米材料的投加量都是50.0 mg g-1 TS)。结果表明纳米碳粉和纳米Al2O3的添加分别使沼气产量提高了16.9%和23.4%,但是添加纳米Zn O和纳米Cu O的沼气产量分别降低了90.2%和17.3%。纳米碳粉和纳米Al2O3的添加分别使污泥的总固体的去除效率提高了38.73%和27.11%,但纳米Zn O和纳米Cu O的添加却使总固体去除率降低了70.67%和43.70%。(2)动力学分析表明,四种导电纳米材料均可以缩短厌氧消化污泥的滞后期,平均缩短率为51.75%。(3)通过16S rRNA扩增子测序结果表明广古菌门是每组反应器中所有门中最丰富的门,甲烷丝菌属是最主要的古菌属,在纳米碳粉和纳米Al2O3反应器中富集了甲烷丝菌属,五组反应器中细菌群落的主要门是厚壁菌门。纳米碳粉和纳米Al2O3的添加对古菌群落的多样性和丰富度有积极影响,然而,纳米Zn O和纳米Cu O的加入对微生物群落多样性和丰富度有明显的负面影响,其中纳米Zn O的存在对古菌群落丰富度和多样性具有最大的负面影响。(4)冗余分析表明甲烷丝菌属与沼气产量之间存在着很强的相关性,梭菌属,纤绳菌属,互营单胞菌属和长绳菌属与p H值和沼气产量间具有明显的关系,属于厚壁菌门和绿弯菌门的属有助于产甲烷过程。(5)采用RT-qPCR技术来表征厌氧消化系统中抗性基因的可移动基因元件丰度的变化,结果表明四种导电纳米材料的添加富集了厌氧消化过程Int I-1、tnp A-01、tnp A-02、tnp A-04、tnp A-05和tnp A-07的相对丰度,而纳米Cu O反应器中IS613相对丰度的削减率提高了9.19%,说明纳米Cu O的添加可能会降低厌氧消化反应器中基因水平转移的可能性,纳米Cu O可能有提高厌氧消化过程抗性基因削减效率的潜力。
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