抗生素和纳米铜对厌氧氨氧化系统的综合效应研究

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抗生素广泛应用于畜禽养殖业,废水中高浓度抗生素具有较强的生物毒性,其诱导的抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)和抗生素抗性细菌(Antibiotic resistant bacteria,ARB)已被列为新型污染物。此外,畜禽养殖废水中还含有高浓度的氨氮和重金属,处理不当会对周围环境甚至人体健康造成很高的风险。而传统生物处理工艺很难在重金属和抗生素的胁迫下去除高浓度的氮素,厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation,Anammox)工艺作为一种高效低耗的新型生物脱氮工艺,在畜禽养殖废水处理领域备受关注。然而,其中的功能细菌——厌氧氨氧化菌的活性易受到抗生素和重金属等污染物的干扰。想要进一步推广anammox工艺的实际应用首先要解决典型污染物对功能菌群的抑制问题。目前,实际畜禽养殖废水中的污染物类型繁多,本研究以抗生素和重金属两类典型污染物为对象,模拟实际工况条件下anammox工艺的运行,得到的主要结果如下:(1)逐步提高抗生素浓度可有效驯化anammox菌群对抗生素的耐受性,保障anammox工艺在螺旋霉素(Spiramycin,SPM)和链霉素(Streptomycin,STM)胁迫下的稳定运行。从脱氮效果来看,0.5 mg L-1的SPM和5 mg L-1的STM可作为anammox工艺在抗生素长期抑制下的临界浓度。高浓度的SPM和STM虽然对anammox工艺有抑制作用,但这种抑制效应是可恢复的,且随着抗生素浓度的不断提高,其恢复期不断缩短,最终可处理的SPM和STM浓度分别高达5.0 mg L-1和50 mg L-1。这种驯化方式有利于anammox工艺可处理复合抗生素废水。同时,蛋白和多糖比例(Protein/Polysaccharide,PN/PS)上升说明anammox污泥的颗粒稳定性也在不断提高。该驯化方式可优化系统中微生物群落结,作为系统中主要的(Anaerobic ammonia oxidation bacteria,An AOB),Candidatus Kuenenia的丰度在整个运行过程基本保持稳定,进一步验证了该驯化方式的优越性。该部分研究从反应器性能、污泥颗粒特性和微生物群落结构等方面综合评价了anammox工艺处理含抗生素废水的可行性。(2)抗生素预暴露的anammox污泥对纳米铜(Copper nanoparticles,Cu NPs)的胁迫更为敏感。相较于普通anammox污泥,5 mg L-1的Cu NPs对抗生素预暴露的anammox污泥的抑制效果更为显著,且反应器恶化的时间比对照组反应器提前了5天。Cu NPs投加25天后,抗生素预暴露的anammox污泥所在反应器的出水中的NH4+-N和NO2--N分别高达148.6 mg L-1和117.5 mg L-1,尽管如此,停止投加Cu NPs后,系统脱氮性能仍可在短期内快速恢复。在微观水平,Cu NPs的添加导致两种anammox污泥的微生物群落的丰富度明显低于初始水平,但停止投加Cu NPs后,两种污泥的微生物群落的多样性和丰富度又恢复甚至超过了初始水平。两种污泥对Cu NPs胁迫的响应程度不同,表明种泥来源对厌氧氨氧化工艺的稳定运行至关重要,可为实际污水处理厂的运行提供理论指导。(3)Cu NPs通过共选择机制驱动int I1介导的ARGs和cop A在微生物之间的水平转移。在Cu NPs的刺激下,普通anammox污泥和抗生素预暴露的anammox污泥的STM抗性基因(aac6ib、aph6id、aad A和aad B)和SPM抗性基因(ere A、erm B、erm F和erm Q)丰度均增加1-2个数量级,抗生素预暴露的anammox污泥尤为显著。此外,铜抗性基因(cop A)和int I1丰度也大幅度增加。网络分析表明,ARGs和cop A与int I1显著相关,说明在ARGs和cop A在anammox系统中传播主要是int I1介导的。
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