论文部分内容阅读
废水生物处理系统中的微生物通常包括细菌、古细菌和真核生物三大类,其中细菌对于污水处理起到关键的作用。抗生素生产废水含有高浓度的抗生素,残留抗生素在导致生物处理系统中抗药菌产生的同时,还可能通过食物链及生态系统中生物之间复杂的竞争、合作关系影响其它微生物例如真核生物和古细菌的消长。此外,不同类型的抗生素,如广谱/窄谱、抑菌/杀菌抗生素,对于细菌群落的组成可能也会产生不同的影响,从而影响抗生素生产废水的生物处理效果。
本课题以螺旋霉素、土霉素、硫酸链霉素等几种发酵类抗生素为主要对象,全面评价了不同抗生素废水的生物处理效果,并综合利用定量PCR、PCR-DGGE、克隆测序等分子生物学方法系统研究抗生素废水生物处理系统中的细菌、古细菌和真核生物微生物群落结构,取得了如下主要结果。
(1)螺旋霉素生产废水厌氧一好氧处理装置:螺旋霉素为窄谱抑菌药物,主要对革兰阳性球菌、杆菌及少数革兰阴性球菌生长有抑制作用,能通过厌氧处理得到有效去除(去除率为66.7％)。与同属发酵废水的肌苷废水处理系统相比,螺旋霉素废水的厌氧反应器中古细菌/细菌比例较高(16SrRNA基因拷贝数比,0.45±0.03;肌苷废水系统:0.28±0.01)。分子克隆结果显示,厌氧反应器的细菌群落中,产氢产酸菌梭菌Clostridium比例低(6.3%;肌苷废水系统:23.0%)而芽孢杆菌Bacillus比例高(34.6%;肌苷废水系统:0),同时,以Cl化合物为碳源的产甲烷古细菌较多(67.9%;肌苷废水系统:28.6%),而以乙酸为碳源的产甲烷古细菌较少(32.1%;肌苷废水系统:71.4%)。好氧反应器中真菌/细菌比例较高(18SrRNA与16SrRNA基因拷贝数比,0.12;肌苷废水系统:1.52×10-6),分子克隆结果显示好氧反应器中细菌群落以Alpha变形菌(18.5%)、绿弯菌Chloroflexi(11.1%)、酸杆菌Acidobacteria(9.3%)和Delta变形菌(5.6%)等革兰氏阴性杆菌或丝状菌为主,而Beta和Gamma变形菌(33.3%和1.9%)比例明显较低于肌苷废水(54.4%和18.8%)。上述结果表明,废水中残留的螺旋霉素作为窄谱抑菌抗生素对特定的细菌产生抑制,并使得古细菌和真菌的比例有所增加。
(2)土霉素生产废水好氧处理装置:土霉素作为广谱抑菌抗生素对多数革兰氏阴性菌有抑制作用,其在好氧反应器中去除率为67.2%。相比于螺旋霉素废水好氧处理系统,分子克隆结果表明土霉素废水好氧处理装置中Alpha变形菌(23.7%)、酸杆菌Acidobacteria(17.0%)的优势更明显,此外还包括拟杆菌Bacteroidetes(11.9%)和绿弯菌Chloroflexi(7.4%)等。由于残留广谱抑菌土霉素对细菌的强烈抑制,好氧处理装置中真菌/细菌的比例非常高(18SrDNA与16SrDNA基因拷贝数比,1.2),且真菌占真核生物的比例为32.5%(分子克隆结果),表明真菌可能对于土霉素废水的好氧处理起到重要的作用。
(3)硫酸链霉素为主抗生素混合废水厌氧—缺氧—好氧多级处理装置:硫酸链霉素为广谱杀菌药物,其在厌氧和缺氧反应器中的去除率为89.7%。在以硫酸链霉素为主的混合抗生素废水厌氧反应器中硫酸还原菌(SRB)高比例存在(＞65.5%,FISH分析结果),表明SRB可能对广谱杀菌药物具有较强的耐受性;在抗生素浓度较高(＞190 ugL-1)的好氧反应器中,真核生物占全菌的比例为33%(FISH结果),且真核生物中属于真菌的子囊菌广泛存在(89%,分子克隆结果),表明真菌中子囊菌可能对于CODcr的去除起到重要作用。随着抗生素浓度降低(23.80 ugL-1),好氧反应器中真核生物占全菌的比例下降(22.4-26.4%,FISH结果),且真核生物中属于真菌的子囊菌的比例减少(＜29%,分子克隆结果),捕食细菌的原生动物和以浮游生物为食的壶菌占真核生物的比例增加(＞71%,分子克隆结果),而Gamma变形菌(15.9-22.4%)的比例迅速上升,其与Beta变形菌(10.0-20.3%)等优势细菌可能在CODcr的去除中发挥重要的作用。MDS和Mantel检验表明抗生素显著影响了工艺流程中细菌群落的组成(p＜0.05)。
(4)几种抗生素废水生物处理系统中微生物群落特征比较:分子克隆结果表明,肌苷废水厌氧反应器中厚壁菌(Firmicutes,59.6%)的比例较高,其以未知厚壁菌(34.6%)和梭菌Clostridium为主(25.0%),其次是Beta变形菌(19.2%)和Gamma变形菌(7.7%)等。抗生素废水厌氧反应器中除螺旋霉素废水(61.9%)外,厚壁菌的比例均较少(＜17.6%),且产氢产乙酸菌梭菌Clostridium的比例随着抗生素抑菌范围和抑菌程度的增加而减少(＜6.3%);相反的,抗生素废水厌氧反应器中含有较多的De/ta变形菌(6.5-48.8%)、互养菌Synergistetes(2.6-33.3%)和放线菌Actinobacteria(5.2-7.8%)。抗生素废水厌氧反应器中相应的以Cl化合物为碳源的产甲烷古菌比例增加,细菌群落的变化可能会通过其与产甲烷古细菌间的合作、竞争关系而间接影响产甲烷古细菌的群落组成;与肌苷废水好氧反应器中Beta变形菌(54.4%)、Gamma变形菌(18.8%)和厚壁菌Firmicutes(12.3%)相比,抗生素废水好氧反应器中Beta变形菌(21.0-42.6%)、Gamma变形菌(1.8-6.8%)和厚壁菌Firmicutes(0.1-6%)的比例明显较低;当抗生素浓度高于敏感菌的最低抑菌浓度时,真菌/细菌在各好氧反应器中的比例(18SrDNA与16SrDNA基因拷贝数比)为:广谱杀菌硫酸链霉素为主抗生素混合废水(1.44)、广谱抑菌土霉素废水(1.2)、窄谱抑菌螺旋霉素废水(0.12)和肌苷废水(1.52×10-6)。抗生素对细菌的抑制作用越强,真核生物特别是真菌的比例会增加,并对于抗生素废水的处理起到重要的作用。