大环内酯类抗生素对Anammox脱氮性能的影响及机理研究

来源 :湘潭大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangyang_8591
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厌氧氨氧化(Anammox)作为一类低能耗、可持续的高效生物脱氮技术,在氨氮废水处理领域有着广阔的前景。但厌氧氨氧化菌(AAOB)的环境敏感性及实际氨氮废水中广泛存在的抗生素等典型抑制剂限制了Anammox工艺的工程应用。因此,本文先以课题组现有的Anammox污泥混培物为基础,通过进一步富集培养获得活性更高的AAOB;在此基础上,研究了大环内酯类抗生素替米考星(TIL)和螺旋霉素(SPM)在短期和长期两种体系下对Anammox工艺脱氮性能的影响。并通过对Anammox污泥的EPS成分分析、代谢关键酶活检测、微生物菌群转化、功能基因及抗生素抗性基因(ARGs)的响应等多层面解析了TIL与SPM对Anammox的抑制机理,主要结论如下:(1)采用逐步提高进水氮负荷的方式,通过128天的培养,获得了高活性的AAOB。在2.61kg N/m3/d的容积氮负荷(NLR)中温体系下,氨氮亚硝氮的去除率分别达到了98.7%和99.2%,△NO2--N:△NO3--N:△NH4+-N化学计量比接近1.32:0.26:1,富集所得Anammox污泥以特有的砖红色颗粒为主。(2)随两种抗生素浓度的增加,对Anammox脱氮性能的抑制效果越显著。通过脱氮条件优化得到:批次实验初始污泥浓度为2g VSS/L、初始基质浓度为80mg/L。抗生素浓度≤100mg/L的短期作用对Anammox无明显影响;而当TIL和SPM浓度为200-1000mg/L时,氨氮去除率分别下降了11.58-53.72%和37.43-64.20%,最大抑制下,Anammox污泥的脱氮能力至少降低一半。在≤5mg/L的抗生素长期影响下,对Anammox反应器脱氮性能的抑制效果能在几天内恢复;而20mg/L的TIL和SPM长期抑制下,反应器出现失稳,出水总氮(TN)浓度高达147.81和203.09mg/L,氮去除负荷(NRR)跌至和0.79及0.69kg N/m3/d。SPM对Anammox脱氮的整体抑制效果强于TIL。(3)AAOB通过增加EPS分泌在一定程度上可以抵御大环内酯类抗生素的抑制。抗生素短期影响和≤1mg/L的长期影响下,EPS含量最高增至50.81和77.66mg/g VSS,EPS(PN)大量分泌在细胞表面来缓解抗生素的生物毒性。当TIL或SPM长期作用浓度为20mg/L时,EPS最终含量降为初始水平的74.17和58.70%,TIL或SPM会进入细胞与核糖体上特异性靶位点不可逆结合,导致特定蛋白质合成受到抑制。对EPS进行3D-EEM扫描发现,随抗生素浓度的增长,微生物代谢和衰亡产物对应峰的荧光强度增大,存在累积毒性抑制;SPM长期影响下富里酸类物质荧光峰逐渐消失,可致细胞供能不足并抑制菌体活性。(4)两种抗生素在短期和长期对Anammox代谢关键酶活及辅酶Heme c的抑制不同。1000mg/L的TIL或SPM短期都会对亚硝酸还原酶(Ni R)、联氨合成酶(HZS)、联氨氧化酶(HZO)及辅酶Heme c四种酶的活性产生抑制,但SPM主要对亚硝酸还原酶(Nir)影响最大,其活性衰减了42.38%,而TIL则主要影响联氨氧化酶(HZO),其活性降低了32.88%;而20mg/L的TIL或SPM长期影响时,SPM仍以影响亚硝酸还原酶(Ni R)为主,但TIL主要抑制联氨合成酶(HZS)和联氨氧化酶(HZO)。(5)TIL或SPM的长期作用对微生物群落结构影响显著。当TIL或SPM浓度为20mg/L时,Simpson指数分别上升了44.0及88.9%,物种多样性下降;而浮霉菌门Planctomycetes的丰度分别降至13.11%和10.52%,厌氧氨氧化优势菌Candidatus_Brocadia丰度显著降低;冗余分析(RDA)表明随抗生素浓度升高反应器内微生物菌群结构差异变大,其中Limnobacter丰度与抗生素浓度呈正相关,很可能为潜在抗性菌群,而Candidatus_Jettenia则只对SPM有较好的耐受力。(6)两种抗生素长期作用下,Anammox功能基因及抗生素抗性基因(ARGs)的响应与其浓度有关。当抗生素浓度≤1mg/L时,通过提高功能基因nir S、hzs A、hzo和erm F抗性基因的丰度来减轻抑制;而当抗生素浓度为20mg/L时会持续毒害AAOB,造成功能基因丰度下降及erm F表达受限。其中TIL会导致hzs A与hzo基因丰度较初始水平下降了23.96%和31.02%,限制了联氨合成和氧化,而SPM主要影响nir S和hzo基因丰度,分别降低了36.65%和46.16%,抑制了亚硝氮还原成NO和联氨氧化过程,且其erm F丰度也降低了46.16%;SPM在基因层面的综合抑制效果更显著。
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