硫酸盐还原菌介导下土霉素降解耦合脱氮的研究

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水产养殖废水中含有较高浓度的土霉素(OTC)和硝酸盐,在传统生物处理过程中,反硝化菌对抗生素较强的敏感性和较低的降解能力直接限制了其对硝态氮和抗生素的协同去除。因此,探究如何同步高效去除土霉素和硝酸盐迫在眉睫。硫酸盐还原菌(SRB)作为自然界中广泛存在的厌氧菌,拥有多种降解抗生素等难降解有机污染物的特异性酶、比反硝化菌更低的氧化还原电位,同时,部分SRB也具有反硝化的功能。基于此,提出SRB介导下OTC降解耦合脱氮的研究。本研究构建上流式厌氧生物反应器,利用SRB处理含OTC和硝酸盐的合成废水。反应器成功启动后,考察反应器在不同驯化条件下的运行效能和OTC对SRB污泥的影响,同时通过批处理实验考察硫还原共代谢降解OTC耦合脱氮的机理,并对降解产物的毒性进行分析。具体结果如下:(1)通过对启动和驯化阶段反应器的运行效能进行测定,分析SRB同步去除OTC和硝酸盐的可行性。结果表明:随着硫酸盐的添加,SRB的OTC降解效率显著提高,运行稳定后,反应器对10 mg/L OTC的去除率可达81.0±0.5%。但随着硝酸盐的进一步添加,SRB对OTC的去除率降低到61.0±0.8%,但经过驯化,SRB对OTC和硝酸盐的去除率分别达到76.1±0.4%和98.0±1.6%,实现了SRB介导下OTC和硝酸盐的同步去除。(2)通过批处理实验分析OTC驯化对SRB的影响。实验结果表明,OTC的引入促进了硫还原产物中零价硫(S~0)的氧化,同时增强了EPS中类络氨酸蛋白的合成;此外,OTC的介入还能促进甲酸脱氢酶活性,提高NADH再生能力,进而提高SRB的电子传递效率;并且,ATP酶活性和谷胱甘肽过氧化物酶活性都表现出不同程度的增强。(3)通过酶抑制实验和硫还原产物替代实验得出:OTC在腺苷-5-磷酰硫酸还原酶和细胞色素P450酶的作用下发生酶解,在硫还原产生的腺苷-5-磷酰硫酸和S~0的氧化还原过程中发生非生物降解。通过电子流平衡计算和毒性抑制实验得出:由于具有较低的吉布斯自由能和较高的氧化还原电位,硝酸盐还原比硫酸盐更具竞争优势,而增加电子供体可以实现OTC和硝酸盐的同步去除。此外,在该反应体系中OTC通过水解、脱水、氧化(去甲基化、脱氨化、羟基化、去饱和)和还原(断环化、去羟化)反应形成了毒性较低的代谢产物。(4)通过测定污泥的16S RNA分析群落结构的组成和变化。结果表明,OTC驯化后的SRB表现出更高的种属多样性,且硫氧化菌(SOB)的丰度提高。而硝酸盐的引入使反应体系中的OTC降解优势菌属由Desulfovibrio转变为Comamonas和Synergistaceae。
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