抗生素胁迫下同步异养硝化好氧反硝化工艺脱氮除碳效能研究

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本实验以海洋异养硝化好氧反硝化菌为基础建立序批式反应器,通过分别向高盐废水中投加氨苄青霉素和混合抗生素(氨苄青霉素、磺胺甲恶唑、四环素),研究并分析了在不同抗生素胁迫下同步异养硝化好氧反硝化工艺的脱氮除碳效能及其抗生素抗性基因的响应机制,取得了以下结果:研究了在氨苄青霉素胁迫下,同步异养硝化好氧反硝化工艺处理高盐废水的脱氮除碳特性和抗生素抗性基因响应,并分析了海洋同步异养硝化好氧反硝化菌细胞生理状态及胞内物质的变化特征。结果表明,当氨苄青霉素浓度不超过10 mg/L时,同步异养硝化好氧反硝化有着高效的脱氮除碳性能,其氮去除率(NRR)和有机物去除率(ORR)分别高于0.76和6.83 kg/(m3·d)。氨苄青霉素对海洋同步异养硝化好氧反硝化菌的半抑制浓度为50 mg/L。随着氨苄青霉素浓度的升高,反应器中的β-内酰胺类抗性基因的相对丰度呈先下降后上的趋势。在10 mg/L氨苄青霉素时,抗性基因相对丰度最低为8.53×10-5 copies/16s rRNA。与不投加氨苄青霉素相比,50mg/L氨苄青霉素时的亚型抗生素抗性基因的数量和相对丰度分别增长了2.5倍和13.6倍。海洋同步异养硝化好氧反硝化菌中β-内酰胺类抗性基因作用顺序为:超广谱型>金属型>AmpC型。此外,氨苄青霉素刺激过量活性氧的产生,引起海洋同步异养硝化好氧反硝化细菌的细胞凋亡。在50 mg/L氨苄青霉素时,活性氧和细胞凋亡量分别增加了47.9%和367.5%。氨苄青霉素促进了胞外聚合物的产生,提高了同步异养硝化好氧反硝化工艺的污泥沉降能力。研究了在混合青霉素胁迫下,同步异养硝化好氧反硝化工艺处理高盐废水的脱氮除碳特性和抗生素抗性基因响应。结果表明,当各抗生素浓度不高于12 mg/L时,海洋异养硝化好氧反硝化菌有着高效的脱氮除碳能力,NRR和ORR分别为0.71和7.06 kg/(m3·d)。在各抗生素浓度为48 mg/L时,海洋异养硝化好氧反硝化菌活性受到明显抑制。随着高盐废水中抗生素浓度的升高,同步异养硝化好氧反硝化中抗性基因呈现先上升后下降的趋势。在各抗生素浓度为24 mg/L时,抗性基因绝对丰度到达最高为1.30×1011 copies/mg。其中,磺胺类和四环素类抗性基因存在对抗生素的共同基因响应机制。海洋异养硝化好氧反硝化菌中的抗生素抗性基因作用顺序为:磺胺类>四环素类>β-内酰胺类。此外,抗生素的投加能够刺激海洋同步异养硝化好氧反硝化菌产生大量的胞外聚合物。
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