不同植物影响生物滞留池去除四环素的效能及机制研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zxzwo
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目前,抗生素污染是全球面临的迫在眉睫的环境问题,其中四环素(Tetracycline,TC)作为检出率较高的抗生素之一,在常规污水处理工艺中难以得到有效去除,对环境和人体健康造成潜在威胁。与其他生态污水处理系统相比,生物滞留池(Bioretention cell,BRC)具有运行稳定、除污效能良好以及改造组配灵活等优点,在污水深度处理中发挥着重要作用。目前,植物对BRC系统的影响研究局限于对常规污染物的去除效果分析,缺乏针对抗生素的去除研究。因此,开展不同植物对BRC系统处理TC的影响研究,对进一步拓展BRC除污领域以及提升对目标污染物的去除效果都具有重要的现实意义。本实验选取三种植物:菖蒲(Acorus calamus,AC)、虉草(Phalaris arundinacea,PA)和芦苇(phragmites communis,PC),构建了8个反应器:R1AC、R2PA、R3(空白对照,无植物)、R4PC、R5AC、R6PA、R7PC和R8(空白对照,无植物),间歇运行21周,探究了植物在较低浓度(0.1 mg/L和0.6 mg/L)和较高浓度(1.2 mg/L和1.8 mg/L)TC进水条件下对BRC除污效能的影响作用和去除机制。主要的研究内容和结论如下:(1)通过检测不同系统在4种TC进水浓度下TC、COD、TN、NH4+-N和TP的出水浓度,探究了不同植物对BRC去除TC的影响规律以及TC进水浓度变化对常规污染物的胁迫作用。结果显示:各BRC系统对TC有稳定且显著的去除效果,植物BRC系统去除效果均高于无植物BRC系统,三种植物BRC系统对TC的平均去除性能为虉草>菖蒲>芦苇,并且虉草BRC系统对TC保持较高去除性能的阈值可达1.8 mg/L。相较于其他两种植物,虉草BRC系统内,0.1 mg/L TC进水对TN的去除有明显的促进作用,TC进水浓度分别提升至0.6 mg/L和1.2mg/L时对TN的去除有轻微抑制作用,但TC进水浓度为1.8 mg/L时对TN的去除又恢复了促进效应;4种TC进水对系统内NH4+-N的去除均有不同程度的促进作用,且虉草BRC系统在1.8 mg/L TC进水条件下去除效果最佳;4种TC进水浓度对COD和TP的去除均呈现促进作用,致使系统对COD和TP均保持较高的去除率。(2)通过植物富集TC实验和高通量测序实验,比较分析了植物对TC的富集能力以及不同系统内微生物群落组成的差异,以此探究不同植物对BRC去除TC的影响机制。结果显示:菖蒲地上部分(茎叶)是TC富集的主要场所,而虉草和芦苇地下部分(根系)是TC富集的主要场所。植物BRC系统中优势菌门的相对丰度之和高于无植物BRC系统,且植物BRC系统中存在大量Saccharibacteria和Nitrospirae菌门,证实了植物BRC系统具有更高效的除污效能和显著的脱氮效率。与无植物BRC系统相比,植物BRC系统中存在的Sphingomonas、Thermomonas和Dechloromonas菌属相对丰度之和也较高,进一步说明了植物BRC系统对常规污染物和TC有显著的除污效能,且各BRC系统内均发现一定比例的Dechloromonas,可以解释各系统对TC有显著去除效果,也说明了BRC系统在应对一定浓度四环素冲击时具有抵御性。芦苇BRC系统在0.1mg/L TC进水条件下TC的去除过程中微生物发挥了主要作用;菖蒲BRC系统在0.6 mg/L TC进水条件下TC的去除过程中植物发挥了主要作用;相较于其他两种植物,虉草BRC系统在较高浓度TC进水条件下TC的去除过程中植物发挥了主要作用。本研究批次实验表明,相较于无植物BRC系统,植物BRC系统对TC均有相对较高的去除效能,特别是虉草BRC系统可以耐受较高浓度TC(1.8 mg/L)。研究明确了植物在BRC系统去除TC过程中扮演的重要角色,通过植物优化系统对抗生素的去除效能,为BRC系统提供了数据支撑和技术路径。
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