氨苄青霉素对海洋厌氧氨氧化菌脱氮性能的影响研究

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海洋厌氧氨氧化菌(MAB),因其具有的耐盐特性和低温耐性,在高盐废水的脱氮处理方面具有明显优势,然而MAB对于多种抑制因子(重金属离子及抗生素等)的敏感性导致了其在大规模工程应用中受到限制。氨苄青霉素(AMP)是一种常见的广谱β-内酰胺类抗生素,具有生产成本低、抑菌效果好、生物毒性弱等优点,在医疗卫生、渔业、水产及海产养殖等领域被广泛且大量的使用,然而关于氨苄青霉素对MAB脱氮性能的影响却鲜有报道。本实验采用序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)首次研究了氨苄青霉素对MAB处理高盐废水的影响。实验结果表明,在氨苄青霉素的胁迫下,反应器中发生细胞裂解,混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)一度降低至1.677 g/L,而胞外聚合物(EPS),如蛋白质和多糖,其含量分别上升至325.50和111.81 mg/g VSS。最终,在高浓度氨苄青霉素(300mg/L)的长期抑制下,反应器的脱氮性能明显降低且无法自行恢复,总氮去除负荷(NRR)和比厌氧氨氧化活性(SAA)分别降至0.17 kg N m-3·d-1和101.86 mg N g-1VSS·d-1,氮去除率降至55%。修正的Boltzmann模型能够较好地描述高浓度氨苄青霉素抑制下反应器的脱氮过程。氨苄青霉素的长期投加还导致了反应器中的微生物群落结构的变化。Pseudoalteromona的丰度上升至38.13%,代替了丰度为23.81%的Candidatus Scalindua(MAB)占据反应器中的主导地位,而其他参与脱氮过程的细菌,如Caldithrix和Marinicella的丰度则大幅降低。另外,为了研究抗生素抗性基因(ARGs)的丰度的变化,选择13种β-内酰胺类ARGs进行实时荧光定量PCR(qPCR)分析,结果表明在氨苄青霉素的长期抑制下,被检测的ARGs总相对丰度从0.16‰上升至0.24‰。TEM类抗性基因是检出的ARGs中的主要类别,占比可达70%以上。而在持续的氨苄青霉素抑制下,AmpC类及CTX-M类抗性基因的相对丰度由于其具有的通过质粒进行种间传播的特性而快速上升。此外,在周期200之后投加不同量的七水硫酸锌研究Zn(Ⅱ)对氨苄青霉素抑制下的菌群脱氮恢复性能。当Zn(Ⅱ)浓度为6 mg/L时,其对反应器性能恢复的促进效果达到最大值,NRR可恢复至0.72 kg N m-3·d-1,而更高的Zn(Ⅱ)浓度可能会导致与氨苄青霉素的联合毒性,导致反应器性能恶化。在Zn(Ⅱ)浓度为12 mg/L时,NRR迅速降低至0.14 kg N m-3·d-1。这一研究可能为受氨苄青霉素长期抑制的海洋厌氧氨氧化菌的恢复策略提供新的思路。
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