厌氧氨氧化工艺对不同投加方式的螺旋霉素和链霉素的响应

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厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,anammox)因其低成本、产泥量少等优点在废水脱氮领域的应用越来越引起公众关注,但它也具有细胞产率低、易受外界不良环境干扰的缺点。特别处理实际废水时,水质中含有多种厌氧氨氧化反应的抑制物,例如目前环境中广泛存在的抗生素,限制厌氧氨氧化工艺的广泛应用。大量的残留抗生素给周围环境造成巨大的选择压力,诱导抗生素抗性细菌(Antibiotic resistance bacteria,ARB)和抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的产生,导致污染风险的提高。根据环境中的复杂抗生素及其浓度的多变情况,本研究通过在实验室建立三组升流式厌氧污泥床反应器(Upflow anaerobic sludge blanket,UASB)R1、R2和R3,从反应器综合性能、微生物群落和关键基因等方面评估厌氧氨氧化工艺对不同暴露策略下典型抗生素的响应:R1中的梯度升高螺旋霉素浓度;R2中的反复暴露高浓度螺旋霉素;R3中链霉素和螺旋霉素先后暴露。本实验研究了工艺性能、关键基因和菌群等方面在三种不同策略条件下的变化情况。在研究螺旋霉素梯度浓度暴露对厌氧氨氧化菌群的影响的过程中,通过对反应器的工艺性能监测发现,0.5 mg L-1的螺旋霉素对厌氧氨氧化工艺的脱氮性能没有明显影响,但是发现抗性基因和int I1的丰度增加,相关性分析表明int I1促进了抗性基因的水平转移。厌氧氨氧化相关功能基因hzs A和hdh的丰度均呈先降低后上升的趋势。厌氧氨氧化菌(An AOB)可以适应低浓度(<1 mg L-1)的螺旋霉素,而高浓度(≥3 mg L-1)的螺旋霉素对其具有抑制作用。另外,随着螺旋霉素的投加,反应器性能的恢复需要不同的时间。Alpha多样性分析结果表明,螺旋霉素降低了厌氧氨氧化系统的多样性。另外,螺旋霉素改变了污泥的菌群结构,增加了污泥中螺旋霉素抗性基因的丰度。在研究高浓度螺旋霉素重复暴露对厌氧氨氧化菌群的影响的过程中,通过对反应器的工艺性能监测发现,5 mg L-1螺旋霉素显著抑制了R2的性能。Planctomycetes的相对丰度随着5 mg L-1的螺旋霉素的添加持续降低,并在第105天降至15.41%。首次暴露于5 mg L-1螺旋霉素时,R1的脱氮性能可以在很短的时间内自我恢复,而R2需要更长的时间才能恢复至较高水平。长期的螺旋霉素暴露使R2承受更大的抗生素负荷。Alpha多样性分析表明,R2的多样性和丰富度低于R1,int I1促进了两个反应器中抗性基因的水平转移。菌群分析表明螺旋霉素会改变菌群结构,降低厌氧氨氧化菌群的多样性。R2的工艺性能波动更大,R1相对稳定。在研究链霉素与螺旋霉素先后暴露对厌氧氨氧化菌群的影响的过程中,发现链霉素的暴露虽然对反应器的工艺性能没有带来影响,但是降低了厌氧氨氧化污泥的活性,增加了R3中污泥中链霉素抗性基因的丰度。在后续投加螺旋霉素时,发现螺旋霉素抗性基因增加的同时,也导致链霉素抗性基因产生增多的趋势。链霉素预暴露后的R3对梯度增加浓度的螺旋霉素具有更好的抗性。结果表明,梯度提高抗生素浓度的控制策略可能更有效地提高厌氧氨氧化工艺对高浓度抗生素的耐受性。在链霉素和螺旋霉素先后投加策略中,螺旋霉素促进了链霉素抗性基因的水平转移,链霉素预暴露后的R3对梯度增加浓度的螺旋霉素具有更好的抗性。本实验通过研究抗生素对厌氧氨氧化系统的影响,为厌氧氨氧化工艺处理含抗生素废水的稳定运行提供理论指导。
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