大薸对奶牛场废水中抗生素抗性基因的去除效果研究

来源 :东北农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sharufeifen
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随着我国奶牛养殖业的规模化发展,养殖过程产生的粪污给环境带来了巨大压力,尤其是奶牛场废水存在排放量大、成分复杂、处理利用难等问题,而且废水中含有的抗生素抗性基因(ARGs)会对环境造成潜在的危害。虽然奶牛场设置了厌氧、好氧等废水处理工艺,但是这些工艺设备成本和能耗非常高,而且依赖于微生物增殖的传统处理方法可能导致ARGs富集。因此,低成本高效率的植物处理技术受到人们广泛关注。漂浮植物“大薸”具有强大的吸收力和繁殖速度,因此被广泛的应用于净化多种污染水体。然而目前关于大薸对高浓度畜禽废水耐受性和净化效果的研究十分缺乏,因此,本文以大薸为研究对象,通过模拟试验研究了大薸对废水中氮磷营养元素及有机物的耐受性及其净化效果;阐明不同种类ARGs在大薸处理牛场废水过程中的消长规律,解析不同因子对ARGs变化的驱动作用。主要结论如下:(1)随着氮磷和有机物胁迫浓度的增高,大薸生物量呈现先升高后降低的趋势,大薸体内的3种抗氧化酶活性和叶绿素含量在胁迫下呈现先上升后降低的趋势,其对氮、磷、化学需氧量(CODcr)的耐受浓度分别为50、35和2500 mg/L,且氮和磷两种元素的急性致死浓度(培养3 d内死亡)均为200 mg/L。对于奶牛场3种实际废水中的常规污染物,大薸整体呈现良好的净化效果。在原水(调节池废水)中的生长效率最高,其对总氮(TN)、氨氮、总磷(TP)和CODcr的去除率分别为84~92%、90~96%、30~93%、67~77%,而对于厌氧和氧化塘出水净化效果略有下降。(2)本研究选定的六大类16种ARGs以及3种MGEs在3种奶牛场废水中普遍存在,相对丰度占比从大到小为MGEs(70.98%)>str-ARGs(12.96%)>sul-ARGs(8.99%)>te t-ARGs(4.11%)>bla-ARGs(2.30%)。在大薸处理不同牛场废水过程中,大部分ARGs的绝对丰度呈现正去除效果。在原水和氧化塘废水中大薸对16种ARGs均呈现正去除效果,绝对丰度(lg值)分别下降0.25(erm A和fex A)~3.66(bla TEM-1)和0.61(ISCR1)~3.51(str B);在大薸处理低浓度厌氧废水时,16种ARGs及MGEs均呈现正去除效果,绝对丰度(lg值)下降0.09(fex A)~4.07(str B),而在大薸处理高浓度厌氧废水时,仅有9/16的ARGs呈现正去除。(3)利用高通量测序技术分析大薸处理前后废水中微生物群落的变化规律,结果表明,3种废水经20 d处理后,其OTU单元个数以及特有OTU单元个数明显高于无植物处理组,通过Alpha多样性表明经大薸处理的废水中微生物的多样性及丰度均升高,且Beta多样性显示大薸处理与无植物处理的废水中微生物群落差异性显著;在门水平上,微生物以Prote obacteria(32.01~73.78%)、Firmicutes(9.63~33.48%)、Bacteroidetes(5.93~20.03%)和Actinobacteriota(0.72~5.80%)为主,在属水平上,微生物以uncultured、Acinetobacter、unidentified和Rombsia为主。经大薸处理后Proteobacteria和Firmicutes相对丰度下降,而Bacteroidetes和Actinobacteriota相对丰度上升,且无植物处理中Cyanobacteria的相对丰度有所上升(上升幅度可达50.52%),在属水平上,经大薸处理后未知菌属uncultured和u nidentified的相对丰度可分别提高11.65%和17.85%,而Acinetobacter和Rombsia的相对丰度下降,值得注意的是大薸处理低浓度原水和氧化塘废水后Flavobacterium菌属上升12.9~13.9%。(4)对ARGs变化的主要驱动因子分析结果表明,优势菌门和菌属结合环境因子(氮磷含量、CODcr、p H和EC)对ARGs变化的解释率分别为77.67%和78.57%,通过网络分析得出ARGs的相对丰度的变化与环境因子中TP和微生物群落中变形杆菌对ARGs变化的解释率最大,由此可以得出,大薸对ARGs的去除是通过微生物变化和环境因子改变等多种作用共同驱动的。
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