论文部分内容阅读
剩余污泥具有较高的有机物含量,有机物的水解是制约污泥降解的关键因素。同时污泥又是抗生素抗性基因至关重要的载体,易导致抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes,ARGs）的转移和扩增,如果不处理妥当,会威胁公共安全。目前应用的污泥降解技术存在一定的局限性,不足以达到同时高效降解污泥中的有机物和抗生素抗性基因的效果。本研究制备了一种TiO2纳米管材料,基于TiO2纳米管优异的光化学性能以及便于分离和回收的优势,将其用于污泥的光催化降解,研究污泥有机物和ARGs的降解效能。分析了TiO2纳米管光催化降解污泥可溶性化学需氧量（Soluble chemical oxygen demand,SCOD）、可溶性多糖、可溶性蛋白质、可溶性氨氮的浓度变化,揭示了TiO2纳米管光催化降解污泥中有机物的效能;解析了TiO2纳米管光催化降解污泥剩余污泥ARGs和微生物群落丰度和组成的变化,探究了TiO2纳米管光催化降解污泥中ARGs的削减效能。TiO2纳米管的强氧化作用可使污泥中的有机物充分水解溶出,从而进一步提升污泥中有机物的降解效率,使有机物降解率相较于光照组提高39.3%～46.7%,污泥SCOD浓度较紫外光照作用提高了17.2%～49.2%。经过TiO2纳米管催化后污泥中可溶性多糖浓度增加至20.30±1.01 mg/L,相较于紫外光照提升了2.17倍左右;可溶性蛋白质浓度达到了45.26±2.26 mg/L,相较于紫外光照提升了1.74倍左右;可溶性氨氮的浓度提升至21.08±1.05 mg/L,相较于紫外光照提升了19.6%～23.7%。经过TiO2纳米管光催化处理3小时后,污泥ARGs的总丰度降低了5.5%～9.0%,抑制了大部分ARGs的增殖扩散,促进了少量ARGs的增殖。一方面,TiO2纳米管光催化抑制了evg S、arl S、van RM和bas S等基因的增殖,将其相对丰度控制在0.034、0.009、0.005、0.013水平;另一方面,TiO2纳米管光催化在一定程度上促进了少量ARGs的增殖,如ade L的相对丰度从0.0037增加至0.012;Nmc R相对丰度从0.0043增加至0.021。经过TiO2纳米管光催化后,使剩余污泥中的抗性功能和组成发生较大的改变。剩余污泥中有一部分的抗性功能减弱,例如枯草杆菌抗生素的抗性基因从占比14%～15%减少到4.2%～5.3%;对磺胺类药物的抗性基因占比从9.2%～12%下降到5.4%～6.2%。污泥中部分抗性功能增强了,例如抗生素氟喹诺酮相关的抗性基因从在原始污泥中占比为4.0%左右大幅度上升至24%～31%。与此类抗性基因具有相同变化趋势的抗性类型还有以下几种,卡那霉素抗性基因,氯霉素抗性基因,西索霉素抗性基因,地贝卡星抗性基因,妥布霉素抗性基因,庆大霉素抗性基因。TiO2纳米管光催化降解污泥使微生物群落的丰度和组成在门、纲、属的水平上都发生了明显变化。在门的水平上,一方面,TiO2纳米管光催化在一定程度上抑制了多种微生物群落的增殖,绿弯菌门（Chloroflexi）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）的相对丰度分别下降了1.64%、4.28%、0.29%、0.66%、0.54%、0.55%;另一方面,TiO2纳米管光催化促进了变形菌门（Proteobacteria）的增殖,使其相对丰度增长了16.28%。在纲的水平上,一方面,TiO2纳米管光催化在一定程度上抑制了多种微生物群落的增殖,Ardenticatenia菌纲、δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）的相对丰度分别下降了1.4%、1.6%;另一方面,TiO2纳米管光催化在一定程度上促进了某些微生物群落的增殖,γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、β-变形菌纲（Betaproteobacteria）、放线菌门放线菌纲（Actinobacteria）的相对丰度分别上升至14.8%、3.52%、1.69%。在属的水平上微生物群落类型减少了61种。并且TiO2纳米管光催化通过降解污泥中的微生物影响降解有机物和ARGs的去除效果。一方面,微生物被TiO2纳米管光催化分解后会释放包括蛋白质在内的有机物,影响着污泥中有机物的含量和归趋,进而影响TiO2纳米管光催化降解污泥中有机物的效能;另一方面,微生物为ARGs提供了增殖和迁移转化的条件,TiO2纳米管光催化降解污泥中的微生物使ARGs扩散增殖的风险降低了,从而影响了TiO2纳米管光催化降解污泥中ARGs的效能。