生物滞留池去除典型抗生素效能及其强化机制的研究

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作为低影响开发技术之一,生物滞留池在削减径流量、控制径流污染方面效果显著,但快速排水的特性使其对氮磷去除效果欠佳,对以抗生素为代表的水中新兴污染物去除效能尚不明晰。水环境中的抗生素长期存在,对微生物群落产生选择压力,诱导产生抗性基因(Atibiotic Resistance Genes,ARGs)。研究生活污水中抗生素的去除对于预防和治理该类污染物有重要意义。本实验构建了五类生物滞留池,分别为对照组(BRC)、活性炭强化组(AC-BRC)、活性炭-导线强化组(EAC-BRC)、导线组(E-BRC)与活性炭-零价铁-导线强化组(EAC-Fe-BRC)。选取两种高使用率、高检出率的抗生素磺胺甲噁唑(SMX)和四环素(TC)作为目标污染物,在反应器水力停留时间为24 h,进水负荷为1.0 m3/m2·d的条件下开展以下研究:(1)通过短期运行(105 d)考察BRC与EAC-Fe-BRC两类生物滞留池对低浓度(0.8 mg/L)的单一抗生素(SMX/TC)去除效果,研究低浓度抗生素对两类生物滞留池常规脱氮除磷效能的影响;(2)通过长期运行(215 d)考察BRC、AC-BRC、EAC-BRC、E-BRC与EAC-Fe-BRC五类生物滞留池对低(0.8 mg/L)、高浓度(1.6 mg/L)的单一抗生素(SMX/TC)去除效果,研究不同浓度抗生素对五类生物滞留池常规脱氮除磷效能的影响;(3)通过高通量测序和荧光实时定量技术研究不同实验阶段生物滞留池微生物群落结构变化及sul I、sul II、tet A三种典型抗性基因丰度变化。研究发现:(1)强化型生物滞留池AC-BRC、EAC-BRC与EAC-Fe-BRC对抗生素去除能力强,低、高浓度SMX和TC的去除率均高于99%,出水抗生素浓度低于8μg/L。(2)AC-BRC与EAC-Fe-BRC两类生物滞留池对TN(Total nitrogen)去除效果最好,出水浓度低于4.6 mg/L;相比BRC滞留池,AC-BRC与EAC-Fe-BRC对TP的去除率提高了20%以上且215 d运行期间内无释磷现象发生,AC-BRC与EAC-Fe-BRC具有出色的脱氮除磷能力。(3)高通量测序发现,低、高浓度抗生素的存在降低了BRC反应器厌氧区微生物的多样性,并未降低AC-BRC及EAC-Fe-BRC反应器多样性。相对于BRC反应器,AC-BRC及EAC-Fe-BRC生物滞留池中的活性炭层可有效缓解抗生素的胁迫作用,为微生物提供良好的生存环境。(4)有活性炭层的AC-BRC及EAC-Fe-BRC反应器ARGs的出水浓度与无活性炭层的BRC、E-BRC没有显著性差异,活性炭层虽然可以显著提高抗生素去除率,但并不能降低出水ARGs浓度。(5)构造不同的生物滞留池优势菌属不同,BRC和AC-BRC反应器中BIrii41为优势菌属,EAC-Fe-BRC中Ferritrophicum、Desulfomicrobium和Geobacter为优势菌属,反硝化菌属Denitratisoma则为BRC、AC-BRC和EAC-Fe-BRC三类反应器共同的优势菌属。(6)在填料土壤样本中,ARGs检出浓度sul I>sul II>tet A,浓度最高的sul I绝对丰度在1.15×109~6.47×109 copies·g-1之间;在低、高浓度抗生素投加条件下,sul I绝对丰度并没有显著变化;sul II与tet A的绝对丰度在低浓度抗生素投加阶段(Ⅱ)均有所上升。研究表明,在五类生物滞留池中,AC-BRC与EAC-Fe-BRC具有出色的抗生素去除、脱氮除磷及抵抗环境冲击的能力,可用于生活分散式污水处理。
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