微生物厌氧耦合不同电子受体降解甲氧苄啶研究

发布时间：2020-04-20 08:54

【摘要】：污水处理厂是抗生素抗性基因(ARG)和抗生素抗性细菌(ARB)传播的重要源。如何提升抗生素脱毒/降解效率、有效阻断ARG的传播是环境领域的重大科学与技术问题。基于水体环境中频繁检出的磺胺类抗生素(Sulfonamides,SAs)去除的紧迫性以及控制抗生素抗性基因(ARGs)蔓延的必要性,本研究创新性地将磺胺类抗生素的生物降解过程与不同电子受体的厌氧呼吸过程耦合起来,研究不同分散式电子受体(硫酸盐、硝酸盐、三价铁)和可持续的固定式电子受体(生物电化学系统的阳极)条件下磺胺类抗生素的厌氧生物降解特征与降解途径和作用机制异同点。甲氧苄啶(trimethoprim,TMP)是一种在各种环境中频繁被检测到的磺胺类抗生素,对环境生态系统具有潜在危害。微生物是环境中抗生素类新兴有机污染物降解与转化的主要驱动因素。然而,甲氧苄啶与不同电子受体结合的厌氧生物降解的可行性和稳定性仍然知之甚少,功能微生物群落结构与组成鲜有报道。本研究的主要内容包括研究分散式电子受体(硫酸盐,硝酸盐和三价铁)和固定式电子受体(生物电化学系统中的阳极)引入时甲氧苄啶的生物降解特性、转化途径和核心微生物组特征。以市政活性污泥/河流沉积物为初始接种物,成功富集了几种TMP降解微生物菌群。驯化的菌群能够通过去甲基化途径转化TMP,以硫酸盐作为电子受体进一步降解羟基取代的去甲基化产物(4-去甲基-TMP)。TMP的生物降解遵循3参数S形动力学模型。潜在的降解菌(Acetobacterium,Desulfovibrio,Desulfobulbus和未鉴定的Peptococcaceae)和发酵罐(Lentimicrobium和Petrimonas)在驯化的菌群中显着富集。活化污泥和河流沉积物驯化获得TMP降解菌群共享相似的核心微生物组。在共基质乙酸钠存在或不存在下,通过富集的生物阳极群落(以电极作为电子受体)同时去除TMP并产生电流。共基质乙酸钠的存在与TMP的强化生物降解和提高的电流密切相关。当TMP用作唯一的电子供体时,与共代谢模式相比,TMP的降解速率和效率(192h,57%vs 24 h,99%)与产生电流(0.075mA vs 0.35 mA)均明显降低。更重要的是,TMP的厌氧生物降解还可以与其他电子受体如硝酸盐和三价铁的还原过程耦合。电子受体的供应可以明显提高不同初始接种物富集的功能微生物菌群的TMP降解效率。本研究结果为水体环境中抗生素如甲氧苄啶的强化降解去除和评估环境微生物介导的归趋与转化提供充分的理论基础和技术支撑。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

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