基于微流控技术的抗生素对活性污泥细菌的影响研究

发布时间：2020-06-18 04:35

【摘要】：抗生素的大量使用导致其在生活污水中广泛存在，会对污水处理系统中的微生物产生影响。在研究这种影响的特征时，人们往往遇到常规手段（如摇瓶或小试）费时费力且信息量较少的困境。微流控技术能实现并行测试、原位实时观察、单细胞追踪等功能，且样品量少，省时省力，有利于上述问题的研究。因此，本研究建立了适合研究环境微生物的微流控芯片系统，实现了单细胞跟踪、原位实时观测、梯度并行实验等功能；将其应用于抗生素对细菌的抑制、细菌耐药性及细菌对抗生素降解的研究，获得了比常规方法更多的信息（如细菌形态变化、细菌个体差异等），并发现了细菌在抗生素作用下的“新行为”。论文首先采用孔板实验方法，获取了13种抗生素对8种纯菌及活性污泥混合菌的生长抑制曲线，发现喹喏酮类对大部分细菌的抑制能力强，半数抑制浓度（IC50）低于1mg/L；磺胺类最弱，IC50大于100mg/L；活性污泥混合菌具有很强的耐药性。然后开展了微流控平台的研究，设计及优化了微流控双通道芯片，用于抗生素对细菌的抑制过程研究。采用大肠杆菌及阿莫西林验证了芯片的可靠性，实时观察了单个细菌的形态变化特征。芯片可快速培养氨氧化菌，比生长速率（1.2d-1）远高于摇瓶实验（0.088d-1），可在四天内获取阿莫西林对氨氧化菌的抑制曲线。第三，利用微流控芯片技术开展了细菌耐药性的研究。基于对芯片上单个大肠杆菌的数量及形态变化的分析，首次观察到细菌的“机会耐药性”行为。在IC50浓度附近，正常细菌由于邻近破裂细菌释放的细胞质的存在而快速生长，其生长速率与培养基条件下相近，表现出与“耐药性”相似的行为。氨氧化菌的耐药实验发现，氨氧化菌在抑制浓度的阿莫西林下暴露三天后仍有细菌存活，恢复培养基培养后能复苏生长。最后，采用微流控芯片研究了抗生素的降解特征。利用微流控单通道芯片作为“微反应器”，确认了硝化菌对抗生素降解的贡献，并观察到了纯种氨氧化菌降解抗生素的行为。活性污泥混合菌群可以完全降解低浓度阿莫西林（进水均值0.35mg/L），能够通过共基质代谢去除70%的四环素（进水均值0.8mg/L）；活性污泥中的硝化菌对阿莫西林的降解起到促进作用。纯种氨氧化菌可降解阿莫西林和四环素，降解率分别为70%及25%左右，具体的降解途径还需进一步研究。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703;X172
【图文】：

示意图,微流控,平台系统,注射泵

分离培养及抗生素浓度的测试采用常规的方法进行。图3.1微流控研究平台示意图3.2.2 微流控平台系统构建本研究根据常规的微流控平台设计，构建了适合污活性污泥细菌研究的实验平台，包括动力系统、芯片系统和观察系统三部分，实物如图 3.2 所示。图3.2实际的微流控平台系统动力系统主要是由注射泵（保定兰格恒流泵有限公司）及注射器组成，可为芯片系统持续供应液体并控制流量。实验中采用的注射泵有单通道（LSP01-1A型）、注射泵等微流控芯片功能微生物分离与培养出水测试显微镜CCD 检测污水活性污泥的采样细菌生长及形态观察抗生素浓度及产物分析培养基抗生素降解机理废液

结构图,芯片,单通道,结构图

鉴已该芯图已有研究中芯片原理上3.3 单通道中微流控的设上借鉴了单层道琼脂层培设计，本论文层生长的方培养芯片的结文设计了如方法，包括结构图如图 3.3 所示PDMS 芯片示的片、

【参考文献】