抗生素对EBPR性能的抑制及微生物种群结构的影响研究

发布时间：2020-08-01 13:08

【摘要】：氮磷是导致水体富营养化的主要因素,研究表明当水体中磷浓度超过0.02mg.L~(-1)或氮浓度超过0.2mg.L~(-1)时,即可认为水体富营养化。近年来,随着水污问题染愈加严重,水质标准对污水处理厂出水中氮磷浓度要求越来越严格。抗生素作为一种高效杀菌剂为人类在医疗业和养殖业中广泛使用,由于对其产生依赖性,使得抗生素滥用现象越来越严重,多数抗生素不能被生物体吸收,随排泄物派出体外最终汇集到污水处理厂内,使其在市政污水和养殖业污水处理厂进水浓度中达到ng.L~(-1)甚至mg.L~(-1)级别,对脱氮除磷功能微生物造成不良影响,本课题旨在研究抗生素对强化生物除磷(Enhancing Biological Phosphorus Removal,简称EBPR)系统脱氮除磷的抑制乃至系统内功能微生物种群结构的影响,研究结果对保障污水处理厂正常运行具有极其重要的意义。本课题采用厌氧/好氧交替运行的SBR反应器,以模拟废水为研究对象,进水水质为PO_4~(3-)-P浓度8mg.L~(-1),NH_4~+-N 40mg.L~(-1),COD 400mg.L~(-1),研究常用抗生素药物磺胺甲恶唑(SMZ)和环丙沙星(CIP)及二者联合作用时对EBPR脱氮除磷性能的影响和长期暴露导致的微生物种群结构变化,以及这两种抗生素在EBPR系统中的归趋。通过拟合SMZ和CIP抑制作用下的比吸磷率sPUR、比释磷率sPRR、比亚硝化速率sAUR和比硝化速率sNUR,并根据各自半抑制浓度值IC_(50),确定SMZ、CIP及二者联合作用对聚磷菌PAOs、氨氧化菌AOB和硝化菌NOB的抑制效应,同时研究不同浓度抗生素对活性污泥性能指标和胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)组分构成的变化。本实验共分为三个阶段,第一阶段共110天,研究不同浓度SMZ对EBPR系统脱氮除磷性能的影响,SMZ采用1、2、5、10、20、50mg.L~(-1)共6个浓度梯度。结果表明,低浓度SMZ(1、2mg.L~(-1))对系统脱氮除磷和COD去除性能几乎无影响,之后随着SMZ浓度逐渐升高,系统各工况除磷率依次降为89%、81.9%、76.4%、66.18%,氨氮去除率依次降为94.3%、90.6%、87%、83%;通过计算各工况典型周期内最大sPUR、sPRR、sAUR和sNUR可得PAOs吸磷阶段的IC_(50)值为45.84mg.L~(-1),释磷阶段IC_(50)值大于50mg.L~(-1),根据拟合曲线方程计算约为81.2mg.L~(-1),说明SMZ对好氧吸磷的抑制大于厌氧释磷。AOB的IC_(50)值为28.86mg.L~(-1),由此可知,PAOs对SMZ耐受能力强于AOB,NOB无法确定,但要强于PAOs。SMZ在EBPR系统中的降解长期暴露实验中周期最大降解量为1.26mg.L~(-1),短期冲击中周期最大去除量为2.36mg.L~(-1),SMZ的降解主要发生在好氧阶段,与微生物活性相关性较大。第二阶段共107天,研究不同浓度CIP对EBPR系统脱氮除磷性能的影响,CIP采用0.5、1、1.5、2mg.L~(-1)共4个浓度梯度。结果表明,随着CIP浓度逐渐升高,系统各工况除磷率依次降为80%、68.1%、55%和49.19%,氨氮去除率依次降为86.31%、76.9%、67%、57.4%;通过计算各工况典型周期内最大sPUR、sPRR、sAUR和sNUR,可得PAOs释磷阶段IC_(50)值为1.93mg.L~(-1),吸磷阶段IC_(50)值为1.50mg.L~(-1),AOB的IC_(50)值为1.17mg.L~(-1),由于AOB活性受到强烈抑制,导致NO_2~--N供给不足,使硝化速率受到影响,因而NOB的IC_(50)值并不精确。由此可知,PAOs对CIP耐受能力最强,AOB耐受能力最差,NOB因客观条件改变无法估计。CIP在EBPR系统中的降解与微生物活性紧密相关,长期暴露实验中周期最大降解量为0.15mg.L~(-1),短期冲击中周期最大去除量为0.41mg.L~(-1),周期内去除较为均匀。第三阶段共111天,分别取第一、第二阶段PAOs比吸磷速率IC_(50)值的一半和整个IC_(50)值,研究SMZ和CIP联合作用时对EBPR系统脱氮除磷性能的影响。结果表明,两种工况下除磷率为54.2%和42.5%,氨氮去除率为56.1%、44.8%;典型周期内最大sPUR经拟合曲线计算对应CIP浓度值为1.68mg.L~(-1)和2.17mg.L~(-1),对应SMZ浓度值为50.2mg.L~(-1)和65mg.L~(-1),sAUR对应的CIP浓度值为1.61mg.L~(-1)和2.04mg.L~(-1),对应的SMZ浓度值为42.22mg.L~(-1)和55.08mg.L~(-1)。SMZ和CIP联合作用时对EBPR系统的影响远大于SMZ单独作用,也在一定程度上大于CIP单独作用,二者联合作用时表现出明显的协同性。通过对系统活性污泥性能与EPS构成和组分占比研究发现,EPS构成中TB-EPS浓度及其构成组分占比与活性污泥性能有极大相关性。随着SMZ和CIP浓度的增加,活性污泥微生物活性及菌群总量逐渐减小,污泥活化性变差,SV与SVI值双双下降,SV均值由26%降至12%,SVI由80mL.g~(-1)降至38mL.g~(-1),TB-EPS浓度由85.77mg.(gVSS)~(-1)降至45.33mg.(gVSS)~(-1)。在TB-EPS组分构成中,DNA浓度与活性污泥活性呈正比,SMZ长期暴露实验中,f值均值由0.82降至0.73,DNA浓度由2.54 mg.(gVSS)~(-1)降至1.92mg.(gVSS)~(-1);在CIP长期暴露实验中,f值由0.82降至0.70,DNA浓度由2.62mg.(gVSS)~(-1)降至1.51 mg.(gVSS)~(-1);PN与PS浓度及其占比与污泥外观表现出较大相关性,SMZ长期暴露实验中,活性污泥逐步呈颗粒化倾向,PN占比由44.1%升至56.55%,PS由52.4%降至39%。在CIP长期暴露实验中,活性污泥颗粒化现象更加明显,PN占比更高,由46%升至67%,PS则由50.5%降至29%。通过对反应器投加SMZ之前和经过长期暴露实验后的活性污泥进行高通量测序发现,经过SMZ长期暴露实验后,EBPR系统OUT总数和微生物多样性双双下降,且长期暴露于SMZ环境下菌群结构发生变迁,在属水平上体现尤为明显,原优势菌属绿弯菌属(Chloroflexus)几近消失,之前未占优势的动胶菌属(Zoogloea)成为新的优势菌属。脱氮除磷相关功能微生物中,硝化螺旋菌属(Nitrospira)、Dechloromonas均大幅下降,陶厄氏菌属(Thauera)降幅较小,亚硝化菌(Nitrosomonas)基本保持不变,仅Candidatus Nitrotoga出现小幅增加。聚磷菌(Candidatus Accumulibacter)丰度出现一定上升,聚糖菌Candidatus competibacter和Defluviicoccus也大幅下降,PAOs对SMZ耐受性要强于GAOs和脱氮类菌属。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

原理图,原理,杀菌剂,缓效

抗生素对 EBPR 性能的抑制及微生物种群结构的影响研究氨基糖苷类链霉素(streptomycin,ST)对需氧菌有效，尤其是需氧型 G-缓效杀菌剂全过程抑制细菌蛋白质的合成，碱性环境中抗菌活性增强抗生素对微生物的抑制机制可从作用菌种、作用性质及抑制机理3个方面进行分析就作用菌种而言，根据革兰染色法，将细菌分为革兰阳性菌(G+)与革兰阴性菌(G-)，不同抗生素作用菌种有所不同；按作用性质，可将抗生素分为杀菌剂与抑菌剂，根据各自作用时间，又可分为速效杀菌剂(繁殖期杀菌剂)、缓效杀菌剂(静止期杀菌剂)、速效抑菌剂与缓效抑菌剂，就抑制机理而言，主要表现在 4 个方面：1)抑制细胞壁的合成；2破坏微生物的细胞膜；3)抑制细菌蛋白质的合成；4)干扰核酸的形成；具体分类和作用机理见表 1-1 和图 1-1。

测序技术,微生物种群结构

抗生素对 EBPR 性能的抑制及微生物种群结构的影响研究的正确率与完整度，建立 DNA 文库，提高了样品的识别速度，降低了成本。近几年以来，PacBio 公司的 SMRT 和 Oxford Nanopore Technologies 纳米孔单序技术，被称之为第三代测序技术。与前两代相比，他们最大的特点就是单分子测序过程无需进行 PCR 扩增。

结构图,结构图,磺胺类药物

兰州交通大学工程硕士学位论文如疟原虫和阿米巴原虫）有很好的抑制作用。尤其是嘧啶（TMP）发现以后，磺胺类药物抗菌性进一步增虽然之后有大量抗生素问世，但磺胺类药仍是重要Sulfamethoxazole，SMZ）又名新诺明，化学式为 C1葡萄球菌及大肠杆菌作用特别强，用于治疗泌尿道感应用的中效磺胺类药物，可与 PABA 竞争性作用于细菌二氢叶酸的合成，从而抑制细菌的生长繁殖，与磺种磺胺类药物是目前治疗诺卡菌病较好药物，其与增用明显增强，加之其属于缓效抑菌剂，因而在日常生

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