抗生素混合物对厌氧处理微生物群落和抗性基因影响机制

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抗生素的过度使用或滥用,使其成为一种危害环境的新型污染物。环境中抗生素即使在较低浓度下仍会对细菌构成持续的选择压力,诱导细菌产生抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs),而ARGs在不同细菌间传播是潜在的生态风险。厌氧处理具有应用范围广、能耗低、产生清洁能源等优点而应用于含抗生素废水的处理并控制ARGs的传播。为系统揭示厌氧处理系统中ARGs的产生、传播与分布以及微生物群落的演替情况,进而有效减少ARGs的分布与扩散。本文以上流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket,UASB)反应器为载体,系统研究抗生素混合物添加对UASB反应器性能及抗生素、ARGs的去除效果的影响,揭示关键菌群与抗生素、ARGs之间的相互联系以及作用机制,为深入了解抗生素混合物对厌氧生物处理水质和微生物群落的影响以及ARGs传播的控制提供参考依据。主要研究内容和研究结果如下:(1)研究了有机负荷的变化对UASB反应器性能的影响。进水中有机负荷由1.0kg·COD/(m~3·d)缓慢提升至4.2 kg·COD/(m~3·d),反应器出水COD(chemical oxygen demand)去除率基本维持在80%左右,稳定阶段COD的去除率达85%。随进水COD的不断提高,出水COD值反而逐渐下降,实现了UASB反应器的快速启动与稳定运行。(2)研究了红霉素(erythromycin,ERY),磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole,SMZ)和四环素(tetracycline,TET)混合物对UASB反应器性能的影响。进水抗生素混合物浓度的逐步升高导致UASB反应器出水COD出现较大的波动并影响了生物产气的组成。UASBantibiotics反应器对抗生素的去除主要通过物理吸附和生物降解作用,且不同抗生素的去除效果不同。抗生素的添加使得UASBantibiotics出水有机物中蛋白浓度达76.94 mg/L,远高于对照组反应器UASBcontrol(0.56 mg/L)。(3)研究了ERY、SMZ和TET混合物对UASB反应器出水中低分子量(<580 Da)可溶性微生物产物(soluble microbial products,SMP)的形成及类型的影响。随抗生素混合物浓度的逐渐增加,抗生素的添加对UASB反应器中SMP的形成和化合物数量有显著影响。UASBantibiotics反应器运行至第4阶段时,出水中SMP含有较多长链烷烃、烯烃、芳香族化合物以及酯类有机物,这是由于反应器中厌氧微生物的生长受到抑制而导致此类有机物的缓慢累积。(4)研究了UASB反应器长期运行过程中的ARGs(ere A、erm B、erm F、sul1、sul2、sul3、tet A、tet B、tet G、tet W)和1类转座子(int1I)的变化以及ARGs与微生物之间的相互联系。抗生素混合物浓度的逐渐增加对ARGs的丰度、分布和微生物群落组成具有显著影响。四环素类抗性基因tet W是UASB反应器出水和污泥中最主要的ARG,最高占污泥中ARGs总丰度的93.61%。微生物群落和ARGs之间的相互联系分析表明,ARGs在厌氧污泥中不断增殖归因于ARGs潜在微生物宿主的变化,例如Propionibacteriaceae与sul2、sul3和tet B呈显著正相关联系,被视为潜在的ARGs宿主。研究结果表明与ARGs呈负相关的微生物占较大比例。(5)研究了处理含抗生素长期运行UASB反应器中微生物群落的演替规律。抗生素的添加会降低反应器内微生物群落的多样性。存在的4个优势菌门分别是Firmicutes、Halobacterota、Bacteroidetes和Euryarchaeota,其中Halobacterota和Euryarchaeota包含了大多数类型的古菌。冗余分析表明反应器内相对丰度前5的菌属大多数与抗生素呈现负相关,仅有Treponema与ERY、SMZ和TET均呈现正相关,这表明抗生素的添加会抑制一些微生物的生长。属水平上的微生物群落共现性网络分析结果显示与ERY、SMZ和TET呈现正相关的菌属均为Firmicutes,且具有发酵产酸或产氢产乙酸功能,更能抵抗外界环境条件变化的冲击。
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