抗生素的過度使用給城市水環(huán)境帶來了很多潛在問題,尤其是抗性菌和抗性基因的傳播,將會對人類的健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。市政污水處理廠、制藥廠和醫(yī)院的水處理設(shè)施都存在不同濃度的各種抗生素殘留,據(jù)報(bào)道,在醫(yī)院廢水中檢測出的huan bing sha xing濃度為125μg/L、tu mei su濃度為2.2mg/L、磺胺甲惡唑濃度為1.3mg/L。在兩座城市污水處理廠的二級出水中也檢測出濃度為3.6~1176ng/L不等的磺胺類、四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。存在于環(huán)境中的低濃度抗生素會導(dǎo)致耐藥性菌和耐藥性基因的出現(xiàn)和傳播。
四環(huán)素類抗生素作為典型的抗生素,在養(yǎng)殖場廢水中經(jīng)常被檢測到且濃度相對較高,甚至達(dá)到388μg/L。并且,四環(huán)素廢水具有難處理的特點(diǎn),如果處理不當(dāng)可能會導(dǎo)致具有四環(huán)素抗性的微生物帶來的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。為此,以tu mei su(OTC)、jin mei su(CTC)、四環(huán)素(TC)作為四環(huán)素類抗生素的代表性藥物,考察曝氣生物濾池(BAF)對污水中抗生素的深度去除效果。
BAF工藝常用于污水處理,對難降解污染物具有良好的去除效果。探究了不同水力停留時(shí)間(HRT)、不同抗生素濃度條件下BAF對四環(huán)素廢水中污染物的去除特性。同時(shí),通過分析BAF生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu),探究不同抗生素濃度、不同水力停留時(shí)間下反應(yīng)器中微生物種群的演替規(guī)律。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
曝氣生物濾池采用上部進(jìn)水的方式,水緩慢經(jīng)過濾料層和承托層,由底部流量計(jì)控制出水,如圖1所示。共制作了兩組高為200cm、內(nèi)徑為5cm的下向流BAF反應(yīng)器,分別記作1#和2#。反應(yīng)器采用陶粒填料,粒徑為3~5mm,填裝高度為1m。底部采用曝氣泵曝氣,控制溶解氧(DO)在4~6mg/L,通過改變進(jìn)水流量控制不同的水力停留時(shí)間,采用標(biāo)準(zhǔn)方法采集裝置進(jìn)水和出水。BAF采用氣、水聯(lián)合反沖洗,反沖洗周期根據(jù)運(yùn)行階段的不同控制在3~10d。
1.2 原水水質(zhì)及分析方法
模擬某制藥廠抗生素廢水二級生化處理單元出水,COD為40~90mg/L,氨氮為5~10mg/L。反應(yīng)器掛膜所用污泥取自天津市某污水處理廠沉淀池,采用快速接種法啟動。
1#反應(yīng)器馴化20d穩(wěn)定運(yùn)行后,分為五個(gè)階段運(yùn)行,進(jìn)水抗生素濃度均控制在200μg/L,每個(gè)階段的HRT依次為1、3、5、10、20h,每階段運(yùn)行25d。2#反應(yīng)器分三個(gè)階段運(yùn)行,水力停留時(shí)間均為10h,各階段的抗生素濃度依次為200、600、1000μg/L,每階段運(yùn)行25d,分別考察不同階段的處理效果。
COD、氨氮、TP等采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定,使用便攜式溶氧儀(JPB-607A)測定DO。tu mei su、jin mei su、四環(huán)素采用高效液相色譜法(HPLC)測定,C18色譜柱,測定條件:進(jìn)樣量為100μL,柱溫為30℃,流動相為甲酸/乙腈(20∶80),檢測波長為355nm,流速為1mL/min,OTC、CTC、TC出峰時(shí)間分別為3.01、3.23、3.69min。
1.3 微生物群落分析
在不同時(shí)間段取微生物樣品3個(gè),分別為樣品Ⅰ:1#濾柱未投加抗生素、HRT為1h且穩(wěn)定運(yùn)行后第25天的生物膜樣品;樣品Ⅱ:1#濾柱投加3種200μg/L四環(huán)素類抗生素、HRT為1h而且穩(wěn)定運(yùn)行后第25天的生物膜樣品;樣品Ⅲ:1#濾柱投加3種200μg/L四環(huán)素類抗生素、HRT為10h且穩(wěn)定運(yùn)行后第25天的生物膜樣品。
采集的樣品由生物工程(上海)股份有限公司檢測。使用E.Z.N.A™Mag-BindSoilDNAKit試劑盒進(jìn)行DNA的提取。利用Qubit3.0DNA檢測試劑盒對DNA精確定量,用引物341F(5'-CCTAC?GGGNGGCWGCAG-3')和805R(5'-GACTACH?VGGGTATCTAATCC-3')擴(kuò)增細(xì)菌16SrRNA基因的V3-V4區(qū),PCR實(shí)驗(yàn)條件參考文獻(xiàn)。PCR產(chǎn)物通過2%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測,在IlluminaMiSeq平臺上測序。
2、結(jié)果與討論
2.1 HRT對COD、氨氮去除效果的影響
1#反應(yīng)器經(jīng)過20d的馴化,穩(wěn)定運(yùn)行后同時(shí)加入濃度為200μg/L的CTC、OTC和TC,其間DO控制在(5±1)mg/L。不同階段BAF對COD、氨氮的去除效果如圖2所示。HRT作為BAF重要的運(yùn)行參數(shù),直接影響反應(yīng)器內(nèi)生物膜生長和出水效果,不同HRT條件下污染物去除率有明顯差異??傮w上COD去除率隨HRT的延長而增加。當(dāng)HRT延長時(shí),濾池中水流速度相對緩慢,濾料充分發(fā)揮了截留作用,污染物與濾池中的微生物得到充分接觸而被去除。如圖2(a)所示,當(dāng)HRT從3h增加到20h,COD去除效果持續(xù)提升,去除率最大可達(dá)88%。
抗生素投加初期對COD的去除產(chǎn)生影響,經(jīng)過一段時(shí)間的恢復(fù)后,隨著HRT的增加,COD去除效果逐漸增加。在HRT從1h增加到3h階段,COD去除率有減小的趨勢??赡苁且?yàn)榭股氐募尤雽ι锬ぎa(chǎn)生影響,沒有得到wan quan恢復(fù)。
從圖2(b)可以看出,在初期氨氮去除率受到抗生素投加的影響有所波動,因?yàn)榭赡苁窍趸?xì)菌對抗生素比較敏感,導(dǎo)致硝化效果受到影響。隨著HRT的增加,氨氮去除率增加相對明顯,當(dāng)HRT從10h增加到20h時(shí),氨氮去除率增加趨于平緩。氨氮整體去除率在97%~99%左右,表明BAF的硝化性能很好。由于BAF運(yùn)行到第四階段時(shí),COD和氨氮去除率已達(dá)到較高水平,所以后期實(shí)驗(yàn)BAF的HRT均控制為10h。
2.2 BAF對抗生素的去除效果
2.2.1 HRT對去除效果的影響
第一階段出水CTC、OTC和TC濃度在20d左右達(dá)到穩(wěn)定,濃度分別為95、75和80μg/L,去除率分別為48%、62.5%和60%。HRT對抗生素的去除率有著顯著影響,延長HRT能夠明顯提高對抗生素的去除效果(見圖3)。在第二和第三階段,OTC和TC去除率增加,分別為75%和78%,HRT對CTC的去除率影響大于OTC和TC,在HRT為5h時(shí),CTC去除率就達(dá)到了99%以上。持續(xù)加大HRT,OTC和TC去除率最高分別可以達(dá)到85%和82.5%。總體來講,BAF對四環(huán)素類抗生素有較好的去除效果,增加HRT可以明顯提高BAF的去除率。Casas等人證明在慢速生物濾池中,污染物去除效率取決于HRT,HRT最長的實(shí)驗(yàn)對多種抗生素都具有很高的去除率。
2.2.2 對不同濃度抗生素的去除效果
四環(huán)素類抗生素的生物降解效果較差,且對微生物具有抑制作用,隨著濃度的增加,在HRT為10h條件下,2#反應(yīng)器對CTC、OTC、TC的去除率見圖4。
從圖4可以看出,隨著進(jìn)水抗生素濃度的不斷增加,BAF對CTC的去除效果仍能保持穩(wěn)定,去除率一直保持在99%以上;而對OTC和TC的去除率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,在濃度為200、600和1000μg/L時(shí),BAF對OTC的平均去除率分別為80%、92%和95%,對TC的平均去除率分別為85%、93%和95%。在生物濾柱中抗生素可以通過光解、水解、吸附和生物降解去除,有研究顯示,污水中的四環(huán)素類抗生素主要依靠吸附得到有效去除,生物降解比較緩慢。也有研究表明,在反應(yīng)器中TC主要通過生物降解作用去除,而生物吸附對去除TC的貢獻(xiàn)不顯著。雖然對于生物濾柱中抗生素的主要去除途徑?jīng)]有統(tǒng)一的定論,但是在生物濾柱中大多數(shù)抗生素都會被微生物不同程度地降解。本實(shí)驗(yàn)中在其他條件不變的情況下,提高進(jìn)水抗生素濃度至1000μg/L,抗生素的去除率在95%以上,可能長時(shí)間的運(yùn)行導(dǎo)致生物膜中耐藥微生物的生長,提高了系統(tǒng)對抗生素的降解能力。
在逐步提高進(jìn)水抗生素濃度的過程中,COD和氨氮的去除在初期都受到不同程度的沖擊,去除率都呈現(xiàn)下降趨勢,但是經(jīng)過一定時(shí)間的恢復(fù)后,去除效果會有所恢復(fù)和提升(見圖5)。在抗生素濃度為1000μg/L左右時(shí),BAF對氨氮、COD的去除率分別為98%和82%左右,表明濾柱中的菌群結(jié)構(gòu)受到了抗生素的沖擊,但是經(jīng)過一定時(shí)間后會有所恢復(fù),但整體上去除率隨抗生素濃度的增加均呈下降趨勢。為了能進(jìn)一步解釋微生物的降解作用,對濾柱中的菌群演替規(guī)律做了進(jìn)一步的分析。
2.3 微生物菌群演替規(guī)律
2.3.1 物種多樣性及豐度指數(shù)分析
首先對高通量測序序列進(jìn)行OTU劃分,對97%相似水平下的OTU進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)。在生態(tài)學(xué)中Chao1指數(shù)常用來估計(jì)物種總數(shù),Ace指數(shù)用來估計(jì)種群中OTU數(shù)目,Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)都用來估計(jì)樣品中微生物多樣性,結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)中Coverage均大于0.998,反映了本次測序結(jié)果可以代表樣本的真實(shí)情況。
由表1可知,進(jìn)水投加200μg/L抗生素以后樣品的OTU指數(shù)、Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)均有不同程度的下降,而Simpson指數(shù)提高,這說明抗生素的加入對BAF中的微生物影響較大,抑制作用明顯,致使微生物群落的豐富度和多樣性下降。但是對比樣品Ⅱ、Ⅲ可以發(fā)現(xiàn),延長HRT以后樣品的OTU指數(shù)、Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)都略有提高,說明延長HRT條件下微生物多樣性略有增加。而Simpson指數(shù)顯著降低,也同時(shí)說明了BAF中微生物群落優(yōu)勢度在減小,多樣性在增加,但微生物群落豐富度變化并不明顯。所以較長的HRT,更有利于BAF中各種微生物適應(yīng)抗生素的沖擊。
2.3.2 群落結(jié)構(gòu)組成演替規(guī)律分析
選取樣本中相對豐度大于1%的門做門水平種群分類,共篩選出8個(gè)菌群,結(jié)果如圖6所示。在添加3種四環(huán)素類抗生素后,微生物群落在門水平上產(chǎn)生的變化較大,門種類降低。其中Proteobacteria(變形菌門)和Bacteroidetes(擬桿菌門)在添加抗生素前后均為優(yōu)勢菌群,且相較于添加抗生素之前,Proteobacteria豐度顯著升高,由43.63%分別升高為75.55%和77.34%。大量研究表明,Proteobacteria菌群在很多難降解污染物的降解過程中都起到了重要作用,Proteobacteria菌群是BAF具備較好的污染物去除效果及較高的四環(huán)素類抗生素去除率的關(guān)鍵。Bacteroidetes豐度也有所上升,由11.01%升至18.34%和14.04%。研究表明,Proteobacteria和Bacteroidetes是脫氮系統(tǒng)中兩種關(guān)鍵異養(yǎng)菌群,在好氧生物處理系統(tǒng)中普遍存在。添加抗生素之后Planctomycetes(浮霉菌門)豐度由14.94%分別下降為0.34%和0.35%;Acidobacteria(酸桿菌門)豐度由12.72%分別降為0.02%和0.05%,說明3種四環(huán)素類抗生素抑制了曝氣生物濾池中Planctomycetes和Acidobacteria的生長。此外,Actinobacteria(放線菌門)在三個(gè)樣品中豐度分別為3.63%、4.12%和0.46%,其豐度受HRT影響較大,HRT延長到10h導(dǎo)致進(jìn)水負(fù)荷降低是Actinobacteria豐度下降的主要原因。
選取相對豐度大于1%的綱做種群分析,共篩選出10個(gè)菌群。與大多數(shù)好氧反應(yīng)器中的菌群研究相同,在Proteobacteria門中Gammaproteobacteria(γ-變形桿菌綱)、Alphaproteobacteria(α-變形桿菌綱)和Betaproteobacteria(β-變形桿菌綱)為主要的優(yōu)勢菌群。在四環(huán)素類抗生素作用下,系統(tǒng)中Proteobacteria門相對豐度增加主要是由β-變形桿菌綱增加引起的。在本實(shí)驗(yàn)中,β-變形桿菌綱豐度由添加抗生素之前的2.23%上升至45.04%和35.74%,其豐度的顯著增加可能與它們獲得抗生素耐藥基因擁有耐藥性有關(guān)。β-變形桿菌綱中的菌群可以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境,在抗生素廢水處理中經(jīng)常被檢測到。Alphaproteobacteria豐度由添加抗生素之前的15.22%上升至28.28%和27.77%,α-變形桿菌綱與β-變形桿菌綱相似,可能在含有抗生素的環(huán)境中占據(jù)優(yōu)勢。γ-變形桿菌綱豐度由添加之前的24.57%下降至2.18%和13.79%。γ-變形桿菌綱豐度變化與其他菌群不同,在不同的HRT條件下其豐度存在差異,因?yàn)镠RT的延長,降低了抗生素的負(fù)荷,在低抗生素負(fù)荷下其豐度有所恢復(fù),說明在Proteobacteria門中γ-變形桿菌綱似乎比α-變形桿菌綱和β-變形桿菌綱對四環(huán)素類抗生素負(fù)荷更敏感。另外,Bacteroidetes門中Flavobacteriia(黃桿菌綱)和Sphingobacteriia(鞘脂桿菌綱)在加入抗生素后豐度變化明顯。
選取菌群中含量變化較大的屬做種群分類,結(jié)果如圖7所示。樣品Ⅰ中屬水平微生物菌群豐富,其中Enterobacter(腸桿菌屬)的豐度最高達(dá)到12.76%,在好氧生物工藝中Enterobacter是一種異養(yǎng)硝化細(xì)菌,具有高效硝化作用,但是由于抗生素的加入,大大抑制了Enterobacter的生長,在樣品Ⅱ和樣品Ⅲ中幾乎沒有被發(fā)現(xiàn),說明此類菌屬對抗生素較為敏感。
另外,unclassifiedPlanctomycetaceae和unclassifiedAcidobacteriaGp4這兩種普遍存在于污水生物處理系統(tǒng)中的專性好氧菌屬也受到了抗生素的抑制。這也可以解釋為什么抗生素加入后系統(tǒng)對氨氮和COD的去除率均出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象。值得關(guān)注的是,在樣品中許多菌屬并未受到抗生素加入的影響。添加抗生素之后樣品Ⅱ和樣品Ⅲ中Acidovorax(嗜酸菌屬)是zui you勢的菌屬,相對豐度分別為43.88%和21.98%,Acidovorax在抗生素廢水處理中發(fā)揮重要的作用,參與某些抗生素的降解過程;unclassifiedRhizobiaceae(未分類的根瘤菌屬)是Alphaproteobacteria綱中豐度最大的菌屬,有促進(jìn)微生物生長和生物膜形成的作用,此類菌種在濾柱樣品中的豐度分別為3.58%、21.39%和17.65%,促進(jìn)了生物膜的形成,對污染物的去除起到了重要的作用。延長HRT后,Gammaproteobacteria綱中的unclassifiedXanthomonadaceae(未分類的黃單胞菌屬)豐度由1.70%升高至10.20%,其能夠利用碳源進(jìn)行生長繁殖,豐度增加有助于反應(yīng)器中有機(jī)物的去除;Betaproteobacteria綱中的Acidovorax豐度雖然有所降低,但仍為優(yōu)勢菌屬,同時(shí)Flavobacteriia綱中的Flavobacterium(黃桿菌屬)豐度由2.59%升高至12.07%,Chryseobacterium(金黃桿菌屬)豐度由15.61%下降至0.88%,F(xiàn)lavobacterium取代后者成為優(yōu)勢菌屬,F(xiàn)lavobacterium和Chryseobacterium兩種菌屬存在相似性,均具有降解有機(jī)物的作用,Chryseobacterium對有機(jī)物變化比Flavobacterium更加敏感,延長HRT減少了單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入反應(yīng)器中有機(jī)物的數(shù)量從而促進(jìn)了這兩種菌群的更替。其中優(yōu)勢菌屬中Acidovorax、Flavobacterium均具有反硝化功能,總體上四環(huán)素類抗生素的加入促進(jìn)了此類具有反硝化作用的菌屬生長。
3、結(jié)論
?、僭诶肂AF處理抗生素廢水過程中,氨氮、COD的去除效果穩(wěn)定。四環(huán)素類抗生素的去除率隨著水力停留時(shí)間的增加而提高,在進(jìn)水濃度為200μg/L、水力停留時(shí)間為10h時(shí),四環(huán)素類抗生素的去除率均在82.5%以上,其中CTC去除率在99%以上。
?、谥鸩教岣哌M(jìn)水抗生素濃度,BAF對氨氮、COD的去除率均略有降低,分別為98%、82%,對抗生素的去除率仍呈現(xiàn)提高的趨勢,抗生素濃度為1000μg/L時(shí),濾柱對CTC的去除效果zui hao,達(dá)到99%,對OTC和TC去除率可以達(dá)到95%。
?、弁都涌股睾?,BAF中微生物種群多樣性明顯降低。Proteobacteria(變形菌門)是主要的菌群且豐度變化最大;α-變形桿菌綱、黃桿菌綱和β-變形桿菌綱豐度顯著增加,這些菌群均可以適應(yīng)抗生素廢水;濾柱中一些常見菌屬受到抑制,其中包括具有硝化功能的菌屬Enterobacter(腸桿菌屬)在系統(tǒng)中wanquan被抑制,具有反硝化作用的Acidovorax(嗜酸菌屬)和Flavobacterium(黃桿菌屬)豐度顯著增加,在抗生素廢水處理中起到重要作用。