海水养殖废水中抗生素与生物处理工艺的相互作用研究

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近年来,我国海水养殖业发展迅速,但养殖废水大多未经处理直接排海,使近岸海域受到严重污染;因此,对海水养殖废水的处理迫在眉睫。生物处理是水产养殖废水处理的核心手段,其对氨氮、亚硝酸盐氮、有机物等溶解性污染物处理效果显著,但对抗生素残留的去除效果值得研究。此外,生物处理尤其生物膜反应器是细菌抗生素抗性产生和传播的理想环境,生物膜中的细菌数量巨大,不断与低浓度抗生素接触,极有可能造成抗生素抗性菌(Antibiotic Resistance Bacteria,ARB)比例升高,抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)丰度增加,微生物群落结构改变。因此,研究养殖废水中抗生素残留对生物膜反应器及其运行的影响具有重要意义。  本研究比较了移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR)和生物滤器(Biological Filter,BF)对于海水养殖废水有机物和氨氮的去除效果。结果表明,二者均可去除约80%的TOC,MBBR可去除约90%的NH4+-N,而BF的去除率仅为60%。此外,比较了MBBR中生物膜与接种活性污泥(ActivitedSludge,AS)的细菌群落结构。结果表明:MBBR生物膜细菌多样性较AS明显降低,变形菌门、拟杆菌门和放线菌门的相对丰度明显上升,硝化螺旋菌门、酸杆菌门、绿菌门和芽单胞菌门细菌相对丰度明显减少。AS中的优势菌以β-变形菌为主,而MBBR中α-变形菌成为优势菌,这与α-变形菌更能适应高盐度的环境有关。  本研究还考察了MBBR对典型水产养殖用抗生素(诺氟沙星、利福平、土霉素)的去除效果。结果表明,MBBR对三种抗生素的去除效率一般,在进水浓度约为20μg/L时最高,分别为28.4%、32.9%和69.5%。此外,还研究了抗生素对MBBR有机物去除、生物膜中ARGs和ARB相对丰度的影响。结果表明,进水中亚μg/L~亚mg/L的抗生素对反应器去除TOC无明显影响。抗生素的浓度越高,ARGs相对丰度上升越显著,ARGs相对丰度与本族抗生素浓度没有显著相关性,这可能与ARGs和抗生素不同的环境归宿和迁移机理、抗生素的交叉性选择、携带多种ARGs的整合子的存在等有关。添加不同抗生素的反应器中土霉素抗性菌比例均大幅度升高,诺氟沙星抗性菌比例则略有下降。添加利福平的反应器其对应的抗性菌比例升高明显。ARGs相对丰度的变化与相应抗性菌比例的变化没有明显关系,可能是因为ARGs来源于所有细菌,而适应高盐度的细菌中可培养的种类极低。  本文还研究了抗生素对MBBR中生物膜细菌群落结构的影响。结果表明,加入抗生素后,反应器生物膜细菌多样性下降,群落结构改变。在抗生素的作用下,变形菌门丰度明显上升,厚壁菌门丰度降低。在土霉素和诺氟沙星的作用下,拟杆菌门明显减少,而投加利福平后,拟杆菌门先减少后增多。投加200μg/L土霉素的样品中tetD和tetB基因的相对丰度显著增加,可能分别与交替单胞菌属和假交替单胞菌属细菌相对丰度上升有关。  本研究发现,MBBR对海水养殖废水常规污染物的处理效果优于BF,但对抗生素处理效果不佳,而且在抗生素的作用下,尽管反应器去除有机物并未受到明显影响,但反应器生物膜中的ARGs相对丰度上升,ARB比例升高,细菌多样性下降,群落结构改变。在处理含抗生素的养殖废水时,生物处理可有效去除有机物和氨氮等常规污染物,但单一的生物处理工艺对抗生素去除效率一般,且可能伴随着生物膜中ARGs和ARB比例升高,存在一定的生态风险,在风险评估方面值得进一步研究。在以后的应用中,也需要谨慎考量,可以考虑在生物处理前去除抗生素,或在其后增加消毒工艺杀灭ARB,去除ARGs。
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