养猪沼液浮萍处理系统中土霉素的影响及降解机制研究

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为了促进牲畜的生长并预防微生物感染,抗生素往往被用于牲畜饲料中。但由于抗生素不能完全被牲畜胃肠道吸收,大量剩余抗生素通过尿液和粪便以原形式被排出体外,导致养殖废水中含有较高浓度的兽用抗生素,最高可达1000 μg/L。由于抗生素对微生物具有毒害作用,常规处理方法(如活性污泥法)在处理养殖废水时常会遇到处理效率下降等问题,增大养殖废水处理难度。此外,养殖废水中还含有高浓度的氮和磷,如若处置不当则会导致普遍的水污染,而采用植物处理的方法回收养殖废水中的氮和磷是可持续发展的有效手段。但是,高浓度的抗生素对养殖废水的植物处理带来了严峻的挑战。因此,本文以土霉素为例,研究其对稀脉浮萍处理养猪沼液时营养物质去除性能的影响及机制,以期为含有抗生素养殖废水植物处理工艺的设计、应用与运行及植物体内高价值资源的回收提供参考。主要研究内容和结果如下:1)土霉素对稀脉浮萍去除养猪沼液中氨、磷的影响。结果表明:土霉素对浮萍去除养猪沼液中NH3-N和TP具有明显的抑制作用,符合“剂量-反应”关系,即随着土霉素的浓度的增加,NH3-N和TP的去除率逐渐下降,当土霉素浓度为1.00 mg/L,NH3-N和TP的去除率与对照相比分别下降 33.44%和39.25%;2)土霉素对稀脉浮萍生长的影响。结果表明:与营养物质去除影响机理相同,土霉素对浮萍在养猪沼液中生长的影响机理也符合“剂量-反应”关系;3)土霉素对稀脉浮萍抗氧化能力的影响。结果表明:在暴露的初期,土霉素可以显著促进浮萍体内H2O2和POD的产生,导致浮萍遭受严重的氧化应激。但是,长时间暴露后,浮萍可以承受低浓度土霉素(<0.50 mg/L)所引起的胁迫并恢复健康;4)土霉素对稀脉浮萍体内光合色素生成的影响。结果表明:低浓度土霉素可以显著促进浮萍体内光合色素的合成,当土霉素浓度为0.05 mg/L时,浮萍体内叶绿色和叶黄素的生成量与对照组相比分别增加28.36%和28.57%;5)土霉素对稀脉浮萍体内蛋白质、淀粉、维生素C和类黄酮等高价值营养物合成的影响。结果表明:在暴露初期,土霉素可以显著提高浮萍体内蛋白质的合成,但是随着培养时间的延长,蛋白质的合成受到抑制;当养猪沼液中土霉素浓度分别为0.05和0.25 mg/L时,可以增强稀脉浮萍体内类黄酮和淀粉的合成;但所有处理组对浮萍体内维生素C的合成均有抑制作用;6)土霉素对稀脉浮萍根际微生物群落动态代谢特征的影响。结果表明:0.05 mg/L的土霉素可以显著提高浮萍根际微生物的代谢活性;PCA分析表明,0.1-1.0 mg/L的土霉素处理组具有更相似的碳源利用特性,抗生素胁迫可以显著改变浮萍根际微生物的碳源利用方式;7)土霉素去除动力学及其在稀脉浮萍体内蓄积研究。结果表明:养猪沼液中土霉素在浮萍系统作用下的去除过程符合Michaelis-Menten动力学模型;同时,蓄积实验研究表明,当养猪沼液中土霉素浓度为0.05 mg/L时,稀脉浮萍的BCF值为0.61;8)土霉素的降解路径研究。结果表明:通过LC-MS/MS检测到十二种土霉素降解中间体,并提出了土霉素在浮萍系统作用下两种可能的降解路径。
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