厌氧氨氧化系统对砷和磺胺甲噁唑的响应及抗性机制研究

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传统的硝化反硝化生物脱氮工艺由于受到运营成本的限制和节能减排的要求,越来越多的研究人员关注到了厌氧氨氧化(Anammox)工艺。Anammox工艺具有无需曝气、剩余污泥少、无需碳源等优势。因此,anammox工艺在处理含氮废水中表现出了广阔的应用前景。然而,废水中的重金属和抗生素等污染物是anammox工艺的潜在抑制因子,其对于anammox工艺的影响仍未得到全面的解释。在抗生素和重金属的胁迫下,抗性基因和抗性细菌在环境中的传播和富集也给公共健康系统造成巨大威胁。因此,探明anammox系统对重金属和抗生素的响应及抗性机制对anammox的推广与应用具有重要意义,本文主要研究结论如下:1)在anammox系统中,As(III)的半抑制浓度(IC50)为408 mg L-1。大部分的As(III)仍在液相中,难以进入细胞,进而导致了As(III)在anammox系统中的低毒性。在连续流实验中,1 mg L-1的As(III)对anammox系统并无负面影响,而50 mg L-1的As(III)干扰了反应器的脱氮性能。在50 mg L-1的As(III)胁迫下,hzs A和hdh的绝对丰度明显降低,并直接导致反应器中的anammox菌(An AOB)被淘汰。2)Anammox系统可以耐受1 mg L-1的SMX胁迫,而2 mg L-1的磺胺甲噁唑(SMX)会在短时间内抑制anammox系统的脱氮性能。随着系统抗生素抗性的发展,反应器脱氮性能逐渐恢复,表明SMX对anammox系统的抑制作用在一定程度上可逆。此外,SMX刺激了胞外聚合物(EPS)的分泌,有效缓解了抗生素压力。SMX对anammox系统的抑制机制主要归因于硝化细菌和反硝化细菌逐渐成为anammox反应器中的优势菌。3)As(III)和SMX对anammox产生了协同效应。在As(III)的长期胁迫下,胞外蛋白质二级结构从致密变为疏松。由zeta电位测定结果可知,As(III)增加了EPS的通透性,并加剧了SMX的抑制。此外,在As(III)和SMX的联合胁迫下,An AOB的相对丰度降低,反硝化菌的相对丰度增加。4)EPS在降低微生物的氧化应激水平和保护细胞膜完整性上起到了重要作用。同时,微生物在受到胁迫时会分泌更多的松散结合的EPS(LB-EPS)以缓解As(III)胁迫。此外,LB-EPS可以构建一层强大的缓冲区,进一步提高An AOB抵抗环境胁迫的能力。EPS中的蛋白质提供了多个与As(III)结合的位点,As(III)与EPS的结合常数为1.97×10~6 M-1。通过改进的Hill方程拟合得出As(III)和蛋白质的结合比例为2.14:1。此外,胞外蛋白还提供了多种与SMX结合的位点。抗性基因在As(III)和SMX胁迫下得到大量富集,也对anammox系统缓解污染物胁迫起到了积极作用。
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