好氧颗粒污泥降解头孢类抗生素研究

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药品和个人护理品(Pharmaceutical and Personal Care Products,PPCPs)是一种新型的污染物,与人类生活密切相关。抗生素作为PPCPs的一大类,除了具有以上危害外,还会产生耐药的致病菌株,对人类健康产生巨大威胁。已有的研究主要是通过物理的吸附作用和生物降解,吸附法见效快,但选择性差且解吸工艺复杂,容易造成二次污染。传统的生物降解法由于抗生素污水的生物毒性而导致其对该类污水的处理效率不高。好氧颗粒污泥由于自身微生物细胞的固定化使得其对外界环境有较强的抵抗力,能够有效屏蔽有毒物质对其自身的毒性。本研究以第一代头孢类抗生素头孢氨苄为代表,采用好氧颗粒污泥技术,在两组间歇式气升内循环反应器(Sequencing Batch Airlift Reactor,SBAR)中,对比两组反应器中好氧颗粒污泥的培养过程,来研究头孢氨苄对成熟好氧颗粒污泥理化性质和生物特性的影响和好氧颗粒污泥对头孢氨苄的去除及微生物机制的初步分析三个方面。结果表明:(1)降解头孢抗生素的好氧颗粒污泥的培养培养形成的好氧颗粒污泥呈橙黄色的密实的球形或椭球形,实验组中污泥的颗粒化进程稍慢于对照组,实验组和对照组颗粒污泥的平均粒径分别为1.56mm和1.69mm,而沉降速率分别为1.3cm/s和1.2cm/s;两组反应器对COD和NH4+-N的去除率都是先下降后上升最后稳定在一定范围内,稳定后实验组的去除率(NH4+-N为92±6%,COD为85±5%)稍低于对照组(NH4+-N为95±4%,COD为89±5%)。(2)好氧颗粒污泥理化性质和生物特性的分析两组好氧颗粒污泥的粒径在1mm-1.5mm范围内,实验组比例达到48%,而对照组只有15%;在1.5mm-2mm范围内,实验组比例32%小于对照组的52%,且实验组的平均粒径小于对照组。实验组的比重和颗粒完整性为94.6和1.012均略大于对照组的90.7和1.044。两组好氧颗粒污泥的胞外聚合物种类都很丰富且大致相同,但两组每种有机物的数量有所差异。胞外聚合物的总量实验组为53.682mg/gSS小于对照组的63.995mg/gSS;从两组好氧颗粒污泥的电镜照片和总提取来看,实验组中的微生物在种类、数目方面均不及对照组。(3)好氧颗粒污泥对头孢氨苄的去除及微生物机制的初步分析。反应器运行阶段,一个反应周期结束后取出水测量其头孢氨苄浓度来分析好氧颗粒污泥对头孢氨苄的去除,其去除效果先下降后上升随后稳定在93±4%之间。好氧颗粒污泥对头孢氨苄的去除作用可以分为生物降解和物理吸附两个部分,其中吸附率为12%,所以好氧颗粒污泥对头孢氨苄的生物降解大致为81±4%。在好氧颗粒污泥的培养过程中,由于头孢氨苄的作用,实验组中的微生物种群多样性发生了变化,具体表现为实验组和对照组都出现了各自的优势种和特有种,实验组中特有的微生物为GN02,对照组中的特有微生物为Euryarchaeota和Crenarchaeota;实验组中的优势微生物为Proteobacteria和Bacteroidetes,对照组中的优势微生物为Bacteroidetes、Proteobacteria和Chloroflexi。由于实验组好氧颗粒污泥的优势种Proteobacteria为革兰氏阴性菌能够抵抗头孢氨苄的杀伤作用,并且利用头孢作为碳源完成自身生长,从而达到对头孢氨苄的降解。
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