抗生素结构及功能基团与污水脱氮除磷工艺中微生物相互作用机理研究

Wastewater treatment plant is becoming one of the main source of antibiotics and their resistance genes in the environment. Research on the mechanism of interaction between the structure as well as functional groups of antibiotics and the microorganism in the simultaneous denitrification and phosphorus removal system can provide theoretical basis for efficient removal of antibiotics. Primarily, based on the theory and detection means of structure chemistry, the project detects the structure of antibiotics in wastewater, meanwhile, establishes the structure-activity relationship system of antibiotics. Influence on the microorganism in simultaneous denitrification and phosphorus removal system and their community structure of different functional groups of antibiotics is studied in this project on molecular level and the function mechanism of antibiotics structure on denitrifying polyphosphate-accumulating organisms together with its mass transfer and metabolism is also explored. Regarding the antibacterial mechanism, we determine how antibiotics with different structure induce their resistance. In addition, combined with the detection of the sensitivity of microorganism in antibiotics, antibiotic resistance genes induction ability of different function groups of antibiotics is summarized. What's more, we intend to identify the biodegradation products of antibiotic taking advantage of molecular structure information, thereby deduce the degradation pathways of antibiotic; and on that basis, clarify the impact of structure and functional groups of antibiotics on biodegradation. According to the co-metabolic mechanism we would investigate, our final propose is to find out the optimum way of removing antibiotics.

污水处理厂是自然环境中抗生素及其抗性基因的主要来源之一，研究抗生素结构及功能基团与污水脱氮除磷工艺中微生物相互作用的机理，可以为抗生素的高效去除提供理论依据。本项目以结构化学的理论及检测手段为基础，检测污水中抗生素的存在结构及其变化，并建立此系统中抗生素结构-活性关系体系。从分子水平考察抗生素的不同基团对污水脱氮除磷工艺中微生物形态、群落结构的影响；探究不同结构的抗生素对微生物细胞的作用机理，及其对反硝化聚磷菌代谢过程的影响机理。结合抗生素的抑菌机理，确定微生物对不同结构的抗生素产生抗性的作用方式，并检测系统中微生物对于抗生素的敏感性，总结抗生素的不同功能基团对微生物抗性基因的诱导能力。利用分子结构信息，鉴别抗生素降解产物，推演抗生素降解途径；根据降解途径，明确抗生素的结构及功能基团对其降解的限制作用；探索抗生素的共代谢机制，从而提高抗生素的去除率。

抗生素因其生物毒性及诱导抗性基因产生的能力，其污染问题已经引起全球范围的关注。本研究从抗生素对污水生物处理系统的影响展开，研究不同浓度的磺胺甲恶唑对强化生物除磷系统污染物去除效果及微生物群落结构的影响，mg/L的浓度水平对系统有明显影响；利用从运行稳定的强化生物除磷系统中筛选的聚磷菌，选择除磷能力较强的一种希瓦氏菌，研究了不同浓度、种类抗生素对其污染物去除能力的影响，发现部分抗生素在低浓度时（1 mg/L）对希瓦氏菌的污染物去除能力有促进作用，喹诺酮类抗生素对希瓦氏菌的抑制作用明显，磺胺类、β-内酰胺类、四环素类抗生素及红霉素等在较高浓度（5，10 mg/L）下有抑制作用，且通过对胞内聚合物的检测发现抗生素通过影响代谢从而影响聚磷菌的生物活性。对于抗生素在聚磷菌去除水中污染物过程中的归趋转化，研究发现目标聚磷菌可通过降解或吸附去除头孢氨苄和阿莫西林，头孢氨苄的生物降解产物为2-羟基-3-苯基吡嗪。鉴于抗生素对生物系统的影响，本研究开发从源头处理抗生素的方法，研究源分离尿液中抗生素及其人体代谢产物的UV/H2O2 及UV/PDS高级氧化降解，对反应动力学进行分析，发现在新鲜尿液中由于尿素等自由基捕获剂的影响，降解速率较低，而在水解尿液中，碳酸氢盐及氨可与自由基发生反应，生成二级活性基团，从而降解抗生素；具有供电基团的抗生素容易被降解。对降解产物进行识别，羟基自由基产物多样性最高，硫酸根自由基及碳酸根自由基主要通过电子传递起降解作用，降解产物对目标聚磷菌不再具有生长抑制作用，但具有潜在生态毒性； 在污水中，UV/PDS 可以较快的降解磺胺类抗生素，但 从能耗角度分析，UV/H2O2 是更经济的处理工艺。本研究对抗生素对污水生物处理系统的影响进行了深入分析，并提出了在源分离尿液中高效去除抗生素的方法，为减少抗生素污染的研究提供基础。