离子载体类抗生素在活性污泥系统中的水解与生物降解耦合作用机理及其抗性基因去除研究

Ionophore antibiotics (IPAs) are among the most widely used veterinary pharmaceuticals added in feed to prevent and treat animal diseases, and promote growth in livestock production. Among IPAs, monensin, salinomycin and narasin are most commonly used. However, 40-90% of IPAs are released as matrix or their metabolites after consumption, and finally enter into wastewater treatment plants (WWTPs). If these IPAs and their metabolites are not effectively removed, it will pose toxic to organisms, and has greater potential harm. In this study, monensin, salinomycin and narasin are selected as typical IPAs. Based on the study of their removal mechanisms by hydrolysis or degrading under different redox conditions, their removal mechanisms by hydrolysis coupled to biodegradation in activated sludge system were elucidated. In order to study the degradation pathway and toxicity reduction, kinetics, metabolites and toxicity test were carried out. In addition, the occurrence, transport and transformation mechanisms of the antibiotic resistance genes of IPAs in activated sludge system were carried out in both laboratory-scale and full-scale WWTPs. Our results are helpful for the knowledge of the removals of IPAs in wastewater, and are helpful for providing basic research data for assessing the effect of the use of IPAs to environment.

兽用类抗生素因不仅能治疗动物疾病还能促进动物的生长和增产被广泛应用，而其中离子载体类抗生素的使用最为普遍，主要包括莫能菌素、盐霉素和甲基盐霉素等。然而，40-90%的离子载体类抗生素在使用后会以母体或者代谢产物的形式排出最终进入污水处理厂，若得不到有效处理会对生物产生毒害作用，具有潜在的危害性。本课题选取莫能菌素、盐霉素和甲基盐霉素为研究对象，在分别对其水解及在不同氧化还原条件下的降解机理进行研究的基础上，进一步对其在活性污泥系统中的水解和生物降解耦合作用机理进行研究，通过动力学分析、中间产物的检测和进出水毒性试验，对其降解途径和毒性削减作用进行研究。最后，结合实际污水处理厂的调查研究，揭示了离子载体类抗生素抗性基因在活性污泥系统中的存在、削减与迁移转化规律。本研究能为污水中离子载体类抗生素的有效去除提供理论依据，为进一步评价其使用对环境产生的危害提供基础研究数据。

目前兽用类抗生素的使用量已超过人用抗生素，而其中离子载体类抗生素（IPAs）的使用最为普遍。本项目选取莫能菌素、盐霉素和甲基盐霉素为目标IPAs，对其水解机理、在不同氧化还原条件下的生物降解机理以及在活性污泥系统中的去除机制进行了研究。研究结果表明：莫能菌素、盐霉素和甲基盐霉素在中性及碱性条件下很稳定，而在酸性条件下会发生水解，且温度、离子强度对其水解速率影响很大；在pH=4，温度25℃，离子强度0.2 mol/L条件下，反应5 d后，其水解率分别为43%，96%和99%，而其水解速率分别为0.005，0.11和0.142 h-1。莫能菌素和盐霉素在水解过程中均检测到了两种水解产物，分别为MON-S1，MON-S2和SAL-S1，SAL-S2，而甲基盐霉素仅检测到了NAR-S这一种水解产物。IPAs在不同氧化还原条件下的生物降解性依次为：好氧>缺氧>厌氧；而三种IPAs的生物降解性依次为：盐霉素>甲基盐霉素>莫能菌素。在好氧、缺氧和厌氧条件下，莫能菌素的比降解速率分别为0.086，0.053和0.040 μg/gMLSS﹒d-1；盐霉素的比降解速率分别为0.211，0.150和0.114 μg/gMLSS﹒d-1；而甲基盐霉素的比降解速率分别为0.161，0.123和0.097μg/gMLSS﹒d-1。莫能菌素、盐霉素和甲基盐霉素均通过分子结构加成反应和价键断裂反应得到有效降解，其好氧降解产物分别为MON-P1，MON-P2和MON-P3；SAL-P1，SAL-P2和SAL-P3；NAR-P1，NAR-P2和NAR-P3。在A2O活性污泥系统中，IPAs主要通过生物降解作用得以去除，其最佳的HRT和SRT分别为10 h和20 d；经活性污泥系统处理后，出水毒性已大大降低；芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）和无壁菌类（Tenericutes）是活性污泥系统中的优势微生物。进一步对上海及周边污水处理厂中IPAs、抗性细菌和抗性基因的存在、削减与迁移转化进行了调查研究。结果表明：污水中IPAs普遍存在，活性污泥处理工艺可以有效降低污水中IPAs抗性细菌和抗性基因，经过活性污泥系统处理以后，其浓度均下降了2~3个对数级。本项目的研究结果可为污水中其他IPAs的有效去除提供基础研究数据，亦可为污水厂尾水中IPAs及其抗性基因对环境产生的影响提供评价依据。