人工湿地系统中磺胺类抗生素的生物降解机制和生物强化去除研究

Serious pollution of sulfonamide antibiotics occurs in the regions with booming livestock industry, which poses a great threat to local environ-ecological safety and human health. Constructed wetland (CW) has demonstrated a great potential of treating livestock wastewater and its sulfonamide antibiotics, and microorganisms play an important role in removing antibiotics. However, increasing its removal efficiency of sulfonamide antibiotics is still subject to many constraints. Information on in situ sulfonamide degraders in CW system, their biodegradation mechanisms and application for bioaugmentation is still not available. The present study will systematically investigate sulfonamide-degrading microbial community and in situ sulfonamide degraders and their spatial and temporal changes in CW systems used for the treatment of swine wastewater, and the influences of water quality and sulfonamide level. The highly selective culture media will be designed for isolation of in situ sulfonamide degraders. Advanced molecular biology tools and physic-chemical instruments will be used for identification for their biodegradation mechanisms. The consortia with high sulfonamide degradation ability will be designed and used for bioaugmentation practice. The high-efficiency CW system integrated with bioaugmentation will be finally provided for the removal of sulfonamide in piggery wastewater. This study can precisely identify CW sulfonamide degraders and their biodegradation mechanisms, and can provide important theoretical basis and technical reference for the effective removal of sulfonamide antibiotics in livestock wastewater.

我国畜禽养殖密集地区的水环境中磺胺类抗生素污染严重，对生态环境安全和人们健康构成了严重威胁。人工湿地处理畜禽养殖废水及所含磺胺类抗生素具有很好的前景，而湿地微生物降解发挥着重要的抗生素去除作用。然而，人工湿地生物降解效果的提高仍然受到较多因素的限制，特别是湿地中磺胺类抗生素的原位降解菌和生物降解机制尚不清楚、以及尚未见生物强化的研究报道。本项目系统考察了处理养猪废水的人工湿地中磺胺类抗生素降解微生物群落和原位活性微生物的时空分布特征以及进水水质和抗生素浓度影响，在此基础上设计高度选择性的培养基分离原位降解菌，并利用先进的生物学和物化分析手段综合研究其生物降解机制，然后进行高效菌剂研制和生物强化研究，最后开发出高效去除养猪废水中磺胺类抗生素的湿地生物强化技术。该项目能精确揭示人工湿地中磺胺类抗生素降解微生物和降解机制，能为畜禽养殖废水中磺胺类抗生素的高效去除提供重要理论依据和技术参考。

磺胺类抗生素（SA）是畜禽和水产养殖废水中常见的污染物，对生态环境安全和人类健康构成了严重危险。养殖废水中的SA的去除，是亟待解决的生态环境问题。人工湿地是广泛应用的生态处理技术，利用人工湿地去除废水中的抗生素，是国际环境领域的一个研究热点。. 本项目针对的主要科学问题是：人工湿地处理养殖废水中SA的能力、SA原位降解菌和代谢机制。构建垂直潜流人工湿地，评估SA的去除特性和微生物群落；结合稳定同位素探针实验和宏基因组学分析，识别SA的好氧和厌氧原位降解菌和功能；并通过富集培养群落和纯培养试验，揭示群落微生物功能和代谢机制。主要结论如下：. (1) 生物降解（好氧和厌氧）是人工湿地中SA去除的主要机制。在湿地土壤中，SDZ生物降解满足一级多室模型，初始剂量和土壤来源影响SDZ半衰期。. (2) 人工湿地中SA的好氧原位降解菌以变形菌门为主，好氧生物转化以对位羟基化为初始反应。SA对位羟基化催化基因sadA基因被13C-SA标记，证明了其在SA生物转化中的作用。一些编码双加氧酶的基因也被13C-SA标记，可能在变形菌门微生物发生SA羟基化和环裂解中具有潜在功能。. (3) 在受到水产和畜禽养殖影响的湿地中SMX厌氧降解菌组成更相似，且以变形菌门为主，而在广东农村恢复湿地中以厚壁菌门为主。SMX的厌氧生物转化路径以异恶唑环N–O键氢化反应为初始反应。一些氢化酶编码基因被13C-SMX标记。ARG和多种功能分类在到水产和畜禽养殖影响的湿地中的相对丰度更高。. (4) Achromobacter、Paenarthrobacter和Pseudomonas是分离出的三株降解菌，也是SMX降解群落中的主要降解菌，其中Paenarthrobacter降解能力最高。基于sadA和sadB基因表达量显著上调结果证明了sad基因在SA生物转化中的作用，同时构建了sadABC基因系统发育树。含有sul1基因和sadABC基因是Paenarthrobacter sp. R1具有高效降解SA能力的原因，但是Pseudomonas sp. M2降解机制还需进一步研究。. 本项目揭示了人工湿地系统中SA的降解微生物信息，并分离出SA高效降解菌，为养殖废水中SA的高效去除提供重要理论依据和技术参考，也为其它抗生素的有效去除提供一种新的研究思路。