三氯卡班在硝化-反硝化系统中的代谢行为及其对硝化-反硝化生化过程的影响机制

As one of the most widely used antibacterial agent in currently emerging contaminants pharmaceuticals and personal care products, triclocaban (TCC) is widespread in globally aquatic environment, which may cause interactions between TCC and nitrifiers-denitrifiers. However, the metabolic behavior of TCC in nitrigying-denitrifying cultures and effect mechanisms of TCC on nitrification-denitrification have never been investigated systematically, which hinders researchers to understand and further control this behavior. Thus, this project aims to reveal the interactions between TCC and nitrification-denitrification through multi-knowledges such as environmental toxicity, environmental microbiology and biochemistry. The powerful tools including high performance liquid chromatography and mass spectrometry, isotope analysis, high throughput sequencing, and q-PCR will be applied. In this project, we plan to investigate the adsorption-degradation behaviors of TCC in nitrification-denitrification systems, look for the relations between TCC levels and degradations/transformations of nitrogen and structure of microbial community/dynamic succession of microbial structure/abundance of function biomass/the changes of key enzyme activities and key genes and proteins, and provide deep understandings of interactions between TCC and nitrification-denitrification process. The aim of this project is to reveal interaction mechanisms between TCC and nitrification-denitrification process and to provide scientific basis for enhancing TCC degradation and controlling bio-toxicities of TCC in environments.

作为药品及个人护肤品中使用最广泛的抗菌剂，三氯卡班（TCC）在水环境中广泛存在，影响水环境中硝化-反硝化过程。然而，TCC在硝化反硝化系统中的代谢行为及其对硝化-反硝化过程的影响机制并未得到系统解析，阻碍了对这一环境行为的理解与控制。因此，本项目拟结合环境毒理、环境微生物、生物化学等多学科的理论方法，采用高效液相色谱与质谱、同位素分析、高通量测序、q-PCR等手段对TCC与硝化-反硝化过程的相互作用进行系统研究。解析TCC在硝化-反硝化系统中的吸附-降解行为，探寻含TCC的硝化-反硝化系统的微生物组成、动态演替规律、功能微生物数量、关键酶活性、关键基因与蛋白功能与结构的变化，及它们与TCC含量与降解、氮元素转化间的联系，揭示TCC及其降解产物与硝化-反硝化过程的偶联规律。本项目旨在揭示TCC与硝化-反硝化间的相互作用机制，为强化TCC在环境中的吸附降解、控制其生态毒性提供必要的理论依据。

三氯卡班（triclocarban，TCC）是一种典型的抗菌剂，被广泛应用于生产和生活中，这导致其大量释放到环境中。累积在环境中的三氯卡班不可避免的会与水中一些关键微生物接触甚至产生毒性影响，同时，环境中某些微生物也可能对三氯卡班进行有效的转化与降解。然而，三氯卡班在硝化-反硝化系统中的代谢行为及其对硝化-反硝化生化过程的影响机制仍未得到有效的揭示。因此，本研究的主要目的是弥补这一知识空白。实验结果表明，硝化、反硝化过程可分别去除36.7％~50.7％和71.2% ~ 79.4%的TCC。在硝化/反硝化过程中，TCC的去除主要是不均匀的多层吸附而不是生物降解。其中，羟基，酰胺和多糖是可能的吸附位点。被污泥吸附的TCC大大降低了硝化系统的沉降性和性能。随着进水TCC从0 mg/L增加到5 mg/L，反应器中的挥发性悬浮固体和硝酸盐浓度从1200 mg/L和300.81 mg/L降至880 mg/L和7.35 mg/L，而出水氨氮和亚硝酸盐浓度分别从0.41 mg/L和0.45 mg/L增加到104.65 mg/L和182.06 mg/L。TCC的浓度越高，对硝化过程的抑制作用越大。TCC增加了硝化微生物的胞外聚合物，抑制了硝化细菌的活性，并改变了硝化微生物的菌群数量，尤其是硝化螺菌。特别的是，在环境浓度（即0.1 mg/L）下TCC显着抑制NOB活性并降低NOB的数量。短期暴露后反硝化微生物的物理化学性质未受影响，但长期暴露于TCC增加了污泥沉降指数和毛细吸水时间，恶化絮凝性和疏水性。实验结果还表明短期暴露于TCC中不影响反硝化效率，在长期运行中，TCC会严重影响反硝化性能，其中20 mg/L的TCC存在会使反硝化效率降低70%。机理研究表明，长期接触TCC会导致反硝化污泥胞外聚合物（尤其是蛋白质）增加，反硝化菌活性下降。TCC降低了典型的反硝化菌属的含量。本研究首次揭示了水环境中硝化-反硝化功能菌和抗菌剂TCC之间的相互作用及其机理，为强化TCC在环境中的吸附降解与生态毒性控制提供了一定的理论依据。