垃圾填埋场抗生素和抗性基因的赋存特征及其去除优化机制研究

Antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs), the emerging pollutants control has been a hot area of research both in China and abroad. Currently, broad scale research of antibiotics and ARGs mainly focus on their environmental behavior in ambient medium including water, soil, and sediment etc. This study will be conducted aim at the municipal solid waste (MSW) landfill which is an important sink and source of antibiotics and ARGs. The MSW landfill is selected as objects of study. Environmental chemistry, environmental microbiology and modern molecular biology will be used to study the occurrence characteristics and their temporal and spatial changes. The removal rule and behavior characteristics of antibiotics and ARGs will be evaluated in the leachate treatment systems. The key technology parameters and environmental factors for antibiotics and ARGs removal and its optimization mechanism will be revealed. The overall goal of this study is to provide the theoretic and realistic basis for the clarification of the environmental behavior of antibiotics and ARGs in the landfill，intensified removal of antibiotics and ARGs in the leachate treatment systems, and effective reduction of antibiotics and ARGs emissions ecological risk.

抗生素及其抗性基因（ARGs）等新型污染物的污染控制是国内外环境领域的研究热点。目前抗生素及其ARGs的研究主要侧重于在水体、土壤、河流沉积物等介质中的环境行为。基于生活垃圾填埋场是环境中抗生素及其ARGs的重要“汇”和“源”，项目拟以此为研究对象，利用环境化学、环境微生物学和现代分子生物学技术，研究生活垃圾填埋场环境中抗生素及其ARGs的赋存特征及时空变化规律；解析渗滤液处理系统中抗生素及其ARGs的去除规律及行为特征，探明影响抗生素及其ARGs去除的关键工艺技术参数及主要环境因子，揭示渗滤液生物处理系统中典型抗生素及其ARGs的去除优化机制。项目研究对阐明填埋场环境抗生素及其ARGs的环境行为、强化渗滤液处理系统抗生素及其ARGs的去除、有效削减抗生素及其ARGs排放的生态风险具有重要的理论价值和现实意义。

以生活垃圾填埋场为研究对象，利用环境化学、环境微生物学和现代分子生物学技术研究了抗生素及其抗性基因（ARGs）的赋存特征和影响因素，解析了典型抗生素及其ARGs在渗滤液处理系统中的迁移转化规律，探明了渗滤液生物处理系统典型抗生素及其ARGs的去除优化机制。结果表明：（1）10种磺胺类（SAs）、四环素类（TCs）和大环内酯类（MLs）抗生素及其ARGs在填埋场均能被检出，抗生素平均检出浓度区间为100-103ng/L，ARGs的相对丰度平均值为1.62×10-2（lg（ARGs/16S））。除磺胺类ARGs，其他ARGs与各类抗生素都表现出较强的相关性。（2）大部分环境因子与抗生素及其ARGs成正相关，环境因子对ARGs丰度的综合影响达到了95%以上，影响力为可移动基因元件＞理化环境因子＞重金属＞抗生素，且不同类抗生素对其ARGs的影响程度不同，其中SAs对ARGs丰度的影响最大。随填埋龄增加，抗生素浓度下降，且MLs下降速率高于TCs和SAs；ARGs总相对丰度逐渐减少，但不同种类ARGs的变化不同。旱、雨两季抗生素浓度差距明显，从旱季到雨季抗生素浓度下降80%以上，且雨季ARGs相对丰度高于旱季，但绝对丰度低于旱季。（3）渗滤液处理系统对10种目标抗生素去除率高达96.0%至100%，生物和膜处理过程对不同类型抗生素的去除有不同的影响，MLs比其他两类抗生素更难降解。相比于渗滤液原液，ARGs丰度在生物处理单元中增加，而后在超滤膜处理出水中减少。出水中ARGs的绝对丰度比进水低1.05~1.94个数量级。各种ARGs与重金属，特别是Zn、Pb、Cu、Cd和As之间存在非常显著的相关性，表明重金属与ARGs之间存在共选择作用。（4）随着渗滤液、污泥性质和反应器设置等因素的变化，渗滤液生物处理中系统中的四环素（TC）基因（tet基因）分布也相应变化。Thauera和Arthrobacte分别是厌氧和好氧条件下的优势菌种。A/A/O工艺对TC有较高的去除率，而tet基因的相对丰度有明显提高。渗滤液处理系统中污泥、各污染物包括微塑料等对抗生素吸附现象显著，官能团结合、非离子共价键、静电作用力以及烷基链和苯环之间的疏水亲和作用都对吸附起关键性作用。