硝化污泥共代谢降解抗生素时微生物种间相互作用机制研究

Although conventional activated sludge in wastewater treatment plants (WWTPs) play an important role in antibiotics removal, some antibiotics are recalcitrant to biodegrade in WWTPs. Since nitrifying activated sludge (NAS) can biodegrade these recalcitrant antibiotics efficiently through cometabolic mode during ammonium transformation process, it is worth to exploring deep in NAS systems. However, in this system, the roles of different microorganisms played in antibiotics biodegradation and the interaction effects between different microorganisms are unknown. Therefore, in this study, enzymatic analysis method was adopted to explore the mechanism of a typical antibiotic-TMP removal in NAS system by different microorganisms. 14C isotope tracer technology was used to clarify the interaction effect between different microorganisms and quantify the effect on TMP removal. Furthermore, molecular biology technology and activated sludge models (ASMs) were used to optimize the performance of biological reactor for TMP removal. Hopeful, this study can provide a theoretical knowledge and support for the antibiotics removal in wastewater treatment.

传统活性污泥在抗生素去除过程中发挥重要作用，但是仍有部分抗生素难以被有效去除，而硝化污泥中的微生物在氨氮转化时通过共代谢模式能有效去除难降解的抗生素，因此值得人们深入研究。但是在该系统中，抗生素在不同微生物之间的分配和降解机制以及不同微生物之间的相互作用对抗生素去除的影响机制仍未清楚。因此，本研究针对硝化污泥系统中抗生素去除机理不清、微生物种间相互作用机制不明的问题，拟通过酶学分析方法，解析典型抗生素－甲氧苄氨嘧啶（TMP）在硝化污泥系统中不同微生物间的去除机理；利用14C同位素示踪技术确定系统中不同微生物间的相互作用机制以及对TMP降解的影响机理；结合分子生物学分析技术方法和活性污泥数学模型，优化反应器运行，强化抗生素去除，从而为污水中抗生素的高效去除提供理论基础和支持。

传统活性污泥在抗生素去除过程中发挥重要作用，但是仍有部分抗生素难以被有效去除，而硝化污泥中的微生物在氮素转化时通过共代谢作用能有效去除难降解的抗生素，因此值得人们深入研究。但是在该系统中，抗生素在不同微生物之间的分配和降解机制以及不同微生物之间的相互作用对抗生素去除的影响机制仍未清楚。因此，本研究针对上述问题，通过酶学分析方法，解析典型抗生素－甲氧苄氨嘧啶（TMP）在硝化污泥系统中不同微生物间的去除机理；确定系统中不同微生物间的相互作用机制以及对TMP降解的影响机理，从而为污水中抗生素的高效去除提供理论基础和支持。项目取得如下结果：（1）硝化污泥胞外聚合物（EPS）在甲氧苄氨嘧啶（TMP）去除中发挥重要作用。污泥中的EPS会抑制TMP的吸附去除。通过生物酶降解实验，结合构建的多元回归模型，可以量化EPS中不同组分（多聚糖、蛋白质和腐殖质）对TMP的吸附去除。进一步分析EPS中不同空间结构EPS（松散型LB-EPS和紧密型TB-EPS）对于TMP吸附性能的影响，确定LB-EPS和TB-EPS的官能团在吸附过程中发挥了重要作用。（2）硝化污泥系统中自养微生物产生的溶解性微生物产物（SMP）与TMP之间会发生互作，通过光谱分析结合核磁共振明确两者之间的互作机制。（3）基于批式实验，明确了硝化污泥系统中AOB、NOB和异养菌降解TMP的动力学。通过生物酶抑制实验，解析了系统中AOB、NOB和异养菌对TMP的降解比例。（4）基于质谱分析，进一步解析了硝化污泥系统中AOB、NOB和异养菌对TMP降解的贡献。识别了硝化污泥系统中TMP的降解中间产物，构建了TMP生物降解路径。项目研究结果对于污水中TMP的高效去除提供理论基础和支持。