养殖废水处理好氧颗粒污泥系统的构建及其抗生素去除机理研究

Antibiotics contamination in the environment caused by livestock wastewater is causing increasing concern. Less research focused on the simultaneous removal of high ammonia and kinds of antibiotics in livestock wastewater. The mechanistic basis of antibiotics removal, as well as the functional bacteria are still unknown. In the proposed project, (1) aerobic granular sludge system based on partial nitrification will be established for piggery wastewater treatment. The antibiotics removal efficiency and the system stability will be evaluated. (2) the heterotrophic plate count method, the fluorescence in situ hybridization, gene expression analysis and next generation sequencing will be applied to analyze the changes in the microbial community and to identify the functional bacterial population. (3) four antibiotics will be selected for batch studies to investigate the degradation kinetics and potential affecting factors. The mechanism of the biological process based on the biodegradation products and the degradation pathways analyses will also be discussed. The proposed study will shed light on remediation of complex multiple antibiotics wastewater, as well as how multiple stressors affect the stability of bioreactor.

养殖废水导致的抗生素环境污染越来越受到研究者的关注。基于生物反应器系统处理养殖废水中高氨氮和多种抗生素的研究较少，养殖废水中抗生素类物质的去除机理及优势菌群尚不清楚。本项目拟以高氨氮多抗生素共存的猪场废水为研究对象，建立基于短程硝化过程的好氧颗粒污泥系统，评估系统对抗生素的去除效果，以及多种抗生素及高氨氮胁迫下颗粒污泥系统运行稳定性。采用可培养细菌技术、荧光原位杂交、功能基因的表达定性与定量以及高通量测序等手段，分析系统微生物群落的变化规律，揭示该生物去除过程中涉及的优势菌群。最后以4种典型抗生素为研究对象，采用实验室批试验的手段进行抗生素降解动力学及抗生素去除影响因素的研究，检测降解产物，解析降解途径，阐明生物降解机理。本项目研究可为复杂体系中多种抗生素的去除提供理论依据和技术支撑，同时可为多选择压力条件下污水生物处理系统运行稳定性和微生物多样性的研究提供科学依据。

微生物驱动的强化生物降解是环境中抗生素消减的根本途径。本项目以高氨氮多抗生素共存的猪场废水为研究对象，构建了硝化菌富集的好氧颗粒污泥系统，明晰了好氧硝化颗粒污泥系统抗生素消减机理及优势菌群，评估了该生物处理过程可能的生态风险。主要研究成果如下：（1）通过逐步提高进水氨氮浓度的方式构建了硝化菌富集的好氧颗粒污泥系统，结合光谱学手段和耗散型石英晶体微天平技术（QCMD）考察了污泥颗粒化过程。胞外聚合物（EPS）中高多糖、高β折叠类蛋白质以及低非生物界面黏附性有利于污泥颗粒化过程。（2）以环丙沙星（CFX）、氧氟沙星（OFX）、诺氟沙星（NFX）为例模拟抗生素废水，考察了其在好氧颗粒污泥系统中的去除规律，评估了耐药基因的演化规律。好氧硝化颗粒污泥系统3种抗生素的去除率遵循CFX>NFX>OFX；2种喹诺酮类耐药基因qnrD和qnrS没有富集，而可移动遗传元件intI1丰度提高了4.5倍；抗生素浓度的提高促进了耐药基因的传播，增加了抗生素污水生物处理的生态风险。（3）以实际猪场废水为研究对象，考察了猪场废水中高浓度氨氮和多种抗生素在好氧硝化颗粒污泥系统中的去除。猪场废水氨氮浓度高达630 mg/L，有多种高浓度抗生素检出，含量最高的3种抗生素分别为：磺胺间甲氧嘧啶、林可霉素和恩诺氟沙星（猪场1）以及磺酰胺哒嗪、磺胺嘧啶和磺胺间甲氧嘧啶（猪场2）。猪场2废水总氮的去除率可达60%，而猪场1废水中高浓度抗生素影响了总氮的去除（37%）。总体上，好氧颗粒污泥对磺胺嘧啶和磺胺二甲嘧啶去除效果较好，对环丙沙星和恩诺氟沙星去除较差。（4）以实际猪场废水中浓度最高的磺胺间甲氧嘧啶（SMM）为研究对象，进一步考察了其在好氧硝化颗粒污泥系统中的去除机理及降解路径。颗粒污泥主要通过吸附和生物降解去除SMM，生物降解起主要作用；颗粒污泥微生物通过共代谢作用降解SMM，其中氨氧化菌（AOB）和反硝化菌（HDB）的作用远大于硝化菌（NOB）；乙酰化、断裂砜基和葡萄糖醛酸化是SMM最典型的降解路径。