磺胺抗生素高级氧化产物的毒性和抗性基因诱导效能及机制

Advanced oxidation is a kind of highly efficient technology for antibiotic degradation, which has a wide application prospect in the field of water treatment. However, previous studies have shown that a variety of products were produced in the process of antibiotic degraded by ozone. These products not only with toxic inhibition on the microbial community in water treatment reactor, but also retain certain ability of resistance gene induction. In this project which choosing sulfadiazine as representative antibiotic, the toxicity effects and mechanisms of resistance gene induction and microbial inhibition caused by sulfadiazine degradation products of various typical advanced oxidation technologies would be deeply analyzed. This project intends to starting with the oxidation mechanism of three typical advanced oxidation technologies of ozone, persulfate oxidation and photocatalysis, to analyze the differences of antibiotics degradation mechanism and path. The effects of sulfadiazine degradation products under different oxidation mechanisms and degradation degrees on the induction efficiency of microbial resistance genes in water would be analyzed. To clarify the effects and rules of different sulfadiazine degradation products on the physiological and ecological toxicity of microorganisms in water. The structure-activity relationship between product structure and resistance gene induction and toxicity would be final elucidated. Implement of this project could provide an important theoretical basis for improving the ecological safety of advanced oxidation technology in water treatment applications.

高级氧化是一类非常高效的抗生素降解技术，在水处理领域拥有广泛的应用前景。然而，前期研究表明抗生素在经臭氧降解后会产生多种产物，不仅对水处理反应器中微生物菌群具有毒性抑制，同时仍保留一定的抗性基因诱导能力。本课题将选用代表性抗生素磺胺嘧啶，深入解析多种典型高级氧化技术降解磺胺嘧啶的产物，对抗性基因诱导能力和微生物毒性的影响和机制。本课题拟从氧化机制入手，解析臭氧、过硫酸盐氧化和光催化三种典型高级氧化技术对抗生素的降解机制和路径差异；解析不同氧化机制和不同降解程度下磺胺嘧啶降解产物对水中微生物抗性基因诱导效能的影响和机制；明晰磺胺嘧啶不同降解产物对水中微生物生理生态的毒性抑制影响与规律；阐明产物结构与抗性基因诱导和毒性之间的构效关系。本项目的实施，将为提升高级氧化技术在水处理应用中的生态安全性提供重要的理论依据。

抗生素污染不仅会对水生生物和微生物具有一定的毒性抑制作用，对微生物群落结构产生抑制性影响，更会胁迫和诱导微生物产生抗性基因，严重的威胁人类健康和生态安全。高级氧化是一类非常高效的抗生素降解技术，在水处理领域拥有广泛的应用前景。但是由于抗生素的不完全矿化产生了许多降解中间产物。对产物毒性以及抗性基因诱导能力的研究非常缺乏，而这部分的研究不仅关系到高级氧化技术的发展和应用，还严重关乎水环境生态安全。. 本课题选用磺胺类抗生素的典型药物磺胺嘧啶，对三种典型高级氧化工艺臭氧、过硫酸盐和光催化降解磺胺嘧啶的氧化机制进行横向对比解析，揭示了三种高级氧化进程中直接氧化、电子转移和1O2、h+和O2•-等氧化途径和活性氧化物种差异；并以过硫酸盐氧化为代表，通过调控活化形式调整活性氧化物种的产生和作用方式，构建了降解机制差异下的磺胺嘧啶降解途径，并结合产物结构解析，研究了产物毒性和抗性基因诱导能力差异影响机制，解析了产物结构与毒性抑制以及抗性基因诱导能力之间的构效关系。在抗生素生态毒性和抗性基因诱导能力检测方面，除采用常规单菌纯藻毒性测试方法，本课题还创新性的提出采用微宇宙法对抗生素生态毒性尤其是抗性基因诱导效能进行深度评价，研究了磺胺嘧啶及其降解产物天然水环境混合菌群的抗性基因诱导效能与宿主差异。. 本课题探究了不同高级氧化技术降解磺胺嘧啶的机制和产物差异引起的降解产物的生态毒性差异，并进一步揭示在降解产物的选择性压力下，对微生物群落的改变和对ARGs的诱导性能，为研究抗生素的降解和生态风险减量调控提供了重要的理论依据。同时，本课题对于开发新型高效安全型高级氧化水处理技术并提高出水安全性，以及具有较大的参考价值。