超高温-中温厌氧组合工艺污泥消化特性及其抗药基因消减机制研究

Studies on blocking the dissemination of antibiotic resistance genes (ARGs) in the environment, which poses a potential threat to human health, have now become one of the most important topics in the field of environmental science. Focusing on excess sludge from municipal wastewater or antibiotic production wastewater treatment plant, which is an important reservoir for ARGs, this study will mainly explore the following issues: (1) to establish and optimize a hyper-thermophilic (70℃, stage I)–mesophilic (35℃, stage II) temperature-phased anaerobic digestion system (TPAD) for the removal of ARGs and charaterize its functional microbial communities; (2) to study the mechanisms of ARGs reduction during TPAD treatment by jointly using quantitative PCR, high-throughput sequencing and metagenomics; (3) to study the effects of antibiotics (oxytetracycline and erythromycin) on the removal of ARGs by TPAD and reveal the fates of antibiotics and resistance genes during the hyper-thermophilic–mesophilic treatment. This study will provide scientific foundation for establishing the effective technology system to control the spread of ARGs in the environment.

污水生物处理系统的剩余污泥是抗药基因的重要源和汇，如何消减其中的抗药基因已成为国际环境科学研究领域的前沿问题之一。超高温（70℃）厌氧消化可促进污泥融胞破壁和抗生素水解，并且其微生物群落相对简单，有利于抗药基因水平和垂直转移的阻断；而中温厌氧消化可保证高效的甲烷代谢并稳定污泥品质，两种消化工艺的有机组合可能在实现污泥减量的同时有效消减剩余污泥中的抗生素和抗药基因。本课题将在实验室构建超高温-中温厌氧消化组合工艺并解析其功能微生物群落结构特征；评价组合工艺对抗药基因的消减效果，并揭示抗药基因的消减机制。在市政污泥处理系统的基础上，研究高抗生素残留对组合工艺消减抗药基因的影响，探索抗生素压力下污泥中抗药基因在超高温-中温厌氧消化组合工艺处理过程中的迁移转化规律，构建可实现污泥减量、资源回收、抗生素降解和抗药基因消减的协同控制技术，为阻断剩余污泥中抗药基因的环境传播提供科学支持。

环境耐药性产生和传播对于临床耐药性发展具有重要影响。抗生素生产废水的生物污水处理系统是耐药性产生和发展的热区，同时该系统的污泥是抗生素和抗药基因重要的“汇”，如何实现污泥中两种风险污染物的协同消减是环境耐药性研究领域的前言问题。本项目围绕“如何在保证资源回收的前提下实现污泥中抗生素和抗药基因的协同消减”这一科学问题，首先在实验室建立活性污泥模拟系统研究了两种不同四环类抗生素诱导污泥耐药性发展的特征，发现第一代四环素土霉素可以显著诱导活性污泥耐药性产生，而第三代四环素替加环素主要富集抗生素降解菌降低了群落实际暴露的抗生素浓度水平从而表现出更低的耐药性诱导能力。之后针对土霉素污水处理污泥，开展了中、高温厌氧消化模拟实验，发现在高土霉素压力（1000mg/L）下，高温厌氧消化可通过限制耐药菌增殖和阻断耐药基因水平转移而表现出比中温体系更优的耐药性控制效果。最后，基于温度是厌氧体系耐药性控制的一个关键因素，建立了超高温厌氧消化工艺，并选择螺旋霉素菌渣作为高含抗生素的生物固体废弃物代表，确认了超高温厌氧消化工艺对抗生素和抗药基因协同控制的有效性，研究结果对于含抗生素和抗药基因的生物固体废物的安全高效处理提供了理论和技术基础。