A/O-MBR中微塑料表面生物膜及抗性基因赋存特征的研究

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塑料由于其质地轻、方便和耐腐蚀等特点使得其在各个领域被广泛利用,在环境中经过物理化学作用,逐渐变小形成尺寸小于5 mm的塑料被称为微塑料(Microplastics,MPs),由于MPs在生活中来源多,且形状体积较小,在目前生态环境中经常发现MPs的存在,并且易于被生物误食。污水处理厂是MPs进入环境的重要来源,并且MPs可以作为微生物附着的载体,携带致病菌和抗性基因进入水体环境,对人类健康产生威胁。然而,在污水处理系统中,MPs表面理性特征变化及对污水系统影响的研究较少。此外,在污水处理系统中同时还存在多种污染物,如抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs),目前在环境中不同材质的MPs促进或抑制ARGs的传播尚不清楚,且在MPs表面上ARGs的赋存特征尚未明确,有待进一步研究。因此,本文分别选取聚苯乙烯(Polystyrene,PS)、聚乙烯(Polyethylene,PE)和聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)作为MPs的典型代表,采用A/O-MBR污水处理工艺为研究对象,考察了A/O-MBR系统中MPs上生物膜形成的过程,研究了MPs对A/O-MBR系统运行及污泥特性的影响,探究了MPs对A/O-MBR系统内抗性基因赋存特征的影响。为判断MPs在环境中的潜在风险提供有利的参考,同时为ARGs的传播控制提供理论依据。本文的主要结论如下:(1)利用接触角测定仪、傅里叶红外光谱仪和扫描电镜等测试技术发现,随着运行时间逐渐增长,MPs的疏水性减弱,O-H官能团生成且含量增多,表明MPs表面有不同程度的老化。且PS在O池中更易于老化,而PE和PVC在A池中老化程度更强。通过结晶紫染色法测定MPs表面生物膜量,结果表明,MPs老化程度越高,生物膜量也就越多。微生物多样性分析结果表明,MPs表面可作为微生物的载体附着降解MPs的功能菌属,其中PS的主要降解属为Hydrogenophaga,PE的主要降解属为Enterobacter,PVC的主要降解属为Bacillus。(2)A/O-MBR系统运行60天,对系统出水COD、氨氮、总磷等常规指标的测定发现,不同材质MPs对系统中的常规污染物的去除有不同程度的影响,PVC对COD的去除抑制效果最明显,平均去除率低于空白4%;PE对氨氮和总磷的去除抑制效果最明显平均去除率分别低于空白5%和16%;PS对总磷的抑制效果最明显平均去除率低于空白12%;通过对A/O-MBR系统中污泥特性的测试发现,MLSS、MLVSS、污泥粒径和Zeta电位随着运行时间的延长均逐渐减少,系统内污泥EPS中蛋白质浓度明显高于多糖浓度,在投加MPs后均会刺激EPS的产生,且PE的刺激作用最为明显。(3)利用高通量Q-PCR技术分别测定MPs表面和污泥中ARGs及intⅠ1的相对丰度测定发现,MPs越容易老化,其表面生物膜上intⅠ1基因定殖越多,其赋存的ARGs相对丰度随之越多,MPs表面大多数菌属均是多重ARGs的潜在宿主,因此,A/O-MBR系统中MPs可以作为ARGs的载体并在其表面传播扩散。在A/O-MBR中在投加MPs后会促进或抑制污泥中细菌的生长,从而影响其与细菌具有相关性ARGs相对丰度的变化,在污泥中ARGs的潜在宿主基本具有单一耐药性,并且不同材质MPs表面ARGs与投加MPs后污泥中ARGs的相似性均有不同。综上,本论文的结果有助于更加深刻地认识到污水处理系统中MPs的变化特征及对系统运行的影响,同时指出了MPs可作为ARGs的载体为进入污水处理厂中MPs对环境的潜在危害提供了理论支持,同时为ARGs传播控制提供理论依据。
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