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金霉素作为抗生素残留对污水处理中一氧化二氮排放的影响

期刊:Bioresource TechnologyDOI:10.1016/j.biortech.2020.123696

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


研究团队与发表信息

本研究由Hongbo Chen(第一作者兼通讯作者,湘潭大学环境与资源学院)、Mingyang Du(湘潭大学)、Dongbo Wang(湖南大学环境科学与工程学院)、Yaoyu Zhou(香港理工大学土木与环境工程系)、Long ZengXiao Yang(中国科学院地理科学与资源研究所)合作完成,发表于Elsevier旗下期刊《Bioresource Technology》2020年第313卷,文章编号123696(2021年6月16日在线发表)。


学术背景

研究领域:环境工程与微生物生态学交叉领域,聚焦污水处理过程中抗生素残留对温室气体排放的影响。
研究动机
1. 现实问题:污水处理厂(WWTPs)是N₂O(一氧化二氮)的重要排放源,其温室效应是CO₂的300倍且可存留大气百年以上。2018年全球WWTPs排放N₂O达200万吨CO₂当量(美国EPA数据)。
2. 科学空白:尽管抗生素在污水中的残留现象普遍(如四环素类抗生素金霉素CTC在污水中浓度可达15.9 μg/L),但其对N₂O排放的影响机制尚未明确。
研究目标:探究CTC对序批式反应器(SBR)中N₂O排放的促进作用及机制,为污水处理过程中温室气体控制提供理论依据。


研究流程与方法

1. 实验系统构建

  • 反应器设计:采用厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)序批式反应器(SBR),容积36 L,水力停留时间11.5小时,污泥龄(SRT)20天,溶解氧(DO)维持在2 mg/L。
  • 污泥来源:取自中国湘潭市某市政污水处理厂活性污泥,混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)浓度约2500 mg/L。

2. CTC暴露实验

  • 浓度梯度:设置0.1、1、10 mg/L三个CTC浓度组(模拟抗生素废水典型浓度)及空白对照组。
  • 操作条件:避光运行,每周期包含厌氧搅拌(100 min)、好氧曝气(150 min)、缺氧搅拌(100 min)等阶段,持续60天。

3. 监测与分析

  • 常规指标:每日监测NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N浓度;每周测定EPS(胞外聚合物)含量、关键酶活性(如氨单加氧酶AMO、亚硝酸盐氧化还原酶NOR)。
  • N₂O检测:气相色谱法(Agilent 7890B)测定溶解态与气态N₂O,计算排放因子(N₂O排放量/总氮去除量×100%)。
  • 机制分析
    • EPS表征:荧光光谱(Hitachi F-7000)分析EPS-CTC结合态;
    • 代谢途径:通过糖原(Glycogen)和磷酸盐(SOP)消耗评估微生物代谢竞争。

4. 数据统计

采用单因素ANOVA和Dunnett检验分析组间差异(p < 0.05为显著),数据以均值±标准差表示。


主要结果

1. CTC对脱氮效率的抑制

  • 低浓度组(0.1 mg/L CTC):NH₄⁺-N氧化未受显著影响,但反硝化受阻,NO₃⁻-N出水浓度升高41.4%(5.99 vs 对照组3.24 mg/L)。
  • 高浓度组(1–10 mg/L CTC):NH₄⁺-N氧化抑制明显,TN去除能力下降28.1%(60.8→43.7 mg-N/g-VSS)。

2. N₂O排放增加

  • 排放因子:0.1、1、10 mg/L CTC分别使N₂O排放因子提升41.4%、25.8%、43.9%(对照组4.96% vs 实验组最高7.14%)。
  • 阶段贡献
    • 0.1 mg/L CTC促进全阶段N₂O释放(厌氧/好氧/缺氧分别增加0.1、0.13、0.12 mg);
    • 高浓度CTC选择性增强好氧阶段(10 mg/L组)或缺氧阶段(1 mg/L组)排放。

3. 机制解析

  • EPS-CTC结合效应:CTC刺激EPS分泌(蛋白质含量最高达682 mg/L,对照组435 mg/L),形成EPS-CTC复合物,阻碍物质传递通道,导致:
    • 电子竞争:反硝化酶(如NAR、NIR)活性失衡,NO₂⁻-N积累(10 mg/L组达3.30 mg/L);
    • 底物竞争:聚磷菌(PAOs)活性受抑,糖原消耗菌(GAOs)占比上升,促进以N₂O为主产物的反硝化途径。
  • pH协同作用:CTC降低系统pH(好氧阶段从8.63→8.19),加剧游离亚硝酸(FNA)毒性,进一步抑制N₂O还原。

结论与价值

  1. 科学价值:首次揭示CTC通过EPS介导的传质阻碍和微生物代谢竞争,导致污水处理中N₂O排放增加,填补了抗生素-温室气体关联机制的空白。
  2. 应用意义:为优化污水处理工艺参数(如调控SRT、DO)以降低抗生素残留的温室效应提供理论支撑。

研究亮点

  1. 创新发现:阐明EPS-CTC复合物对N₂O排放的间接促进作用,突破传统“抗生素直接抑制酶活性”的认知框架。
  2. 方法学贡献:结合荧光光谱与酶活性定量,多维度解析CTC的生态毒性效应。

其他价值

  • 数据参考:建立的CTC剂量-效应关系(0.1–10 mg/L)可为环境风险评估提供基准。
  • 技术延伸:EPS调控策略或可应用于其他抗生素残留的污染控制。

(报告字数:约2000字)

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