四环素抗性基因在污泥厌氧消化过程中的演变特征及其影响因素

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近年来,抗生素及抗性基因的污染与扩散已成为全球关注的热点。污泥作为污水处理系统的副产物,是环境中抗生素抗性基因和抗性细菌的重要存储库。四环素(TC)是一种最常用的抗生素之一,污水处理系统中的TC残留可以诱导四环素抗性基因(TC-ARGs)的产生、传播、扩散,以及耐药菌的产生,携带有TC-ARGs和耐药菌的剩余污泥直接排放到环境中会对人类健康造成威胁。因此,研究不同TC-ARGs在污泥厌氧消化过程中的演变规律及其影响因素,对通过优化厌氧消化条件进一步提高其去除效果具有重要意义。  本研究主要考察了四环素(TC)浓度、有机负荷和温度三个关键因素对剩余污泥中TC-ARGs在厌氧消化过程中演变特征,以及厌氧微生物群落结构的变化影响,同时通过对比不同因素影响下目标基因的变化行为,优化确定四环素抗性基因最佳去除的厌氧消化反应条件参数,以期为工程实践提供数据参考。  本研究的主要研究结论如下:  (1)TC的投加基本没有对常规指标pH、VSS、VFAs(主要以乙酸和丁酸为主)的变化产生明显的影响,但是对产甲烷性能具有一定的抑制作用。在不调节pH的情况下,0.30~0.60 gCOD·g-1VSS的有机负荷结合中温条件能够增强VSS的削减率,0.60 gCOD·g-1VSS的有机负荷条件还能够促进污泥产乙酸和丁酸。高温加快厌氧消化进程,促进污泥快速产酸造成pH值波动幅度较大,在5.8~8.0之间。从低温升至中温的过程促进VFAs中单组分有机酸乙酸和丁酸的生成,乙酸和丁酸最高质量浓度分别可达3500 mg·L-1和2000 mg·L-1。  (2)采用qPCR对厌氧消化污泥中的7种目标TC-ARGs(tetA、tetC、tetG、tetO、tetM、tetW和tetX)和 intI1进行检测,所有目标基因在整个厌氧消化过程中均被检出。TC-ARGs在厌氧消化过程中的演变不受 TC和有机负荷因素的影响,受到温度因素的影响显著。温度对大多数TC-ARGs起到削减的作用,总体削减效果依次为20 oC<35 oC<55 oC。不同抗性机理的抗性基因表现不一致,编码外排泵蛋白基因和编码钝化酶基因比编码核糖体保护蛋白基因在厌氧消化过程中更容易被去除,高温环境中tetA、tetC、tetG和tetX最大削减率分别为99.90%、99.97%、99.99%和99.97%。高温对intI1有一定的削减效果,削减幅度约1.54log~2.59log。intI1丰度的升高会造成抗性基因的水平基因转移,是tetO和tetW基因在20 d到60 d之间丰度升高的可能原因。  (3)VFAs(乙酸和丁酸)和intI1对目标TC-ARGs在厌氧消化过程中的演变产生了不同的影响。采用皮尔逊相关性分析TC-ARGs与乙酸、丁酸和intI1之间的关系。TC-ARGs在投加TC的高温、0.60 gCOD·g-1VSS的有机负荷消化环境中均与乙酸存在显著正相关性(0.972
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