环丙沙星对废水生物脱氮除磷效果的影响外文翻译资料

 2022-04-29 09:04

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环丙沙星对废水生物脱氮除磷效果的影响

Kaixin Yi, Dongbo Wang , QiYang , Xiaoming Li, Hongbo Chen, Jian Sun, Hongxue An, Liqun Wang,Yongchao Deng, Jun Liu, Guangming Zeng.

摘要：在这项工作中，为了评估环丙沙星（0.2和2 mg·L -1）对废水外源营养物的去除效果，我们进行了短期和长期的实验。结果表明，两种不同浓度的沙丁胺醇没有明显的时间和空间上的差异，不利于活性污泥的表面积分和活性。短期暴露于所有环丙沙星水平对废水养分去除的影响可以忽略不计。然而，脯氨酸含量降低，总磷和氮的去除率分别从对照的96.8,95.8％（91.7％，84.9％（0.2 mg·L -1）和90.5％，80.2％（2 mg·L -1））降低。机制研究显示环丙沙星暴露抑制反硝化作用和磷吸收过程。它也是发现环丙沙星影响细胞内聚羟基链烷酸酯和糖原的转化有氧和缺氧阶段。此外，亚硝酸还原酶和聚磷酸激酶的活性受到塞洛沙星存在的抑制。与高通量测序相比，傅立叶分析结果显示对照，聚磷酸盐积累生物体的丰度，糖原累积生物体和细胞器环丙沙星暴露反应器中的反硝化细菌减少，这与在这些反应器中测量的降低的营养物去除性能一致。

关键词：环丙沙星 氮和磷的去除 硝化 反硝化 聚磷酸盐积聚生物体

文章精华：环丙沙星抑制生物营养的颤谷功能 环丙沙星抑制了PHA和糖原的转化加成 环丙沙星抑制NIR和PPK活性 慢性暴露环丙沙星影响微生物群落

1、简介

抗生素是一种新型的药物预防-对人类和动物都有重要的控制作用（Kumar et al，2012）。它们通过喂食，注射等方式输送给动物和人类。重刑和药物服用。由于它们对细菌 - 停滞，抗生素被滥用。在过去的几年里，更多和更多的抗生素如诺氟沙星，磺胺甲恶唑，萘啶酸和甲氧苄啶已在中检测到废水流出物，河水和地下水，中位数通常是纳克级，微克级，甚至毫瓦级，克每升（Kim等人，2015;Dalmazio等人，2007; Ayscough等人，2000）。最近，抗生素被列为优先风险由于它们对藻类和细菌在低浓度下具有高毒性，以及它们引起特别人群（Hermando等，2006）。发生环境中的抗生素导致抗生素耐药性上升对致病菌。因此，它对人口普查的影响，细菌及其抗生素抗性基因的遗传动态废水和河水在过去几年引起了很多关注年（Huang等，2017）。环丙沙星（CIP）是一种广谱氟喹诺酮类药物用于人类和兽医药物。它通常被利用用于治疗咽喉炎，鼻窦炎和耳鼻喉疾病等疾病，疼痛以及气道疾病，如肺炎和支气管炎（Coutu等，2013）。据记载，口服氟沙星过去五年来已增加30％（Batt等，2007）。由于CIP的滥用和新陈代谢特征，它一直是在废水中越来越多地被发现（Li等，2011）。三大重要CIP进入废水的来源是工业，医院和医院家庭。据报道，城市废弃物中的CIP水平，一般在100-300 ng·L -1范围内，而CIP水平则在100-300 ng·L -1范围内，在医院废水中约为21mu;g·L -1（Doorslaer et al。2014）。CIP生产设施排放的废水CIP浓度它可以达到4.9 mg·L -1（Babicet al，2013）。根据我们对中国中部12个污水处理厂（污水处理厂）的调查，这些污水处理厂位于医院或CIP附近生产设施，进水CIP浓度范围为0.01-0.3 mg·L -1。

CIP可影响革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的DNA促旋酶和拓扑异构酶IV，从而阻止DNA复制并导致细胞死亡（Martiacute;nez，2008）。先前的调查显示假单胞菌属物种，棒状杆菌属物种和微球菌属物种。对抗生素的毒性作用敏感（Akhter等，2013）。作为CIP进入水生环境之前的最后一道障碍，污水处理厂被操纵故意培养一系列微生物，如硝化细菌，反硝化细菌（DB Wang等，2017; YL Wang等，2017）和聚磷酸盐积累生物体（PAOs ）去除污染物（如氮和磷）（Wang et al。2012; Wang et al。2016a; YG Chen et al。2014; HB Chen et al，2014）。 CIP的存在也可能带来毒性到这些工程微生物，从而恶化污水处理厂的性能。冈萨雷斯 - 马丁内斯等人报道，350 ng /L -1的CIP诱导了侧流废水处理的部分亚硝化过程的恶化。但是，迄今为止，还没有报道CIP对主流废水氮和磷去除的潜在毒性。

因此，这项工作的目的是充分评估CIP对废水氮和磷去除的潜在毒性。 为了获得更多的信息，本文对城市污水相关水平（0.2 mg·L -1）和CIP生产设施废水相关水平（2 mg·L -1）进行了测试。 首先，研究CIP对生物脱氮除磷的短期和长期影响。然后，通过分析影响生物脱氮除磷的完整性的因素，探讨了影响生物除磷脱氮的因素。活性污泥表面，代谢中间体的转化，关键酶的活性和微生物群落。 据我们所知，这是第一项充分评估CIP污水处理工艺潜在毒性的研究，并且这里得到的发现使工程师们更加关注这些新出现的污染物如CIP对废水生物处理过程的毒性。

2、材料和方法

2.1、 亲代反应堆的运行

连续操作工作容积为36L的亲代序批式反应器。这些污泥是从中国长沙城市污水处理厂的二沉池得到的。种子污泥中的CIP含量不可检测。反应器维持在21plusmn;1℃，每天运行3个周期。每个周期由1.5小时的厌氧阶段组成，2.0h氧化相和2.5h缺氧相，然后沉降1h， 20分钟滗析和40分钟怠速阶段。。在厌氧阶段的前5分钟，21L合成废水的组成描述为下面被泵入反应器。除了沉降，倾析和空闲阶段之外，使用搅拌器进行混合。在有氧阶段，空气通过曝气机以35L·min -1的流量提供给反应器，污泥停留时间和水力停留时间分别维持在12d和11h左右。加入2M HCl或2M NaOH将流出液PH调节至7.4。在大约50天的操作之后，在该母反应器中实现稳定操作，然后取出污泥用于以下毒性测试。化学需氧量（COD），铵的浓度（NH 4 -N）和可溶性磷（SOP）浓度分别控制在300,30和10 mg·L -1，合成废水的详细组成为mg·L -1：乙酸钠为384.6，KH 2 PO 4为14.62，K2HPO 4·3H 2 O为114.4，NH 4 Cl为114.4，5mg CaCl 2，10mg MgSO 4·7H 2 O和0.5mL.。微量元素溶液。微量金属溶液由（g·L -1）组成：1.50 FeCl 3·6H 2 O，0.06Na 2 MoO 4·2H 2 O，0.03 CuSO 4·5H 2 O，0.12 MnCl 2·4H 2 O，0.15CoCl 2·6H 2 O，0.12 ZnSO 4·7H 2 O，0.15H 3 BO 3，0.18KI和10乙二胺四乙酸（Wang等人，2008）。

2.2、急性和慢性暴露于CIP

对于急性试验，实验在每个工作体积为3L的3个重复反应器中实施。在缺氧阶段结束时从母体反应器中取出总共9L的活性污泥混合物，并均等分成三个反应器。沉淀和倾析2L上清液后，反应器I和II接收含有0.2mg·L -1和2mg·L -1 CIP的废水，而反应器III接收不含CIP的废水并设为对照。除CIP水平外，合成废水的其他成分和浓度相同与父母反应堆。所有的操作条件也与母反应堆相同。铵态氮（NH 4 _N），亚硝酸盐氮（NO 2 -N），硝酸盐 - 氮（NO 3 -N），聚羟基脂肪酸酯（PHA），糖原，污泥活力和LDH释放（细胞膜损伤标志物）在一个周期内每30分钟测量一次。

对于慢性实验，上面进行的所有反应器都是不断运作以分析CIP可能的慢性影响。该三个反应堆的运行条件分别为与急性试验中的那些相同。 P，NH 4的出水浓度每天记录 N，NO 2 - -N，NO 3 - -N。所有反应器均经过稳态运行，然后NH 4 _N，P，NO 2 - -N，NO 3 - -N，PHA，糖原，污泥活力，LDH释放，以及与生物氮和氮有关的关键酶的活性除磷（即氨单加氧酶（AMO），亚硝酸盐氧化还原酶（NOR），硝酸还原酶（NAR），亚硝酸盐还原酶（NIR），外聚磷酸酶激酶（PPX）和多磷酸激酶（PPK））在一个周期内被确定。而且，CIP的效果通过高通量测序对细菌群落结构进行了探索。

2.3、 分析方法

NH 4 -N，NO 2 -N，NO 3 - -N，SOP，混合液的测定根据标准方法（APHA，1998）进行悬浮固体（MLSS）和混合液体挥发性悬浮固体（MLVSS）。根据先前描述的方法通过气相色谱法分析细胞内PHA，包括聚-3-羟基丁酸酯（PHB），聚-3-羟基戊酸酯（PHV）和聚-3-羟基-2-甲基戊酸酯（PH2MV）（Chenet等，2015）。总PHA计算为测量的PHB，PHV和PH2MV的总和。根据文献报道的方法（Pijuan等，2010），通过高效液相色谱法（Agilent 1200，USA）检测到糖原，该程序在补充材料中提供。

AMO，NOR，NIR，PPX和PPK活性的分析作为参考（Louvet et al。，2010）。根据制造商的说明，使用细胞毒性检测试剂盒（LDH释放测定）（Roche Molecular Biochemicals）和细胞计数试剂盒-8（细胞增殖测定）（Dojindo）分别测量活性污泥的LDH释放和细胞活力。根据参考文献（Mino et al.1998），通过PCR和高通量测序测定细菌群落结构。长期实验后，根据生产商的说明书，使用PowerSoilreg;160 DNA分离试剂盒（MOBIO，San Diego，CA USA）从提取的污泥中提取DNA。使用通用PCR扩增16S rRNA基因经由XP Cycler（Bioer，Shanghai，China）的引物338F（5#39;-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3#39;）和806R（5#39;-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3#39;）。PCR扩增以50mu;L总体积进行，其中包括10mu;L基因组DNA（5ng /mu;L），3mu;L各引物（1mu;M），3mu;LDMSO，25mu;LPhusion High-Fidelity PCR Master Mix用HF缓冲液（NEB，Ipswich，Massachusetts USA）和不含核酸酶的水（至50mu;L）。所有样品在扩增测定中一式三份以减少可能的PCR错误。将三个平行样品的PCR产物与Agencourt AMPure XP 60ml试剂盒混合并纯化（Beckman Coulter，CA USA），并使用NanoDrop分光光度计（NanoDrop-1000，Thermo Scientific，USA）定量。然后将纯化的样品在最后的程序中以相同的质量浓度汇集在一起，将其用于文库构建。高通量测序由Miseq（Illumina，San Diego，CA USA）采用上海古河信息公司的配对末端测序方法（2times;300bp）实施。

2.4、 统计分析

所有测量均进行一式两份，结果表示为平均值plusmn;标准差。 使用方差分析来评估结果的显着性，p 0.05被认为具有统计学显着性。

3、结果与讨论

3.1、CIP对生物氮和除磷的急性和慢性影响

实验结果表明，一次循环中氮（NH 4 -N，NO 2 - -N或NO 3 - -N）和磷（SOP）的循环变化。 CIP暴露反应器几乎与对照组相比（图S1），表明0.2和2 mg·L -1 CIP对废水中生物营养物的去除没有急剧影响。然而，长期暴露于CIP后氮和磷的去除效率都降低了。如表1所示，对照组的平均总磷（TP）和总氮（TN）去除效率分别为96.8％和95.8％。长期接触0.2 mg·L -1 CIP降低TP去除效率和TN去除效率为91.7plusmn;0.6％和90.5plusmn;1.4％。当活性污泥暴露于2 mg·L -1 CIP时，TP和TN的去除率分别降至84.9plusmn;1.3％和80.2plusmn;1.4％。该结果表明，尽管CIP的短期暴露没有反作用于外源性中性营养素的去除，但是暴露于暴露磷和总氮的去除效率显着降低。在下文中，将探讨CIP如何影响生物氮和磷去除的细节。

3.2、CIP如何影响氮和磷的去除

虽然突然出现的CIP未引起非特异性刺激性生物营养物质消除，但是它仅在暴露3天后明显地去除了氮和磷的去除（图1）。 观察到这种不利影响持续在整个操作中（图S1）。 图2显示了SOP，NH 4 - N，NO 3 - -N和NO 2 - -N在稳定运行后的循环变化。可以看出，磷酸盐释放过程不受影响，但CIP的存在抑制了磷酸盐 摄取过程。 随着CIP从0增加到2 mg·L -1，出水SOP浓度从0.29mg·L -1上升到1.58mg·L -1。图2还可以看出，铵和硝酸盐的循环变化不受影响。

然而CIP暴露导致污水亚硝酸盐水平大幅增加。 在对照反应器中，在0.2和2 mg·L -1 CIP暴露反应器中分别测量到0.17 mg·L -1亚硝酸盐，而分别测量到1.66mg·L -1和4.55 mg·L -1亚硝酸盐。 这个结果表明，CIP的存在并没有显着影响硝化作用（P lt;0.05），但是CIP在0.2或2 mg·L -1时显着抑制了反硝化作用（p lt;0.05）。 据报道，反硝化受到CIP的抑制，并且在培养基中延长的培养期间趋势更明显（Liu等，2013）。

在CIP进入废水处理单元之后，它首先被吸附到生物质的表面。以前的出版物证明了ClP在环境中顽固，难以被生物降解过程和污泥吸附是污水处理的主要预处理途径（Li和Zhang，2010; Girardi等，2011; Mougin等，2013）。 CIP与生物质之间的接触可能会对生物质表面造成潜在的损害。因此，通过细胞增殖和LDH释放试验评估毒物对细胞生长和活力的影响（Mosmann，1983），因此在这项工作中进行了两种试验。可以看出，在短期或长期操作后，在三个反应器中测得的LDH释放量几乎相

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