四环素强化生物去除及其在自然水体中迁移转化规律的研究

摘要

药品和个人护理品(PPCPs)作为一类广泛使用和具有潜在生理效应的“新型”微量污染物，由于持续排放、环境积累和毒害风险的特殊性而引起社会各界的普遍关注。由于水体中PPCPs污染物浓度低，生物毒性强，传统污水生物处理工艺对其去除能力有限，因此需要研发针对PPCPs降解去除的生物处理新技术。另外PPCPs在自然环境中呈现出“持续存在”的状态，其在环境水体中的归宿及行为也亟待深入研究。因此，本论文选取四环素作为PPCPs的典型代表物，针对水环境中四环素的强化生物去除及迁移转化问题，开展了系列研究，丰富了现有污水生物处理理论，为水中PPCPs的有效降解提供技术和理论支持，主要研究内容及结果如下:
　　1.由于污泥停留时间较长，群落结构复杂，硝化污泥往往具有降解有毒有害污染物的能力。因此我们选用硝化污泥来去除四环素类污染物，并考察了四环素在硝化污泥系统中的迁移转化规律及毒性行为。研究发现，在硝化污泥系统中，四环素主要通过污泥吸附和生物降解两条途径得到有效去除，其中生物降解是四环素去除的主要途径;污泥中氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的活性均受到四环素的抑制，而且NOB对四环素更为敏感;相较于四环素浓度较低的反应器，硝化污泥在含有较高的四环素浓度的反应器中表现出更好的硝化性能，并保留了更多的NOB，这主要是由于硝化污泥能在四环素的诱导下加速形成体积较大结构密实的聚集体，从而使污泥具有多层结构，对内部微生物起到保护作用，这种诱导效果在高四环素浓度下更为明显。
　　2.利用富集培养污泥体系驯化并富集能够耐受和降解药物类污染物的微生物，从而增强污泥对较高浓度抗生素的耐受性和降解能力，进而考察了高浓度四环素在富集培养污泥体系中的生物降解和毒性行为。研究发现，四环素能够被污泥通过吸附和生物降解的方式高效去除，其中以生物降解为主;体系中有机碳源的消耗与四环素的生物降解趋势一致，说明有机碳源是影响四环素生物降解的重要原因，共代谢很可能是体系中四环素生物降解的主要方式;四环素能够抑制微生物的活性，降低微生物的脱氢酶活性;四环素对体系中污泥的作用是多重的:一方面，对污泥中细菌起到筛选作用，淘汰部分微生物，富集优势菌群;另一方面，诱导污泥形成粒径较大的聚集体，保护内部细菌，保留群落多样性。
　　3.利用光谱学和能谱学手段解析了胞外聚合物(EPS)与四环素相互作用的机制。研究发现，污泥提取的EPS主要由蛋白质、多糖和腐殖酸组成，其中蛋白质在EPS与四环素的相互作用中起到重要作用;四环素能够猝灭EPS的荧光信号，二者猝灭反应的机制为静态猝灭，说明二者结合形成了复杂的化合物。通过拟合计算发现，该结合过程为自发进行的放热反应，至少具有一个结合位点，且静电力在其中起到了重要作用;EPS和四环素的作用影响了二者分子结构中的多个官能团，羟基、羰基和氨基均涉及在反应中，其中四环素分子中的羟基基团发生变化最为明显，作为四环素发挥抗菌性的功能性官能团，羟基的变化可能会影响四环素的活性，进而影响其在水体环境中的迁移转化。
　　4.选取单宁酸和没食子酸作为腐殖酸类物质的典型代表物揭示了腐殖酸类物质对四环素光解和生物毒性等环境行为的影响机制。研究发现，腐殖酸通过竞争吸收光子和与四环素通过疏水、范德华力等作用结合的方式几乎完全抑制四环素的直接光解，并通过产生三重激发态天然有机物和提高羟基自由基的产率来促进四环素的间接光解，其中三重激发态天然有机物为光解的主要驱动力;腐殖酸类物质会影响四环素的光解速率，但不会改变四环素的光解产物和光解途径;腐殖酸类物质能够促进四环素在微生物表面的吸附，提高四环素在微生物细胞内的含量，从而增强四环素的生物毒性，另外四环素分子的功能性官能团——羟基基团在腐殖酸的作用下发生改变，很可能会增强四环素的生物毒性。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 药品及个人护理品概述

1．2 抗生素概述

1．2．1 环境中抗生素的主要来源

1．2．2 环境中抗生素的迁移转化

1．2．3 抗生素对环境的影响

1．3 抗生素的去除研究

1．3．1 吸附法

1．3．2 高级氧化法

1．3．3 生物降解

1．3．4 光解去除

1．4 四环素概述

1．5 本研究的目的、意义及内容

1．5．1 本研究的目的和意义

1．5．2 本研究的主要内容

第二章 硝化污泥系统中四环素迁移转化及行为研究

2．1 概述

2．2 实验材料与方法

2．2．1 硝化污泥和反应器运行

2．2．2 空白实验和对照实验

2．2．3 分析方法

2．2．4 四环素的分布分析

2．2．5 脱氢酶活性测定

2．2．6 荧光原位杂交(FISH)

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 硝化性能研究

2．3．2 硝化污泥系统中四环素的去除

2．3．3 四环素的分布

2．3．4 硝化污泥的酶活性

2．3．5 荧光原位杂交(FISH)分析

2．3．6 污泥形态与粒径分析

2．4 本章小结

第三章 富集培养污泥体系中高浓度四环素生物降解及行为研究

3．1 概述

3．2 实验材料与方法

3．2．1 反应器运行条件

3．2．2 模拟废水组成

3．2．3 对照实验及空白实验

3．2．4 分析方法

3．2．5 四环素在固相和液相中的分布

3．2．6 脱氢酶活性分析

3．2．7 DNA提取及16S rRNA高通量测序

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 长期运行中四环素的去除

3．3．2 四环素的固液分布

3．3．3 污泥活性分析

3．3．4 污泥粒径分布

3．3．5 微生物群落分析

3．4 本章小结

第四章 四环素与胞外多聚物(EPS)的相互作用

4．1 概述

4．2 实验材料与方法

4．2．1 试剂

4．2．2 活性污泥培养条件及性能

4．2．3 EPS提取与成分分析

4．2．4 样品准备

4．2．5 分析方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 EPS与四环素相互作用的紫外-可见光谱分析

4．3．2 EPS与四环素相互作用的红外光谱分析

4．3．3 EPS与四环素相互作用的X射线光电子能谱分析

4．3．4 EPS与四环素相互作用的核磁共振氢谱分析

4．3．5 EPS中与四环素发生反应的主要物质

4．3．6 EPS与四环素相互作用的EEM分析

4．3．7 荧光猝灭拟合分析

4．3．8 EPS与四环素的作用机理

4．4 小结

第五章 腐殖酸类物质对四环素环境行为影响研究

5．1 概述

5．2 实验材料与方法

5．2．1 试剂

5．2．2 紫外光照实验及样品准备

5．2．3 活性氧分析

5．2．4 高效液相色谱(HPLC)分析方法

5．2．5 荧光光谱

5．2．6 核磁共振氢谱(1H NMR)

5．2．7 质谱分析及键能计算

5．2．8 模拟光照实验及样品准备

5．2．9 生物毒性实验

5．2．10 细胞内四环素浓度测量

5．3 实验结果和讨论

5．3．1 四环素的光解

5．3．2 活性氧(ROS)分析

5．3．3 四环素直接光解分析

5．3．4 中间产物分析

5．3．5 模拟日光下四环素的光解

5．3．6 腐殖酸对四环素生物毒性的影响

5．3．7 细胞内四环素浓度分析

5．3．8 核磁共振氢谱分析

5．3．9 四环素光解产物毒性分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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