活性炭工艺对氟喹诺酮的去除及药物对微生物的影响研究

摘要

氟喹诺酮类(FQs)抗生素作为一类应用广泛的合成类抗菌药，目前已在世界各国的水体中被检出。而研究显示，常规的水处理工艺并不能有效地去除这些微量的抗生素。通过在环境中的迁移转化，食物链的富集，抗性细菌的作用，这类污染物最终会对人类健康以及生态环境造成严重的威胁。因此，需要寻求有效的处理方法来去除水中存在的这类抗生素。本课题选取了两种检出频率较高的FQs抗生素，左氧氟沙星(LVF)和诺氟沙星(NOR)，研究了其在生物活性炭工艺和活性炭吸附中的去除效果，去除规律和作用机制，并考察了FQs对生物膜中微生物的影响。
　　活性炭对氟喹诺酮类药物表现出较高的吸附速率，50mg四种粉末活性炭吸附250mL浓度为20mg/L的LVF和NOR溶液，活性炭的吸附容量分别为qe(KOH改性)＞qe(NHCl改性)＞qe（F炭）＞qe（H炭）。刚开始吸附速率较大，然后趋缓，在2小时内几乎达到平衡。吸附过程基本遵循一级动力学方程，相关系数R2大多在0.96以上;用langmuir和freundlich等温方程对吸附数据拟合，发现langmuir等温线的相关系数R2大多在0.96以上，高于freundlich等温线的R2＜90％。用50 g/L KOH和NH4Cl的溶液对活性炭进行改性，使得活性炭比表面和游离羟有所增加，从而提高了饱和吸附容量和吸附速率，发现KOH改性略优于NH4Cl。温度从25℃升高到45℃对活性炭的饱和吸附量影响不明显。另外，分析发现活性炭与抗生素LVF和NOR之间的作用力主要为氢键和酸碱相互作用，影响吸附速率的因素主要为活性炭的亲水性和孔径大小。
　　生物活性炭柱对平均进水浓度为500μg/L的FQs抗生素饮用水去除规律显示，去除率至少达到90％。通过对比进药初期和后期NOR在生物活性炭柱水流方向的去除情况发现，活性炭柱运行初期，水中抗生素的浓度随高度呈指数衰减，去除作用以吸附为主，出水平均浓度为5μg/L，而到运行后期，污染物随高度递减速率降低，出水浓度达到40μg/L左右，此时为吸附和生物作用协同去除NOR。考察水中DOC浓度，停留时间，及温度三者的变化对生物活性炭运行效果的影响，结果发现DOC与NOR的去除呈负相关关系，当水中DOC浓度从5mg/L梯度增加到10mg/L，15mg/L时，出水NOR的平均浓度相应从5μg/L上升为10μg/L，30μg/L;而温度从15℃上升到20℃时，有机物和药物的去除并未呈现规律性的变化;另外，改变柱子的停留时间分别为13.1min，5.0min，出水中NOR的平均浓度为29μg/L，87μg/L。停留时间过短时，生物活性炭柱稳定性变差，出水浓度上升。比较木质炭为填料的A柱和煤质炭为填料的B柱发现，活性炭填料的性能是影响生物活性炭柱的运行的重要因素。后者的的比表面积，孔容将近前者的2倍，对水中的有机物及NOR的吸附效果显著。另外，通过对已成熟挂膜的生物活性炭的研究发现，就木质炭而言，挂膜生物炭比非生物炭具有更大的比表面和孔隙;媒质炭则相反。考察生物活性炭柱去除饮用水中的NOR的作用机制进行发现，生物活性炭柱对污染物的降解是吸附和生物降解的协同作用的结果。而不同活性炭，其吸附和生物降解所发挥的作用有所差别，实验中NOR在木质生物炭中的降解，其生物降解占总去除率的50％，煤质生物炭的去除则以吸附为主，微生物只发挥了10％～20％的作用。
　　通过研究生物活性炭上微生物发现，在水流方向上，微生物的数量逐渐减少，而微生物的种类差别不大。为了进一步了解水中所含抗生素NOR对活性炭柱子中微生物的影响。选取其中的两种优势菌，由菌种测定为缺陷短波单胞菌和嗜麦芽窄食单胞菌，进行抗性研究。通过不同浓度含药培养基的抗性培养，其抗药性得到明显的提升，缺陷短波单胞菌和嗜麦芽窄食单胞菌最低抑制浓度分别从2mg/L提高到5mg/L，从5mg/L提高到10mg/L。选取经过诱导抗药性更强的菌种进行抗性基因的研究测试，发现并未检测到gyrA亚基，parC亚基以及qnr质粒携带与喹诺酮类抗生素耐药相关基因。因此，这两种菌种的抗药性的提高并不是由于抗性基因的结果，可能存在其它的机制使其抗药性增强。进一步对子代菌种的空白培养发现，其抗药性有所下降。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 氟喹诺酮类抗生素药物概述

1．2 氟喹诺酮的环境现状及去除方法研究现状

1．2．1 氟喹诺酮的来源及传播途径

1．2．2 去除FQs常用的几种去除方法

1．3 活性炭吸附及生物活性炭工艺

1．3．1 活性炭吸附工艺概述

1．3．2 生物活性炭工艺概述

1．4 研究内容和目标

第2章 实验材料和方法

2．1 实验材料和仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 菌种鉴定方法与过程

第3章 活性炭性质吸附两种氟喹诺酮类抗生素

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 活性炭的物理化学性质分析

3．3．2 吸附动力学模拟

3．3．3 吸附等温线拟合

3．3．4 吸附机理分析

3．4 本章小结

第4章 生物活性炭柱去除诺氟沙星研究

4．1 引言

4．2 实验材料与方法

4．2．1 主要试剂及仪器

4．2．2 实验装置与实验方法

4．2．3 分析与测定方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 活性炭柱高度对抗生素去除的影响

4．3．2 不同条件对NOR去除的影响

4．3．3 不同生物活性炭柱对去除效果的影响

4．3．4 生物活性炭去除NOR的机理研究

4．4 本章小结

第5章 FQs对微生物抗药性的影响研究

5．1 引言

5．2 实验材料与方法

5．2．1 实验材料与仪器

5．2．2 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同炭层高度微生物差异及优势菌种鉴定

5．3．2 微生物对抗生素的抗药性实验及抗性基因测定

5．3．3 子代抗药性微生物的抗性遗传

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况