纳米零价铁和纳米四氧化三铁强化污泥厌氧消化产气和抗性基因削减的研究

摘要

随着我国城市化进程的加快，市政污水的产量也随之逐年增加，同时也伴随着大量市政污泥的产生。且污泥中含有大量的抗生素等新兴污染物，有利于抗性基因的富集与传播，如果不加妥善处理随意排放，将会对环境中的微生物群落产生极大影响。污泥厌氧消化技术作为一种重要的污泥无害化和减量化手段，能通过微生物的分解作用将污泥中的有机质加以利用转化，生成清洁能源甲烷。但传统的厌氧消化工艺仍然存在污泥水解难度大、有机质降解效率低等问题。且经过传统的中温厌氧消化过程，污泥中的抗性基因并不能得到有效的削减。本研究通过两种铁纳米颗粒：纳米零价铁(NZVI)和纳米四氧化三铁(Fe3O4 NPs)的添加，从产气表现、微生物群落演变和抗性基因削减三个不同层面分别探究了这两种纳米材料对污泥厌氧消化的强化作用。本研究得到的主要结论如下：　　1.本研究探究了分别添加不同种类或浓度的纳米铁颗粒物的厌氧消化装置中污泥的水解表现和产气效率。发现，Fe3O4NPs和NZVI的最适添加量分别为0.5g/L和1.0g/L。在这两种添加量下，产气量分别提升了24.44%和21.66%。在为期100天的厌氧消化期间，所有装置的pH都维持在一个比较稳定的水平，在7.37~7.81之间上下波动，没有出现明显的酸败现象。且两种纳米铁颗粒的加入都促进了污泥的水解过程，VS和sCOD的去除率都得到了不同程度的提升。两种铁纳米颗粒的添加都能使污泥厌氧消化的表现得到强化。　　2.基于16SrRNA扩增子测序技术揭示了不同浓度和种类的铁纳米材料的长期胁迫下，污泥中微生物的群落结构动态变化，探究了主要环境因子与微生物属类的相关性和响应模式。研究发现两种铁纳米颗粒的添加都不同程度地影响了微生物群落的结构，尤其是古菌群落。纳米四氧化三铁的添加大大提高了嗜乙酸型产甲烷菌Methanosaeta的丰度，而嗜氢型产甲烷菌Methanobacterium的丰度在添加了两种铁纳米颗粒的装置中都有不同程度的增加。通过环境因子与属水平的微生物种类之间的RDA分析可以看出，在细菌群落中占主导地位的Gelria,Lutispora和Proteiniclasticum与甲烷产量并没有一个很好的相关性，反而是丰度较小的vadinBC27和Ruminococcaceae_UCG-013与甲烷产量密切相关，说明这些可能才是驱动厌氧消化装置产甲烷的关键微生物种群。　　3.借助实时荧光定量PCR(qPCR)的方法测定了污泥中具有代表性的五种目标抗性基因ermF,ermA,ermT,aac(6’)-IB,blaOXA-1和I类整合子intI1的丰度在不同装置中随着厌氧消化过程的变化情况。发现随着厌氧消化的进行，aac(6’)-IB和blaOXA-1的平均削减率分别达到了95.69%和55.18%，但是其他三种大环内酯类抗性基因(ermF, ermA, ermT)都得到了一定程度的富集。不同种类的抗性基因在厌氧消化过程中展现出了截然不同的演变趋势。此外，在添加了纳米零价铁的装置中，大多数抗性基因的种类都是比对照组低的，这可能与纳米零价铁的细胞毒性有关。在该研究中，垂直转移是抗性基因传播的主要机制，纳米零价铁添加至污泥中后能与许多抗性基因潜在宿主细胞的细胞膜上的功能蛋白等发生反应，从而破坏了细胞的完整性，削弱了由宿主细胞的繁殖扩增而完成的抗性基因垂直转移程度，有利于污泥中抗性基因的削减。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 市政污泥的产生与处理

1.1.1 市政污泥的来源与主要特性

1.1.2 市政污泥的处理处置

1.2 厌氧消化技术

1.2.1 厌氧消化的原理

1.2.2 厌氧消化的影响因素

1.2.3 厌氧消化的研究现状

1.3 污泥中的抗生素耐药性研究

1.3.1 抗生素与抗性基因的污染现状

1.3.2 抗生素抗性基因的传播机制与传播途径

1.3.3 厌氧消化对抗性基因削减的影响

1.4 铁纳米颗粒处理技术

1.4.1 纳米零价铁的概述及应用

1.4.2 纳米四氧化三铁的概述及应用

1.5 本研究的目的、意义、内容和研究路线

1.5.1 研究目的和意义

1.5.2 研究内容

1.5.3 技术路线图

第 2 章实验材料与方法

2.1 主要实验材料

2.2 厌氧消化实验装置

2.3 样品主要指标及其测定方法

2.3.1 气体产量和成份的测定

2.3.2 挥发性脂肪酸的测定

2.3.3 重金属含量的测定

2.3.4 DNA 的提取

2.3.5 微生物群落的分析

2.3.6 抗生素抗性基因的检测

2.3.7 其他常规指标的测定

第 3 章 NZVI 和 Fe3O4 NPs 促进厌氧消化效率的研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 铁纳米材料对厌氧消化过程中有机质降解的影响

3.3.2 铁纳米材料对厌氧消化反应装置产气性能的影响

3.4 本章小结

第 4 章 NZVI 和 Fe3O4 NPs 对微生物群落结构的影响

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 NZVI 和 Fe3O4 NPs 添加对古菌群落结构的影响

4.3.2 NZVI 和 Fe3O4 NPs 添加对细菌群落结构的影响

4.3.3 环境因子和优势微生物属的关联性分析

4.4 本章小结

第 5 章 NZVI 和 Fe3O4 NPs 对抗性基因削减的影响

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 不同 ARGs 在不同厌氧消化装置中的丰度变化特征

5.3.2 ARGs 在污泥厌氧消化过程中的传播机制

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢