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曲久辉院士团队WR：实验室人工湿地微生物介导的同步脱氮和磺胺甲恶唑/N-乙酰磺胺甲恶唑去除研究

时间：2023-08-25 来源：浏览：

曲久辉院士团队WR：实验室人工湿地微生物介导的同步脱氮和磺胺甲恶唑/N-乙酰磺胺甲恶唑去除研究

环境人Environmentor

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摘要

人工湿地（CWs）越来越多地用于处理复杂的污染物，如氮和来自人为来源的新兴有机微污染物。反硝化，厌氧氨氧化，异化硝酸盐还原为铵，和氧化亚氮的释放中经常检测到的磺胺类药物磺胺甲恶唑（SMX）及N-乙酰磺胺甲恶唑（N-SMX）。在实验室规模的CW进行了调查190天，在第5周SMX和N-SMX组的反硝化速率受到显著抑制。随后又恢复，且相关的氮减少和抗生素抗性基因（ARGs）的增加。最后，在操作期间，在加入SMX和N-SMX的实验室规模CW中，氮减少（> 90%）和抗生素去除（> 80%）也恢复，这揭示了SMX或N-SMX去除和氮减少的相互作用。

实验设计与方法

共四对垂直地流下CW，每对CW一式两份。第一对CWs没有用抗生素处理，第二对加入100 μg·L-1 SMX，第三对加入100 μg·L-1 N-SMX，第四对加入100 μg·L-1 SMX和100 μg·L-1 N-SMX，所有8个CW种植芦苇。进行以下分析：

（1）理化分析；反硝化、厌氧氨氧化和DNRA速率的测量；、COD、抗生素、氮去除率计算（2）N2O释放速率的测量；（3）定量聚合酶链反应（qPCR）和测序分析。

结果

1. SMX和N-SMX加入均引起氮还原的短期抑制（0~34d）

图 1

(1) 反硝化速率：在190天的时间里，首先下降，然后增加。第5周（34 d），空白组的反硝化率首先恢复到正常水平，其他3组抗生素组的反硝化率均很低。加入SMX和N-SMX在第34天显著抑制反硝化作用（图1a）。

(2) 厌氧氨氧:当抗生素暴露组的反硝化速率在第34天被显著抑制时，抗生素暴露组的厌氧氨氧化速率增加（图1b）。此外，由于反硝化速率恢复到较高水平（11.18 nmol N·g-1·h-1），空白组的厌氧氨氧化速率降至无法检测的水平。

(3) DNRA速率的变化:其首先降低然后增加，与反硝化速率的变化相似,在第34天，抗生素暴露组中的DNRA率低于空白组中的DNRA率（图1c）。

(4) N2O释放速率响应:反硝化进行得越彻底，N2O释放越受到抑制。第5周时，由于反硝化作用较初期增强，空白组及三个处理组N2O释放速率均下降，然而，与空白组相比，处理组的N2O释放率速率受到抑制更高（图1d）。

(5) 相关微生物信息：在第34天，空白、SMX、N-SMX和SMX混合N-SMX组中narG（r =0.967，p=0.033）、nirS（r=0.981，p=0.019）和nosZ（r=0.977，p=0.023）的丰度与第34天的潜在反硝化速率正相关。类似地，在第34天，DNRA率和基因narG的丰度（r=0.864，p=0.136）在四个组之间是一致的。这hzsB与第34天的厌氧氨氧化率无显著正相关（r=0.330，p=0.670），可能是因为hzsB的丰度较低。在第34天，四个组的N2O释放速率与基因nirS（r =-0.956，p = 0.044）和nosZ（r=-0.960，p=0.040）的丰度负相关（图1e、f、g、h）。

2. 氮减少随着SMX或NSMX长期暴露逐渐恢复（35~190d）

图2

在第9周（65 d），SMX和N-SMX组的反硝化速率恢复到与空白组相当的水平。直到第190天，此时，在所有四个组中均未检测到厌氧氨氧化速率，且四个组显示出15−20 nmol N·g−1·h−1的高反硝化速率（图2a、b）。SMX或N-SMX组未观察到显著的规律性。结果表明，抗生素首先在短期内抑制反硝化速率，然后反硝化速率恢复到与非抗生素暴露组相同的正常水平，并在氮还原中发挥重要作用。

抗生素组中的DNRA率也恢复到与空白组中的那些相似的水平（图2c）。然而，在第150天，各组中的DNRA率降低，这可能是由于温度降低。5周后，N2O释放速率持续下降，并且由于显著的反硝化活性而显示出相当负值，表明N2O排放被完全反硝化抑制。因此，在空白组以及SMX和N-SMX组中，三种氮还原过程中的主要途径是反硝化，其在5周后贡献了84.50%-98.17%的硝酸盐还原。

SMX、N-SMX和SMX混合N-SMX组中narG、nirS和nosZ的丰度在第65天恢复到与空白组中的基因丰度相似，并在第100天达到峰值。然而，在第190天，四个组中narG、nirS和nosZ的丰度在第0天恢复到其初始水平（图2e、f、g、h）。

3. 水和基质中的氮和SMX或N-SMX去除

图3

总体而言，虽然各组均能稳定降低COD，但NH4+-N去除率波动较大。与空白组NH4+-N的稳定去除相比，SMX、N-SMX和SMX混合NSMX组NH4+-N的去除率反复下降和恢复。在第34天（5周），三个抗生素组的NH4+-N去除率均显著降低，这与氮还原的抑制作用相对应（图3）。

SMX和N-SMX的去除率都有所下降，随后恢复。100d后SMX去除率逐渐恢复到80%以上。测量每个基质样品中NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N的浓度，以验证中试CW中是否存在氮。NH4+-N浓度始终较低，说明硝化作用较彻底，与连续去除水中NH4+-N的结果一致。NO3−-N浓度呈现先升高后降低的趋势，实验结束时基质中NO3−-N降至较低水平，这表明硝化和反硝化同时发生。第5周NO2−-N的浓度高于之后的浓度，因为此时反硝化作用受到抑制。随后，NO2−-N被消耗，浓度在第27周降至较低水平。

来源： S hi Group 。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有 15W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。