环境科学  2020, Vol. 41 Issue (3): 1401-1408   PDF    
抗生素对耐药型反硝化菌反硝化过程及微生物群落结构的影响
代莎1,2, 李彭2, 彭五庆2,3, 刘玉学1,2, 王拯1, 何义亮2, 沈根祥4, 胡双庆4     
1. 兰州交通大学环境与市政工程学院, 兰州 730070;
2. 上海交通大学环境科学与工程学院, 上海 200240;
3. 安徽师范大学环境科学与工程学院, 芜湖 241000;
4. 上海市环境科学研究院, 上海 200233
摘要: 城市污水中部分抗生素通过常规工艺处理的去除率较低,导致自然水环境中微生物耐药性增强.为降低抗生素对城镇受纳水体的生态危害,提出了利用耐药型反硝化菌的共代谢作用降解微量抗生素的风险控制技术.采用乙酸钠为电子供体,并保持氧氟沙星(OFLX)浓度为1μg·L-1,逐步提高抗生素降解菌的优势生长,分别培养获得仅有乙酸钠和氮元素存在条件下的反硝化菌群(DnB1)、微量抗生素与乙酸钠、氮元素同时存在条件的反硝化菌群(DnB2).考察了抗生素通过反硝化共代谢的降解效果,抗生素对耐药型反硝化菌脱氮过程的影响,以及微生物群落结构的变化情况.结果表明DnB2相比于DnB1,对OFLX具有明显降解作用,DnB1和DnB2对OFLX的降解量分别为0.31μg·g-1和16.14μg·g-1.OFLX浓度的提高,会在短期内抑制DnB1反硝化活性.DnB2反硝化过程受OFLX影响较小.同时,使用Illumina MiSeq平台进行高通量测序,基于测序结果聚类形成的OTUs信息,对比分析各样品的多样性,结果表明,DnB1的微生物群落相对丰度和微生物群落多样性均要高于DnB2.
关键词: 反硝化      氧氟沙星      降解      吸附      群落多样性     
Influence of Antibiotics on the Denitrification Process of Antibiotic Resistant Denitrifying Bacteria and the Analysis of Microbial Community Structure
DAI Sha1,2 , LI Peng2 , PENG Wu-qing2,3 , LIU Yu-xue1,2 , WANG Zheng1 , HE Yi-liang2 , SHEN Gen-xiang4 , HU Shuang-qing4     
1. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;
2. School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;
3. School of Environmental Science and Engineering, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China;
4. Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China
Abstract: The removal rate of some antibiotics in urban sewage by conventional treatment is low, which leads to an increase in antibiotic resistant bacteria in natural water environments. To reduce the ecological harm of antibiotics to the water in towns, a risk control technique for degradation of microantibiotics by the co-metabolism of antibiotic resistant denitrifying bacteria was proposed. Using sodium acetate as an electron donor and maintaining the concentration of ofloxacin (OFLX) at 1 μg·g-1, gradually increasing the dominant growth of antibiotic degradation bacteria, denitrifying bacteria (DnB1), trace antibiotics and sodium acetate, and denitrifying bacteria (DnB2) with the presence of sodium acetate and nitrogen elements were cultured. The degradation effect of antibiotics through denitrification and the effects of antibiotics on denitrification of resistant denitrifying bacteria and the changes to the microbial community were investigated. The results showed that DnB2 had a significant degradation effect on OFLX compared to DnB1. The degradation to OFLX by DnB1 and DnB2 was 0.31 μg·g-1 and 16.14 μg·g-1, respectively. Increased OFLX concentration inhibited DnB1 denitrification activity in the short term. The denitrification process of DnB2 was less affected by OFLX. At the same time, high-throughput sequencing using the Illumina MiSeq platform was used. Based on the operational taxonomic unit information formed by the clustering of sequencing results, the diversity of each sample was compared and analyzed. The research results show that the relative abundance and diversity of the microbial community of DnB1 are higher than those of DnB2.
Key words: denitrification      ofloxacin      degradation      adsorption      microbial community diversity     

抗生素作为一种药物活性物质(PhACs)被广泛、大量地应用于人类医疗、畜牧和水产养殖行业中[1].有研究发现抗生素药物仅有一部分被吸收代谢, 约40% ~90%以原始药物或初级代谢产物的形式排出[2].虽然抗生素的半衰期不长, 但由于不断地进入环境, 导致抗生素在自然环境中呈现伪持久性的特征[3].自然环境中持续存在的抗生素具有通过饮用水或食物链进入人体的潜在风险[4].一些常用的抗生素如氟喹诺酮类、磺胺类和大环内酯类在城市污水常规处理工艺中的去除效果较差, 去除率普遍低于40%.同时有研究表明, 以抗生素为唯一的碳源进行生物降解测试, 抗生素表现出难降解的特性, 但外加其它碳源作为共代谢基质时, 可以显著提高抗生素的降解特性[5].大部分关于抗生素降解的研究主要集中于好氧条件, 也有许多研究关于抗生素在厌氧条件下的降解规律[5, 6].相比于好氧降解和厌氧降解的研究, 对抗生素在缺氧反硝化条件下的研究更少.Liu等[7]研究环丙沙星(氟喹诺酮类)在厌氧和缺氧条件下的降解和生物抑制特征, 结果发现, 在环丙沙星浓度为80~100 mg ·L-1时, 厌氧和硫酸盐还原过程均受到抑制, 但反硝化过程表现出较好的降解效果.有研究表明, 不同电子供体培养的反硝化菌群中优势群落物种的组成表现出显著的差异[8~11].Kümmerer[12]的研究发现, 尽管微生物降解抗生素较难, 但是从微生物中分离出来的酶能够降解抗生素, 而且部分抗生素在与乙酸钠共基质的条件下才可以被生物部分降解.城市污水中抗生素浓度低, 难以发挥对抗生素降解菌的选择性作用.因此, 需要研究利用非抗生素的物质作为反硝化电子供体, 调控抗生素降解菌的优势生长.

本研究基于上述分析, 拟选取在城市污水处理厂常规工艺下去除率较低的氧氟沙星(ofloxacin, OFLX)代表氟喹诺酮类抗生素作为研究对象, 利用特定的电子供体(乙酸钠)定向调控反硝化菌群的演化, 重点分析OFLX通过反硝化共代谢的降解效果, OFLX对耐药型反硝化菌脱氮过程的影响, 以及微生物群落结构的变化情况, 以期为抗生素去除研究提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 主要试剂

氧氟沙星(CAS#82419-36-1, ofloxacin, OFLX, C18 H20 FN3 O4); 诺氟沙星(CAS#70458-96-7, norfloxacin, NFX, C16 H18 FN3 O3)标准品均购买自德国Dr.Ehrenstorfer公司.甲醇、乙腈和甲酸均为高效液相色谱级, 其他普通化学试剂等均为分析纯.

1.2 污泥来源及驯化

以城市污水处理厂活性污泥为接种泥(AS0), 乙酸钠为电子供体, 采用如图 1所示的培养装置驯化反硝化污泥.装置由玻璃制成, 直径150 mm, 高250 mm, 总有效体积为4L, 内设搅拌装置.采用液位开关控制运行液位.培养装置进、出水由蠕动泵控制.装置采用序批式运行, 包括进水(8 min)→反应(113 min)→沉淀(50 min)→排水(8 min)→闲置(1 min)阶段至下一轮进水阶段.分别培养仅有乙酸钠(无抗生素)存在条件下的反硝化菌群(DnB1)和微量抗生素与乙酸钠同时存在条件的反硝化菌群(DnB2).

图 1 污泥驯化装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of sludge acclimation unit

培养装置中pH保持在7.5~8.0之间, 温度为27℃.以乙酸钠作为电子供体和碳源, 以硝酸钾作为电子受体和氮源, 进水COD浓度为480 mg ·L-1, 硝态氮浓度为80 mg ·L-1, 每批次进水量为2 L. DnB2进水中添加OFLX的浓度为1 μg ·L-1, 每天测定进水以及出水的硝态氮浓度、亚硝态氮浓度、COD浓度.当起始浓度为40mg ·L-1的硝态氮在3 h内可以稳定完全地去除, 并且没有亚硝态氮的累积, 则表示反硝化污泥驯化完成.本研究采用的反硝化污泥取自超过1 a稳定运行的培养装置.

1.3 试验方法

所有试验均在500 mL的锥形瓶中进行, 且每次试验均需确定试验污泥浓度.污泥从培养装置中取出后于1 000 r ·min-1离心5 min; 去离子水重新悬浮至原来刻度, 重复操作2次.试验过程中控制温度为27℃, 转速为160 r ·min-1, pH为7.5~8.0.检测时取试验的泥水混合物10 mL于离心管中, 在2 000 r ·min-1的转速下离心5 min, 用注射器取其上清液.需分析抗生素、亚硝态氮和硝态氮的样品经0.45 μm的水相过滤膜过滤, 并置于4℃的条件下保存.

1.3.1 抗生素对反硝化反应的影响

反应起始的硝态氮NO3--N浓度为45 mg ·L-1, 亚硝态氮NO2--N浓度为0.按照反硝化污泥来源进行分组:①以来自某污水处理厂的活性污泥为对照组, 标记为AS0; ②仅包含乙酸钠为碳源而未添加OFLX培养的反硝化污泥组, 标记为DnB1; ③以乙酸钠为碳源同时添加1μg ·L-1 OFLX培养的耐药型污泥组, 标记为DnB2.本试验用水中添加抗生素浓度分别为0 mg ·L-1、1μg ·L-1、1 mg ·L-1、10 mg ·L-1和100 mg ·L-1.一定时间间隔取样检测NO3--N、NO2--N和OFLX浓度.

1.3.2 污泥对抗生素的吸附

首先采用高压灭菌(121℃, 灭菌30 min)的方式对污泥进行灭活, 灭菌前后通过体积控制来调整水的蒸发量.OFLX的初始浓度为0.1 mg ·L-1, 加入药品后放入摇床中设定转速为160 r ·min-1, 接触72 h, 取样检测OFLX浓度.

1.4 分析方法

本研究中的硝态氮和亚硝态氮分别采用国标法中的紫外分光光度法和分光光度法进行测定.试验过程中, 抗生素样品处理方法基于课题组之前的优化方法[13, 14], 浓度 < 1 mg ·L-1采用固相萃取和超高效液相色谱串联质谱法进行分析, 浓度>1 mg ·L-1直接采用超高效液相色谱串联质谱法进行分析, 其中抗生素浓度使用UPLC-MS/MS仪器进行测定(SCIEX, Triple Quad TM 5500 System, USA).

2 结果与讨论 2.1 OFLX对不同反硝化菌群反硝化速率的影响

不同初始OFLX浓度条件下, AS0、DnB1和DnB2这3种污泥的硝酸盐还原过程如图 2所示.OFLX对AS0污泥的硝酸盐还原速率有明显的抑制作用[图 2(a)], 当OFLX浓度为1μg ·L-1和1 mg ·L-1时, AS0污泥的硝酸盐还原速率受到显著抑制, 与对照组相比下降了54.80%和65.80%.当OFLX浓度超过100 mg ·L-1时, AS0中的硝酸盐还原过程被完全抑制.如图 2(b), OFLX浓度依次为1μg ·L-1、1 mg ·L-1、10 mg ·L-1和100 mg ·L-1的条件下, 经5h的反应, 以DnB1污泥试验的反应瓶内, NO3--N去除率分别为97.60%、85.94%、45.84%、36.68%和17.47%, 尽管OFLX对DnB1污泥的硝酸盐还原过程表现出一定程度的抑制作用, 但与AS0污泥相比, 硝酸盐还原过程受抑制的程度较小.杨腾飞等[15]的研究发现甲氧苄啶对反硝化过程有明显的抑制作用, 但加入磺胺甲恶唑调控以后抑制作用有所降低, 这说明特定电子供体的调控可有效减小污泥受抗生素的抑制影响.Ahmad等[16]关于磺胺二甲基嘧啶和金霉素对反硝化的影响研究, 反硝化同样没有被这两种抗生素明显地抑制.如图 2(c), 当OFLX浓度为100 mg ·L-1时, 反应5 h后, DnB2组剩余NO3--N浓度为23.12 mg ·L-1, 去除率为46.30%, 相较于AS0和DnB1受OFLX影响的程度都小, 这说明DnB2污泥的硝酸盐还原速率对于更高浓度水平抗生素有好的耐受性.这与An等[17]在研究磺胺嘧啶对反硝化过程影响的研究中得到的结论相似.但OFLX会影响反硝化速度, 需要较长的反硝化时间.

图 2 不同OFLX浓度下AS0、DnB1和DnB2对NO3--N的去除 Fig. 2 Removal of NO3--N from AS0, DnB1, and DnB2 at different OFLX concentrations

AS0、DnB1和DnB2在不同OFLX浓度下, NO2--N的浓度变化如图 3所示, AS0、DnB1和DnB2在OFLX浓度为0mg ·L-1、1μg ·L-1和1mg ·L-1时都没有明显地积累.OFLX浓度为10 mg ·L-1和100 mg ·L-1时, 反应4 h后, DnB1组和DnB2组, NO2--N的浓度范围为0~0.02 mg ·L-1.与未经碳源乙酸钠驯化的AS0污泥相比, 仅接触碳源乙酸钠即使未接触OFLX驯化得到的DnB1污泥, 其亚硝酸盐还原过程能够耐受较高浓度的OFLX.以上试验结果表明, 经过长期低浓度OFLX接触驯化得到的DnB2污泥能够耐受较高浓度的OFLX, 硝酸盐和亚硝酸盐还原速率在各浓度试验条件下几乎不受抑制.说明长期低浓度抗生素的接触可以导致对高浓度抗生素的耐受性.

图 3 不同OFLX浓度下AS0、DnB1和DnB2对NO2--N的去除 Fig. 3 Removal of NO2--N from AS0, DnB1, and DnB2 at different OFLX concentrations

2.2 OFLX在反硝化过程中的去除

有研究发现, 氟喹诺酮类抗生素的固液分配系数 Kd值较高, 易于从水相转移到泥相中, 而且许多研究认为污泥吸附是污水中氟喹诺酮类抗生素的主要去除途径[18~23].为了探究OFLX在对反硝化过程产生影响的过程中药物自身的吸附情况, 本研究先考察了在硝态氮浓度为45 mg ·L-1, OFLX为0.1 mg ·L-1时, DnB1组和DnB2组中OFLX的吸附情况.OFLX去除试验分别采用灭活的DnB1与DnB2以及具有活性的DnB1和DnB2进行, 前者用于考察污泥对OFLX的吸附量, 后者用于考察OFLX的总去除量, OFLX的降解部分通过OFLX的总去除量减掉吸附去除的部分得到[24].如图 4所示, DnB1组和DnB2组对OFLX的总去除量分别为35.48μg ·L-1和82.95μg ·L-1, 吸附量分别为35.17μg ·L-1和66.81μg ·L-1, 市政污泥中微生物活动形成的絮体通过静电作用和疏水作用与氟喹诺酮类抗生素药物的分子结构相结合来实现生物吸附[25].DnB2组吸附量相较于DnB1提高, 这可能是因为OFLX的驯化改变了DnB2组微生物的结构, 而使得DnB2更容易和抗生素结合.可以看出DnB2组对OFLX的总体去除量高于DnB1组, 且降解比例从0.87%提高至19.46%.Kümmerer[12]的研究发现尽管微生物降解抗生素较难, 但是从微生物中分离出来的酶能够降解抗生素, 而且部分抗生素在与乙酸钠共基质的条件下才可以被生物部分降解.

图 4 DnB1和DnB2对OFLX的吸附与降解 Fig. 4 Adsorption and degradation of OFLX by DnB1 and DnB2

通过批次试验对AS0、DnB1和DnB2在不同OFLX浓度下反硝化速率的观察, 本研究还同时检测了当反应瓶内硝态氮降解完时OFLX的浓度.不同初始浓度条件下, OFLX的去除率如图 5所示, 当OFLX浓度为1 mg ·L-1时, DnB2组OFLX去除量均高于AS0组和DnB1组.当OFLX浓度浓度为10 mg ·L-1时, 接种泥组和DnB1组去除率<1%, 而DnB2组去除率为22.70%.当OFLX浓度为100 mg ·L-1时, 接种泥组和DnB1组抗生素仅有微量去除(去除率<1%), 而DnB2组去除率为43.65%.这说明DnB2污泥能够耐受较高浓度的OFLX, 反硝化过程受OFLX影响较小, 且可以较好地降解OFLX, 因此推测经过长期低浓度OFLX接触驯化得到的DnB2污泥能够耐受较高浓度的OFLX, 污泥微生物菌群具有抗生素抗性, 称其为耐药型反硝化污泥.

图 5 不同初始浓度OFLX条件下AS0、DnB1和DnB2对OFLX的去除率 Fig. 5 Removal rates of AS0, DnB1, and DnB2 to OFLX at different initial concentrations

2.3 其它氟喹诺酮类抗生素对耐药型反硝化污泥的影响

城市污水和水环境中通常同时存在多种氟喹诺酮类抗生素, 本研究以同为氟喹诺酮类抗生素的诺氟沙星(norfloxacin, NFX)为代表物质, 考察其对OFLX耐药型反硝化污泥的影响.反应条件同2.1节, 硝酸盐还原过程如图 6所示, NFX浓度为1 mg ·L-1和10 mg ·L-1时, 与OFLX浓度为1 mg ·L-1和10 mg ·L-1时相比较, DnB1和DnB2硝酸盐还原过程没有受到明显的抑制现象, 加入NFX反应5 h后, DnB2反应瓶内, NO3--N剩余浓度分别为28.02 mg ·L-1和28.13 mg ·L-1, DnB1反应瓶内, NO3--N剩余浓度分别为30.21 mg ·L-1和31.05 mg ·L-1.加入OFLX反应5 h, DnB2反应瓶内, NO3--N剩余浓度分别为28.02 mg ·L-1和28.13 mg ·L-1, DnB1反应瓶内, NO3--N剩余浓度分别为30.21 mg ·L-1和31.05 mg ·L-1.但DnB2的硝酸盐还原速率大于DnB1, 这说明低浓度OFLX驯化的DnB2相较于DnB1, 对同类抗生素NFX也有较好的耐受能力.

图 6 不同NFX和OFLX浓度下DnB1和DnB2对NO3--N的去除 Fig. 6 Removal of NO3--N from DnB1 and DnB2 at different NFX and OFLX concentrations

亚硝酸盐还原过程如图 7所示, 加入NFX, 当反应5 h后, NFX浓度为1 mg ·L-1和10 mg ·L-1时, DnB2组和DnB1组内, NO2--N浓度范围为0~0.02 mg ·L-1, DnB2和DnB1亚硝酸盐都无明显的积累.

图 7 不同NFX浓度下DnB1和DnB2对NO2--N的去除 Fig. 7 Removal of NO2--N from DnB1 and DnB2 at different NFX concentrations

DnB1和DnB2对NFX的去除率如图 8所示, 当NFX的投加浓度为10 mg ·L-1时, DnB1和DnB2对NFX的去除率较高, 反应7 h后, DnB1和DnB2对NFX的去除率分别为88.69%和88.80%.而当NFX的投加浓度为1 mg ·L-1时, DnB1和DnB2对NFX的去除率较低, 反应7 h后, DnB1和DnB2对NFX的去除率分别为6.50%和7.10%.但当反应16.5 h后, DnB1和DnB2对NFX的去除率分别为7.10%和20.50%.说明接触过抗生素的DnB2相较于未接触过抗生素的DnB1对同类抗生素(NFX)有更好的适应能力.这与Ingerslev等[26]对活性污泥中12种磺胺类药物的生物可降解性进行研究, 发现降解一种磺胺的细菌同样可以降解其他磺胺类抗生素的规律相似.

图 8 不同初始NFX浓度条件下DnB1和DnB2对NFX的去除率 Fig. 8 Removal rates of DnB1 and DnB2 to NFX at different initial concentrations

2.4 OFL对反应器中微生物群落结构的影响 2.4.1 Alpha多样性指数分析

由ACE指数和Chao指数可知(见表 1), DnB1的微生物群落相对丰度要高于DnB2, 说明OFLX的加入使得DnB2中的微生物经过一段时间的驯化后, 部分微生物无法耐受OFLX而逐渐死亡, 造成微生物的丰富度降低.由Shannon和Simpson指数可知(见表 1), DnB1的微生物群落多样性要高于DnB2, 说明反应器内能耐受OFLX的菌经过一段时间的驯化后形成了优势种群, 导致微生物群落多样性的减少.

表 1 生物多样性分析 Table 1 Biodiversity analysis

2.4.2 门水平上的菌群变化

经过长时间的培养驯化, DnB1和DnB2这2个培养装置内微生物的种群结构在门分类水平上具有较高的多样性和相似性.在DnB1中检测到的微生物类群在DnB2中大部分也可以检测到.而乙酸钠驯化的DnB1与AS0相比[图 9(a)9(b)], DnB1中新增了螺旋体门(Spirochaetae)、Ignavitacteria和Tenericutes菌门.由图 9(b)(c)可知, DnB2和DnB1中含量占比较多的门类有:变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、Spirochaetae、Ignavitacteriae、Tenericutes和Firmicutes共8个菌门, 这8个门的细菌总数和占微生物总数的95%以上.除此之外, 装甲菌门(Armatimonadetes)、衣原体门(Chlamydiae)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、螺旋体门(Spirochaetes)等含量不超过1%.DnB1相比于DnB2, Spirochaetae和Chloroflexi分别从0.86%、0.9%增加至8.3%和4.2%.

图 9 门水平上菌群分布 Fig. 9 Distribution of microorganisms at phylum level

2.4.3 属水平上的菌群变化

微生物菌群在属水平上的分布见图 10(其中仅列出比例大于1%的微生物), 与DnB1相比, DnB2中微生物比例减小的有NS9-marine-groupThaueraLentimicrobiumErysipelothrixDesulfomicrobium, 可能是因为这些微生物对OFLX更敏感.DnB2中微生物比例增加的有RhodbacteraceaeMollicutesSparospiraceaeAnaerolineaceaeMethylophilueFlavobacterium.

图 10 属水平上菌群分布(比列大于1%) Fig. 10 Distribution of microorganisms at phylum genus

3 结论

(1) OFLX对AS0反硝化过程有明显的抑制作用, 加入乙酸钠培养的反硝化菌, 反硝化速率提高.当OFLX浓度为100 mg ·L-1时, DnB1组和DnB2组亚硝酸盐还原速率(以NO3--N/MLSS计)为1.17 mg ·g-1和3.81mg ·g-1.经过长期低浓度OFLX接触驯化得到的DnB2污泥能够耐受较高浓度的OFLX, 硝酸盐和亚硝酸盐还原速率在各浓度试验条件下几乎不受抑制.说明长期低浓度抗生素的接触可以导致对高浓度抗生素的耐受性.

(2) DnB1组和DnB2组对OFLX的吸附量分别为35.17μg ·g-1和66.81μg ·g-1, DnB2对OFLX吸附效果优于DnB1.DnB1和DnB2对OFLX的降解量分别为0.31μg ·g-1和16.14μg ·g-1.DnB2组对OFLX的总体去除率高于DnB1组, 接种泥组和DnB1组基本没有去除, 长期以1 μg ·L-1级别驯化的污泥相较于未驯化的污泥, 能够耐受较高浓度的OFLX, 可以较好地降解OFLX.

(3) 用OFLX驯化的耐药型反硝化污泥, 对NFX同样有一定的耐受能力, 反硝化过程受NFX抑制程度小, 对NFX有较高的去除率.

(4) DnB1的微生物群落相对丰度和微生物群落多样性均高于DnB2, 由门水平物种相对丰度分析可知, DnB2和DnB1中含量占比较多的门类有:变形菌门Proteobacteria、拟杆菌门Bacteroidetes、绿弯菌门Chloroflexi、酸杆菌门Acidobacteria.

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