底物类型对厌氧消化过程中胞内外抗生素抗性基因归趋的影响研究

厌氧消化（anaerobic digestion,AD）是畜禽粪污和剩余污泥重要的处理处置方式,其在能源回收和消减抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）中具有重要的应用前景.底物类型及预处理是影响厌氧消化过程的重要因素,其对ARGs归趋特征的影响尚不明确.本研究针对猪粪、鸡粪和剩余污泥3种典型的环境ARGs源为研究对象,明确不同底物类型对厌氧消化中ARGs归趋的影响特征,结合胞内ARGs （Intracellular ARGs,iARGs）和胞外ARGs （Extracellular ARGs,eARGs）及其微生物群落结构演替的差异,探讨不同底物类型在厌氧消化过程中ARGs的响应特征.结果表明,底物类型对厌氧消化过程中的胞内外ARGs的变化具有显著的影响.高压蒸汽灭菌（120℃,30 min）预处理底物对厌氧消化结束时的总累积甲烷产气量没有显著的提高,鸡粪组中出现产气抑制的现象,这与之前的研究一致.不同底物类型样品中DNA浓度与DNA中16S rRNA基因的丰度之间存在显著相关性（R²=0.663,p<0.05）.底物中微生物对厌氧消化中iARGs和eARGs的转归贡献率较小,剩余污泥中的eARG在总ARGs中的比例最高（5.47%）.在不同底物类型中iARG和eARGs的变化均显著不同.     

不同预处理方式对剩余污泥中活菌菌群及ARGs的影响

剩余污泥作为抗生素抗性基因（ARGs）的储库,对其进行预处理有助于后续厌氧消化（AD）,同时控制ARGs进入AD后的传播风险.本文采用叠氮碘化丙锭（PMA）处理手段,来研究不同预处理方式对活菌菌群及携带ARGs的影响.研究结果显示,热碱、热水解和微波预处理对污泥ARGs去除效果较优,分别为3.32log、3.13log和2.95log;超声波预处理对活菌ARGs仅去除0.58log.在热水解预处理时间延长过程中,菌群大量死亡出现在1~2h间,4h后去除率达2.42log.变形菌门是污泥中最主要的优势菌门,厚壁菌门、绿弯菌门在微波、热水解预处理后实现较大提升.相关性结果显示,sulI与tetC高度相似,且同时与多个科属的微生物成显著正相关,推测其宿主范围较广,且sulI与tetC在预处理中较好的去除率说明其宿主菌对预处理耐受性差;ermB、tetA与占比较高的菌群没有正相关.多数ARGs携带菌对热水解、热碱和微波不耐受,污泥预处理能够降低ARGs丰度,适当延长低温热水解预处理时间,才能有效削减污泥中的ARGs.     

基于宏基因组技术分析MBR膜清洗后污泥中抗性基因

污水处理厂作为抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）的重要储存库,是自然界ARGs的主要来源之一.膜生物反应器（membrane bioreactor,MBR）被认为是一种能够有效去除污水处理厂中ARGs的技术工艺.MBR膜截留的废水中胶体、颗粒物、悬浮物及微生物代谢物中存在着大量的病原菌与抗性基因,而目前关于膜清洗后污泥中抗性基因的分布特征和规律尚不明确.本文采用宏基因组技术对MBR膜清洗后污泥中抗性基因进行了分析.结果显示,膜清洗后污泥中共检测出39门,其中优势菌门为Proteobacteria、Nitrospirae和Actinobacteria,优势菌属为Nitrospira、Pseudomonas和Bradyrhizobium.污泥样品含有的病原菌属占所有菌属的10.54%,其中Pseudomonas属相对丰度最高,占到所有菌属的3.94%.样品中共注释出17类ARGs和16类金属抗性基因（metal resistance genes,MRGs,15类单金属抗性基因和1类多重金属抗性基因）.其中,多药类抗生素抗性基因相对丰度最高,占49.08%.金属抗性基因中多重金属类抗性基因相对丰度最高,占该污泥样品的34.58%,单金属抗性基因中对铜的抗性基因数量最多,占19.99%.该膜清洗后污泥中微生物群落最主要的功能通路为代谢相关,并存在大量与人类疾病相关的代谢通路相关基因,其中涉及细菌耐药和细菌传染疾病的基因数量最多,分别为占人类疾病相关的代谢通路已注释序列的34.50%和16.62%.由此可见,膜清洗后污泥中蕴藏着丰富的ARGs、MRGs以及病原菌属,具有潜在的环境健康风险,需要加强对膜清洗后污泥中ARGs、MRGs以及病原菌的管控.本文为选择合适的技术工艺有效去除膜清洗后污泥中ARGs、MRGs以及病原菌提供指导.     

活性炭对城市有机固废厌氧消化过程抗生素抗性基因行为特征的影响

城市有机固废是抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）的来源和储存库之一,其生物处理过程中ARGs的赋存变化规律需深入研究.采用定量PCR方法分析城市有机固废厌氧消化过程中多种类型ARGs和整合子基因的变化特征,探究了不同粒径的活性炭对目标基因行为特征的影响以及ARGs变化的潜在微生物机制.结果表明,无论是否添加活性炭,厌氧消化过程对初始体系中的总ARGs均具有削减作用,总ARGs绝对丰度的削减率为29.95%~63.40%.城市有机固废厌氧消化最终体系中,粉末活性炭（powered activated carbon,PAC）添加组中总ARGs丰度显著高于对照组（P<0.05）,即PAC削弱了ARGs的削减效果,颗粒活性炭对ARGs变化无显著影响.厌氧消化过程中,ARGs的潜在宿主细菌主要属于梭菌纲（Clostridia）、拟杆菌纲（Bacteroidia）和互营养菌纲（Synergistia）.PAC添加时,潜在宿主细菌的富集是目标基因增殖的重要原因,且Clostridia可能是厌氧消化过程中ARGs消长的主要驱动因子.本研究结果将为了解城市有机固废厌氧消化过程中ARGs的转归特征以及外源添加活性炭对ARGs的影响机制提供参考.     

17α-乙炔雌二醇胁迫下零价铁对硝化污泥中抗性基因的影响

采用硝化污泥序批式反应器去除17α-乙炔雌二醇(EE2),基于宏基因组测序技术考察了零价铁(ZVI)对硝化污泥去除17α-乙炔雌二醇(EE2)过程中抗生素抗性基因(ARGs)的影响,结合菌群结构分析了其潜在影响机制.结果表明,硝化污泥处理EE2过程中ARGs丰度提高了724.42TPM(每百万转录本中来自于某基因的转录本数目),但ZVI削减了此过程中的ARGs丰度增长趋势,EE2及ZVI改变了ARGs亚型的分布,但对ARGs类型及亚型种类无明显影响.EE2使得硝化污泥中属于高风险等级(Q1及Q2)的ARGs丰度增加了555.75TPM及151.08TPM,ZVI降低了硝化污泥中的抗性风险.多重耐药是硝化污泥中丰度占比最大的高风险(Q1和Q2等级)ARGs类型,占比高达49.23%.微生物群落是硝化污泥中ARGs的重要驱动因子,鞘脂单胞菌属(Sphingopyxis)等菌属与多种ARGs显著正相关,可能是多种ARGs的共同潜在宿主.     

温度和搅拌对牛粪厌氧消化系统抗生素抗性基因变化和微生物群落的影响

分别设置中温不搅拌、中温搅拌、高温不搅拌和高温搅拌这4种牛粪厌氧消化处理,探究温度和搅拌对牛粪厌氧消化抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）变化及微生物群落的影响.以厌氧消化特性为基础,分析ARGs和可移动遗传元件（mobile genetic elements,MGEs）的丰度变化和微生物群落结构,并利用网络分析和冗余分析探究影响ARGs变化的关键因素.通过双因素方差分析可知,温度对厌氧消化产气的影响（η²=0.934）强于搅拌（η²=0.911）,高温总产气量较中温提高了13.93%,且中温条件下搅拌的总产气量较未搅拌提高了12.63%.温度对ARGs去除的影响（η²=0.992）也强于搅拌（η²=0.920）.高温将ARGs和MGEs的去除量显著提升至0.09~1.53（对数值）,但搅拌对ARGs和MGEs的去除无显著影响.微生物群落受温度的影响也更为显著,门水平微生物Firmicutes成为高温条件下的绝对优势菌,相对丰度高达86%以上.属水平微生物Sedimentibacter、Sphaerochaeta和Pseudomonas等为ARGs的潜在宿主菌,直接影响ARGs的变化.理化因子影响了微生物的分布,尤其是总氨氮和总挥发酸,通过影响ARGs宿主菌间接影响ARGs的变化.整体来看,高温不搅拌的消化条件有利于气体的产生和ARGs的去除.     

废水排放对近海环境中抗生素抗性基因和微生物群落的影响

污水处理厂是水环境中抗生素抗性基因（ARGs）的重要来源.可移动遗传元件（MGEs）和微生物群落是影响ARGs增殖扩散的关键因素.为探究污水处理厂废水排放对近海环境中ARGs和微生物群落的影响,采用高通量荧光定量PCR （HT-qPCR）和高通量16S rRNA扩增子测序技术,对杭州湾上虞（SY）和嘉兴（JX）两个近岸纳污区（ERAs）及远岸湾区表层沉积物中ARGs、MGEs和微生物群落的组成和分布进行调查.结果表明,多重耐药类ARGs是所有样点中丰度最高的ARGs类型.纳污区沉积物中ARGs和MGEs多样性和丰度远远高于远岸湾区沉积物.JX纳污区沉积物中微生物群落丰富度和多样性高于SY纳污区及远岸湾区沉积物.PCoA结果显示,纳污区与远岸湾区沉积物中ARGs、MGEs和微生物群落分布存在显著的差异,说明长期的废水排放对近海环境中ARGs、MGEs和微生物群落影响较大.ARGs、MGEs和细菌属的共现网络显示,嗜冷杆菌属、假单胞菌属、亚硫酸杆菌属、假交替单胞菌属和芽孢杆菌属等12种菌属与ARGs和MGEs存在显著正相关.多重耐药类和β-内酰胺类ARGs的潜在宿主最多.     

水热处理高含固污泥的无害化效能和资源属性影响

污水处理厂污泥除含有易腐有机质和营养物质外,还富集了大量的抗生素、抗性基因（ARGs）、病原菌等污染物质.水热处理作为预处理技术,可提高高含固污泥的生物转化率,然而对于高含固污泥的无害化效能和资源属性的影响研究较少.因此,本文考察了不同温度水热处理条件对高含固污泥无害化效能的影响,选取具有代表性的4种氟喹诺酮抗生素（FQs）、ARGs及常见病毒作为无害化的评价指标.结果表明,在160℃和180℃处理60 min的情况下,总FQs去除率分别达到了42.5%和59.5%,而低温条件下FQs的去除效果不明显,表明FQs具有一定的热稳定性.高温处理同样对ARGs的消减效果明显,在180℃水热处理后,ARGs和水平转移因子的消减超过了6个数量级（6 logs）,显著降低了ARGs的传播风险.尽管高含固污泥中可以检出病毒基因如人腺病毒等,但污泥中病毒对水热温度非常敏感,在120℃的水热条件下即可消减病毒基因.除此以外,水热处理可以释放大量的营养物质如多糖、蛋白质、挥发性脂肪酸等,有助于提高和改善后续的微生物转化效率.     

热水解污泥厌氧消化过程中肠球菌抗生素抗性基因与毒力基因的转归

城市污泥中含有大量肠球菌,可携带抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)和毒力基因(virulence gene,VGs),从而具有潜在的耐药性和致病性,对人类健康存在巨大威胁.为此考察了热水解污泥在中温(40℃)/高温(55℃)厌氧消化过程中肠球菌的耐药表型、基因型及携带VGs的变化规律.结果表明,厌氧进泥中肠球菌对阿奇霉素的耐药率均显著高于螺旋霉素和四环素.高温厌氧对肠球菌的数量及耐药性具有更好地控制及削减效果.高温厌氧消化可能会促进四环素类抗性基因在肠球菌的表达.中温、高温厌氧消化可促进ARGs在肠球菌中发生水平转移,导致其潜在双重甚至多重耐药性增加.中温厌氧消化可降低肠球菌同时具有潜在致病性和耐药性的几率,而高温厌氧消化则会增加此风险.     

高含固污泥厌氧消化中蛋白质转化规律

采用剩余污泥在含固率(total solid,TS)为12%条件下进行中温(37℃)厌氧消化,通过分析厌氧消化前后污泥蛋白质组分的变化情况,研究了高含固污泥厌氧消化中蛋白质的转化规律,探讨了高含固条件下污泥蛋白质转化效率较低的原因.结果表明,经过45 d的厌氧消化处理,污泥蛋白质的转化率为34.26%.污泥蛋白质转化效率较低的原因主要表现在:(1)高含固条件下污泥的传质较差;同时,污泥蛋白质经水解过程形成大量的氨氮,反应结束后污泥总氨氮(total ammonia nitrogen,TAN)质量浓度达到1 201 mg·L~(-1),导致对厌氧消化过程,尤其对蛋白质的分解表现出一定的抑制作用;(2)三维荧光光谱(three-dimensional fluorescence spectroscopy,3D-EEM)分析表明,部分蛋白质向腐殖质类、富里酸类物质转化,从而更难分解;(3)通过二维电泳(two-dimensional electrophoresis,2-DE)-质谱(mass spectrometry,MS)分析发现,厌氧消化后污泥蛋白质的相对分子质量和等电点(isoelectric point,p I)降低;最终,污泥中残留的大部分蛋白质来源于微生物体内.由于微生物代谢能力随着厌氧消化过程的进行而减弱,难以继续利用这些蛋白质,或消化体系中不具备分解这些蛋白质的酶,从而限制了污泥中蛋白质的分解效率.     

热水解时间对污泥厌氧消化系统微生物群落结构影响分析

为评估热水解时间对北京市大兴区某污水处理厂污泥厌氧消化系统微生物群落结构的影响,利用Illumina MiSeq高通量测序方法,分析了不同热水解时间（15、30和45 min）对初沉污泥和剩余活性污泥厌氧消化系统中微生物群落结构及其多样性的影响因素.结果表明,消化污泥优势类群主要分布在厚壁菌门（Firmicutes）、阴沟单胞菌门（Cloacimonadota）、绿弯菌门（Chloroflexi）和同力菌门（Synergistota）,相对丰度之和超过60%,相对丰度最高菌属为W5,占比为20.8%~54.5%,表现为少数优势物种的高丰度特征.热水解污泥厌氧消化过程中,高挥发性脂肪酸和氨氮浓度导致嗜乙酸产甲烷菌相对丰度减少,嗜氢产甲烷途径多于嗜乙酸产甲烷途径.环境因子关联分析结果显示,消化进泥可溶蛋白质、消化进泥pH值、消化出泥氨氮和热水解时间是影响微生物群落结构的4个主要环境因子,其中消化出泥氨氮对产甲烷菌属的影响最大,呈负相关关系.热水解时间与Chao指数和Shannon指数均呈负相关,较长热水解时间不利于提高厌氧消化过程微生物菌群丰富度和多样性.     

基于活体微生物揭示蚯蚓对污泥耐药基因转归的影响

为削减污泥蚯蚓堆肥产物中耐药基因(ARGs),以无蚯蚓组为对照,采用叠氮溴化丙锭对蚯蚓堆肥样品进行预处理,探究蚯蚓对污泥中活微生物种群及其ARGs的影响.结果显示,与对照组相比,蚯蚓堆肥产物中有机物矿化度与降解量分别显著提升82.5%与5.2%(P<0.05).并且接种蚯蚓使其产物中放线菌门的丰度显著增加了65.6%(P<0.05),而厚壁菌门和拟杆菌门的丰度分别显著降低了74.7%和34.6%(P<0.05).相较于对照组,蚯蚓堆肥致使sul1、sul2、ermF和tetM基因丰度分别显著减少了66.5%、82.8%、72.8%和77.6%(P<0.05),但ermB的丰度显著增加了5.7倍(P<0.05).蚯蚓堆肥产物中intI1基因丰度比对照组显著降低了67.2%(P<0.05),蚯蚓处理后ARGs总绝对丰度为4.19×10¹³copies/g,ARGs总去除率为82.6%,比对照组高45.4%.研究表明,蚯蚓可通过改变活细菌种群结构,减少ARGs潜在活体宿主的丰度,进而降低其传播扩散的潜在风险.     

厌氧消化对污泥中抗生素抗性基因削减的影响

为了系统地了解厌氧消化及其强化工艺对污泥中抗生素抗性基因的削减效果,明确抗性基因在厌氧消化过程中的降解机制,从几种常见的厌氧消化工艺入手,结合国内外研究进展,综述了高温厌氧消化、预处理和投加外源添加剂等强化工艺对污泥中不同抗生素抗性基因的削减效果和影响因素,发现污泥中抗生素抗性基因的归趋主要与污泥中选择性压力的大小、宿主菌群的丰度、水平转移的效率和抗性基因的耐药机制等有关。厌氧消化及其强化工艺主要通过破坏污泥细胞结构,减少宿主菌群丰度或降低抗性基因水平转移风险的作用机制来实现抗生素抗性基因的高效削减。     

不同污泥在微波预处理-厌氧消化过程中抗性基因分布及菌群结构演替

城市污水厂剩余污泥是抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）的重要储存库,污泥处理过程中ARG的转归趋势及其与菌群结构变化的关系仍需人们深入研究.本研究考察了A²O和A²O-MBR工艺的城市污水厂剩余污泥的ARG与细菌群落结构在微波预处理-厌氧消化处理过程中的演变规律,结果表明,两种原污泥的菌群结构及携带的ARG丰度分布区别较大;虽然微波预处理不会显著改变菌群结构,但预处理-厌氧处理后的消化污泥菌群结构有显著差异;无论有/无预处理,厌氧消化过程对污泥中ARG和MGE的分布有趋同性的作用;ermF、qnrS和bla_NDM-1是厌氧消化过程中易于增殖传播的抗性基因;污泥特性中,生物量、氨氮和正磷对ARG和MGE分布的影响力最大;污泥性质对细菌群落结构、尤其是部分功能菌属变化有重要影响.本研究结果可为人们进一步了解污泥厌氧消化过程中ARG的传播与控制提供科学参考.     

蚯蚓摄食污泥对其肠道功能区微生物种群及耐药基因的影响

以赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)为实验蚓种, 研究蚯蚓消化污泥前后, 其肠道各功能区微生物种群结构及耐药基因(ARGs)丰度的变化情况.为表征活体功能性微生物, 所取新鲜样品均采用叠氮溴化丙锭(PMA)预处理后, 再进行DNA相关分析.结果表明: 蚯蚓消化污泥5d后, 细菌16S rDNA和真核生物18S rDNA的丰度在其胃中分别显著增加了28.2倍和42.2倍(P<0.05), 而在砂囊和后肠中均显著性降低(P<0.05).此外, 蚯蚓消化污泥使其砂囊中的优势菌门由变形菌门变为软壁菌门, 胃中的优势菌门由拟杆菌门变为厚壁菌门, 而对后肠微生物种群结构的影响较小.对于ARGs而言, 大环内酯类耐药基因ermF、四环素类耐药基因tetX和磺胺类耐药基因sul2在蚯蚓胃中的丰度分别显著升高了1.9×10²倍、8.4×10⁵倍和25.9倍(P<0.05), 而在其砂囊和后肠中ARGs总丰度分别显著下降了11.0倍和45.2倍(P<0.05).基于网络分析结果显示, 蚯蚓摄食污泥可影响其肠道内ARGs宿主细菌的结构多样性.     

零价铁在有机固废厌氧消化过程中的应用研究进展

厌氧消化是一种可实现有机固废资源化的生物处理技术,目前主要存在产酸、产甲烷效率低下等问题。研究表明:零价铁（Fe0）的添加可有效提升有机固废厌氧消化性能。从Fe0对有机固废产酸、产甲烷效率的影响,以及Fe0与其他添加剂联合运用的效果等方面,综述Fe0在有机固废厌氧消化过程中的应用。Fe0对有机固废厌氧消化性能影响的作用机制主要包括降低系统氧化还原电位,腐蚀析氢作用,影响微生物群落,影响关键酶活性。此外,以硫化物、抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）为例,阐述了Fe0对有机固废厌氧消化过程中污染物的去除作用。指出Fe0在有机固废厌氧消化应用过程中存在的问题及挑战,并对未来Fe0在有机固废厌氧消化过程中的深入研究问题做出了展望。     

Mechanism on minimization of excess sludge in oxic-settlinganaerobic (OSA) process

The oxic-settling-anaerobic (OSA) process is a promising wastewater treatment technique for efficiently reducing sludge production and improving the stability of process operation. In this paper, the possible factors of sludge reduction such as sludge decay, uncoupled metabolism, and anaerobic oxidation with low sludge production were discussed in the OSA process. It has been confirmed that sludge decay is the decisive cause in the OSA process, accounting for 66.7% of sludge production reduction. Sludge decay includes hydrolysis and acidogenesis of dead microorganisms and particle organic carbon adsorbed in sludge floc and endogenous metabolism. By batch experiments, it has been proven that there is energetic uncoupling in the OSA system since microorganisms were exposed to alternative anaerobic and aerobic environment. It accounts for about 7.5% of sludge production reduction. Soluble chemical oxygen demand (SCOD) released from the anaerobic sludge tank in the OSA process was used as the substrate for cryptic growth. The substrate was used for anoxic denitrifying, anaerobic phosphorus release, sulfate reduction, and methane production. These anaerobic reactions in the sludge anaerobic tank have lower sludge production than in the aerobic oxidation when equivalent SCOD is consumed, which may lead to approximately 23% of sludge reduction in the OSA process. It has been concluded that multiple causes resulted in the minimization of excess sludge in the OSA system. The microbial community structure and diversity of sludge samples from the CAS (conventional activated sludge) and OSA systems were investigated by 16 SrDNA PCR-DG-DGGE (polymerase chain reaction-double gradient-denaturing gradient gel electrophoresis). DGGE profile and cluster analysis showed more abundant species in the OSA system contrasting to microbial communities in the CAS system.