抗生素对微藻-菌颗粒污泥工艺的影响：以四环素为例

微藻-菌颗粒污泥能够实现微藻和细菌之间的协作共生，即在颗粒污泥内部微藻固定细菌产生的二氧化碳，同时产生氧气用于细菌进行有机物降解并进一步产生二氧化碳，形成闭路循环。已有研究表明，基于微藻-菌颗粒污泥的污水处理工艺对实现能源自给与显著碳减排具有重要推动作用，有望成为未来市政污水处理的升级技术。另一方面，抗生素广泛被检测于市政污水中，对污水处理工艺的生物系统具有潜在的不利影响。对此，来自湖北工业大学和新加坡南洋理工大学的研究团队选取四环素为抗生素典型代表，前期已探索了微藻-菌颗粒污泥对其防御反应机制（微藻-菌颗粒污泥对抗生素的响应：以四环素为例）。近日，团队针对抗生素对微藻-菌颗粒污泥系统污染物去除的影响做了进一步探究，以期为微藻-菌颗粒污泥工艺在市政污水处理中的应用提供基础支撑和技术参考。

1.四环素对微藻-菌颗粒污泥污染物去除性能的影响

研究结果表明，当四环素浓度分别为0、1和10mg/L时，COD去除率分别为86、86和87%，即四环素对微藻-菌颗粒污泥COD去除无显著影响（图1a）。相似结果在磷酸盐去除方面也有发现（图1b）。但当初始四环素浓度从1mg/L增加到10mg/L时，工艺的氨氮去除率显著降低（图1c），表明四环素对微藻-菌颗粒污泥生物脱氮具有抑制作用。

图1 四环素对微藻-菌颗粒污泥废水COD(a)、磷酸盐(b)和氨氮(c)去除的影响

根据微藻-菌颗粒污泥（CH_1.67N_0.16O_0.38P_0.01）、好氧颗粒污泥（CH_1.70N_0.17O_0.42P_0.01）和微藻（CH_1.64N_0.15O_0.34P_0.01）的组成，可进一步衡算同化作用对微藻和细菌去除COD、氨氮和磷酸盐的贡献。经计算，结果表明同化作用是微藻-菌颗粒污泥脱氮的主要途径，其中微藻同化去除的氨氮达21.2 mg/L，占氨氮去除总量的81%，而细菌贡献为19%。需要指出，当四环素浓度为1mg/L和10 mg/L时，微藻同化去除的氨氮分别由19.2±1.69和13.3±2.34mg/L降至16.8±0.70和7.98±0.58mg/L（表1），表明抗生素对微藻的抑制作用更为明显。

表1 同化作用对微藻-菌颗粒污泥氨氮去除衡算

2.微生物群落结构的响应

微生物群落结构分析表明，微藻-菌颗粒污泥中主要的微藻为绿球藻（Chlorococcum）和小球藻（Chlorella）。在四环素（1-10mg/L）胁迫下，绿球藻的相对丰度由92%增加到96%，小球藻的丰度则由5.1%下降到1.6%，表明小球藻对四环素较为敏感。此外，原核生物中蓝藻的丰度由90%显著降低到58%（1mg/L试验组）和22%（10mg/L试验组），表明四环素对蓝藻有抑制作用。另一方面，微藻-菌颗粒污泥中检测到大量Stenotrophomonas，由于它对抗生素具有抗性，同时具有降解有毒化合物的能力。据此分析，微藻-菌颗粒污泥对四环素的生物降解可能由Stenotrophomonas作用。如图2四环素的降解情况，在1mg/L浓度下，98%的四环素可在4h后被去除；在10mg/L浓度下，74%的四环素可在7h后被去除。这些去除作用主要依靠微藻的生物吸附和细菌的生物降解作用。衡算结果表明，在1mg/L浓度时，降解的四环素中生物吸附和降解的贡献分别为68%和20%；而在10mg/L浓度时，生物吸附和降解的贡献分别为32%和58%（图2）。

图2 微藻-菌颗粒污泥对四环素的总去除(a)、生物吸附(b)和降解(c)作用

3.小结

四环素对市政污水中COD和磷去除的影响较小，而对氨氮去除的影响较大。究其原因，四环素对微藻-菌颗粒污泥中的小球藻和蓝藻产生抑制作用，进而影响其对氨氮的同化去除。另一方面，微藻的吸附和细菌的降解作用共同贡献于四环素的降解，维持了微藻-菌颗粒污泥体系的相对稳定。