膜法耐药性污染控制和膜表面生物膜调控研究

作     者：马小芳 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王允坤

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：抗生素 抗性基因 疏松纳滤膜 群感效应抑制剂 生物膜调控 

摘      要：抗生素的大量使用已经严重污染了环境生态系统,尤其是对水环境的污染。城市污水处理厂接收来自医院、制药厂、养殖业等产生的污水,导致抗生素类物质在城市污水处理系统中被频繁检出。在长期抗生素压力选择下,污泥系统内形成大量抗生素抗性细菌和抗性基因。传统的水处理工艺不能有效去除抗生素和抗性基因等新兴污染物,造成抗生素耐药性在水环境中广泛扩散,给人类健康和公共卫生安全带来潜在威胁。膜分离技术可以作为控制污水处理系统中抗生素和抗性基因往水环境进一步扩散的深度处理工艺。然而微滤、超滤膜分离过程对抗生素及抗性基因的去除效率有限,纳滤、反渗透膜分离过程固然可以去除此类污染物,但其能耗较高、对进水水质要求严格。因此,开发新型高效、低能耗的选择性疏松纳滤膜材料是膜分离技术去除抗生素及抗性基因的关键。与此同时,膜过滤过程中膜表面生物膜的形成,不仅会降低膜通量、造成膜污染,亦可能加剧膜表面抗性细菌的增殖和抗性基因的水平转移,成为膜技术广泛应用的重要挑战。生物膜形成与细菌之间的群感效应密切相关,借助群感效应抑制剂可阻碍群感效应的发生、调控膜表面生物膜的形成,进而缓解膜生物污染。基于以上研究背景,本文首先开发了疏松纳滤膜,实现抗生素和抗性基因的深度去除:在此基础上,通过膜表面群感效应抑制剂的接枝,控制膜表面生物膜的形成。主要研究内容及结论如下:1、利用层层自组装技术,以聚砜超滤膜为基底层,通过阳离子聚电解质——聚二烯二甲基氯化铵和阴离子聚电解质——聚(4-苯乙烯磺酸钠)之间的静电相互作用,制备了一种疏松纳滤膜,以截留去除抗生素和抗性基因。首先考察了不同阴阳聚电解质修饰层数(一层阳离子聚电解质上修饰一层阴离子聚电解质,称为一个双层)对抗生素和抗性基因去除效率的影响。利用HPLC和实时定量qPCR对抗生素和抗性基因进行了定量分析。结果显示,聚电解质活性层的存在可以有效提高膜对磺胺甲恶唑的去除效率,且随着聚电解质层数的增加,去除率升高。对16S rRNA的去除效果也随着聚电解质层数的增加得到提升,三个聚电解质双层修饰膜对16S rRNA的去除效率可达96%。当聚电解质层数由一个双层增加到两个双层时,膜对磺胺类抗性基因sul2的去除效果增加。然而,再继续增加修饰层数并未明显提高sul2去除率。不同聚电解质修饰层数的膜均可以实现对氯霉素类抗性基因floR的有效去除,去除效率在99%以上。2、采用了一种贻贝仿生材料聚多巴胺作为中间层,在聚醚砜超滤膜表面接枝了两种天然群感效应抑制剂香草醛和呋喃酮,以调控膜表面生物膜的形成。通过SEM、FTIR表征了膜的表面形貌以及化学键的变化,对接枝前后膜的水接触角、孔隙率、纯水通量等性质进行了评估,并测试了膜的抑菌性能、生物膜形成以及在动态过滤性能。结果显示,群感效应抑制剂香草醛和呋喃酮在膜表面成功接枝,且不会破坏原有的膜孔结构。聚多巴胺中间层和香草醛、呋喃酮的修饰提高了膜的亲水性,进而增加了纯水通量。香草醛接枝可有效抑制铜绿假单胞菌P.aeruginosa PAO1在膜表面形成生物膜,抑制率可达81.7%。呋喃酮接枝对大肠杆菌E.coli MG1655以及铜绿假单胞菌P.aeruginosa PAO1生物膜形成均有一定的抑制作用,抑制率分别为42.5%、49.6%。在动态过滤实验中,两种抑制剂修饰膜均表现出一定的减缓膜表面生物污染的效果。