藻-菌共生系统强化养殖废水环丙沙星处理过程的研究

作     者：宁卫豪 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王月

授予年度：2024年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：藻-菌共生系统 抗生素降解 环丙沙星 差异代谢物 连续处理系统 

摘      要：众所周知,山东省是畜牧大省,养殖禽畜种类丰富,养殖方式多种多样,且废水存在悬浮物含量高、有机物及氨氮浓度高、抗生素和重金属种类多、处理难度大等问题,若不妥善处理,将引发一系列生态安全问题。基于微藻的藻-菌生物修复是一种具有发展潜力的抗生素处理技术,具有碳捕集与生态安全等优势。本文针对山东省畜牧废水中抗生素难处理这一问题采用藻-菌共生系统对畜牧废水进行生物修复,同时利用非靶向代谢组学方法揭示环丙沙星（Ciprofloxacin,CIP）对斜生栅藻代谢物的影响、结合差异代谢物分析阐明微藻对CIP的防御机制,并在此基础上建立基于藻菌微生物的畜牧废水处理系统,主要结论如下: （1）随着CIP浓度（5～160 mg/L）的增加,纯藻的比降解率从0.56 d急剧下降到0.15 d。而藻-菌共生系统对CIP的去除率相较于纯藻提高了30%,降解速率显著加快最大去除率达到96.1±0.07%。随着CIP浓度由0 mg/L增加至160 mg/L,纯藻的生物量从795.4±18.6 mg/L下降到362.5±15.3 mg/L,而在此过程中,藻菌共生系统对环丙沙星的耐受度明显提高,其生物量比同环境下纯藻高出100 mg/L,由688.5±40.0 mg/L下降至480.9±18.7 mg/L。藻-菌共生系统中,随着实验时间的进行胞外多糖呈现上升趋势,第5天,多糖的含量从平均180.7±28.4 mg/g DCW增加到355.8±100.2 mg/g DCW。此外,当CIP浓度从5 mg/L增加到160 mg/L时,细胞外多糖含量从254.1 mg/g DCW增加到558.2 mg/g DCW。黄腐酸可以通过自由基的产生加速细胞外CIP的降解。过氧化物酶（Peroxidase,POD）在CIP的生物降解中发挥了至关重要的作用。 （2）CIP对微藻细胞的影响主要通过改变其新陈代谢和环境信息处理能力来实现。CIP对微藻途径的负面影响主要体现在嘌呤代谢Purine metabolism（ko00230）、精氨酸生物合成Arginine biosynthesis（ko00220）、嘧啶代谢Pyrimidine metabolism（ko00240）、淀粉和蔗糖代谢Starch and sucrose metabolism（ko00500）上。微藻细胞通过促进能量的保存和积累来抵御外源CIP。CIP降解过程中,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide NAD）可以两种形式存在NAD+和NADH,这两种形式的NAD被称为“氧化还原对。抗生素与NAD之间的电子竞争可能导致NAD+和NADH的失调,导致上游烟酸盐和喹啉酸盐的减少。 （3）半连续工艺流程中低置换率和高水力停留时间（Hydraulic retention time,HRT）对细胞中多糖和脂肪酸的累积起到正向作用,在HRT为120h、20%置换率下多糖、脂肪酸在干重中占比分别为39.64%、15.94%。连续流工艺流程中脂肪酸的含量随着HRT的缩短而减少,相同HRT下连续流中脂肪酸占比高于半连续流,连续流中脂肪酸最高含量为19.79%。HRT为120 h,连续流中化学需氧量、氨氮、总磷、环丙沙星的平均去除率分别为96.23%、80.62%、91.32%、90.02%。