催化剂填料表面微生物对微污染物胁迫的响应

高靖雨, 蔡武, 梁昊, 史国贵, 陈友怡, 吕来, 邢学辞, 胡春. 催化剂填料表面微生物对微污染物胁迫的响应[J]. 环境工程学报, 2024, 18(6): 1510-1519. doi: 10.12030/j.cjee.202401105
引用本文: 高靖雨, 蔡武, 梁昊, 史国贵, 陈友怡, 吕来, 邢学辞, 胡春. 催化剂填料表面微生物对微污染物胁迫的响应[J]. 环境工程学报, 2024, 18(6): 1510-1519. doi: 10.12030/j.cjee.202401105
GAO Jingyu, CAI Wu, LIANG Hao, SHI Guogui, CHEN Youyi, LYU Lai, XING Xueci, HU Chun. Response of catalyst microorganisms to the stress effects of micropollutants[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2024, 18(6): 1510-1519. doi: 10.12030/j.cjee.202401105
Citation: GAO Jingyu, CAI Wu, LIANG Hao, SHI Guogui, CHEN Youyi, LYU Lai, XING Xueci, HU Chun. Response of catalyst microorganisms to the stress effects of micropollutants[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2024, 18(6): 1510-1519. doi: 10.12030/j.cjee.202401105

催化剂填料表面微生物对微污染物胁迫的响应

    作者简介: 高靖雨 (1996—) ,男,博士研究生,gaojingyu0114@163.com
    通讯作者: 邢学辞(1990—),男,博士,副教授,研究方向为饮用水处理,xcxing@gzhu.edu.cn;  胡春(1966—),女,博士,教授,研究方向为水污染控制化学,huchun@gzhu.edu.cn
  • 基金项目:
    广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目(2019ZT08L387);国家自然科学基金资助项目(52350005,52150056,51838005);广东省自然科学基金面上项目(2023A1515011509);广州市科技计划市校联合资助项目(2024A03J0088,202201020177)
  • 中图分类号: X703

Response of catalyst microorganisms to the stress effects of micropollutants

    Corresponding authors: XING Xueci, xcxing@gzhu.edu.cn ;  HU Chun, huchun@gzhu.edu.cn
  • 摘要: 目前复合微污染水源条件下,饮用水中复合微污染物对微生物带来的胁迫效应会引发含氮类消毒副产物生成势(nitrogenous disinfection byproducts formation potential, N-DBPs FP)和抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)水质风险。本研究基于催化剂(HCLL-S8-M)作为新型生物滤料建立反应器处理砂滤后水,考察生物滤池出水N-DBPs FP和ARGs丰度,对滤料胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)进行分析,通过宏基因组学分析水体中微生物群落结构和胁迫效应基因表达水平。结果表明,在相同复合微污染物条件下(磺胺嘧啶和2,4-二氯苯氧乙酸各1 µg·L−1),HCLL-S8-M滤柱出水中卤代乙腈和卤代硝基甲烷的总生成势为522.30 ng·L−1,比椰壳活性炭滤柱出水低171.70 ng·L−1,ARGs相对丰度也比椰壳活性炭滤柱出水低约4倍。这得益于HCLL-S8-M滤柱可以高效去除包括微污染物在内的溶解性有机碳、SUVA和高分子质量的有机物。HCLL-S8-M滤柱和出水中微生物分泌更少的EPS,从而减少的N-DBPs前驱体和削弱ARGs的水平转移。宏基因组学分析结果表明,微生物在HCLL-S8-M滤柱出水中的氧化应激反应功能基因表达比椰壳活性炭滤柱下降。HCLL-S8-M滤柱减弱微污染物对微生物的胁迫效应,降低N-DBPs FP和ARGs,有助于控制微生物应激反应造成间接饮用水水质风险。
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  • 图 1  实验装置示意图

    Figure 1.  Schematic of the experimental set-up

    图 2  进水和出水样品中典型的 N-DBPs FP(n=3)

    Figure 2.  Typical N-DBPs FP in influent and effluent samples(n=3)

    图 3  进水、出水和滤料表面样品中ARGs/16S rRNA的比例(n=3)

    Figure 3.  Ratio of ARGs to 16S rRNA from influent, effluent biofilter surface(n=3)

    图 4  进水和HCLL-S8-M出水中DOC、46-d SUVA平均值、HPSEC和EEM

    Figure 4.  Changes in DOC, 46-d average of SUVA, HPSEC and EEM in influent and effluent of HCLL-S8-M

    图 5  滤料表面附着的生物膜和水样中悬浮的生物膜中EPS的成分(n=3)

    Figure 5.  Constituents of EPS attached biofilms on filters surface and suspended biofilms in the water samples(n=3)

    图 6  水样中悬浮的生物膜和滤料表面附着的生物膜中EPS的EEM

    Figure 6.  EEM of EPS attached biofilms on filters surface and suspended biofilms in the water samples

    图 7  滤料表面EPS中酰胺I区的红外光谱拟合

    Figure 7.  Curve-fitted amide I region for EPS on filters surface

    图 8  微生物属水平的PCA分析、前20种细菌的相对丰度、典型相关分析、共现网络分析和抗氧化相关酶基因绝对丰度

    Figure 8.  PCA analysis of microbes at genus level, relative abundances of the top 20 bacteria, canonical correlation analysis, co-occurrence network analysis and expression profiles for related enzyme genes of antioxidant with absolute abundance

    表 1  滤料表面EPS蛋白质二级结构占比情况

    Table 1.  Percentage of protein secondary structures of EPS on filters surface

    蛋白质二级结构 波数/cm−1 蛋白质二级结构所占比例%
    椰壳活性炭 HCll-S8-M
    聚合链 1 625~1 610 29.30 18.79
    β-折叠 1 640~1 630 12.07 19.13
    无规则卷曲 1 645~1 640 7.44 22.90
    α-螺旋 1 657~1 648 19.99 18.10
    三向螺旋 1 672~1 659 19.80 14.36
    反平行/β-折叠 1 695~1 680 11.42 6.71
    蛋白质二级结构 波数/cm−1 蛋白质二级结构所占比例%
    椰壳活性炭 HCll-S8-M
    聚合链 1 625~1 610 29.30 18.79
    β-折叠 1 640~1 630 12.07 19.13
    无规则卷曲 1 645~1 640 7.44 22.90
    α-螺旋 1 657~1 648 19.99 18.10
    三向螺旋 1 672~1 659 19.80 14.36
    反平行/β-折叠 1 695~1 680 11.42 6.71
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    表 2  图8(d)中OTU对应的门、属和绝对丰度

    Table 2.  Phylum, Genus and absolute abundance corresponding to OTU in Fig.8(d)

    OTU 进水 椰壳活性炭滤柱出水 HCLL-S8-M滤柱出水
    OTU1ActinobacteriaMycolicibacterium11256 836813 71048 896
    OTU2ProteobacteriaReyranella1293 9002435 8941453 014
    OTU3ProteobacteriaSphingopyxis1910 7202058 776266 966
    OTU4ProteobacteriaLimnobacter811 708207 0922695 466
    OTU5ProteobacteriaBradyrhizobium1039 726901 0141369 452
    OTU6ProteobacteriaPhenylobacterium622 4861255 2881228 110
    OTU7ProteobacteriaHyphomicrobium396 5482410 284273 686
    OTU8BacteroidotaSediminibacterium253 56470 1442271 874
    OTU9ProteobacteriaNovosphingobium66 532213 9542314 156
    OTU10ProteobacteriaSphingomonas1183 4501111 608259 714
    OTU11ActinobacteriaMycobacterium1410 282989 00432 716
    OTU12ActinobacteriaNocardioides420 9121880 7605 356
    OTU13ProteobacteriaMethylobacterium787 8021274 470170 738
    OTU14ProteobacteriaBosea824 6981122 30497 046
    OTU15ProteobacteriaMethylotenera29 2301726 12459 582
    OTU16ProteobacteriaFalsiroseomonas1738 76412 18221 782
    OTU17ProteobacteriaRhodobacter860 160340 022446 816
    OTU18ProteobacteriaRoseomonas1223 19674 97431 470
    OTU19ProteobacteriaBrevundimonas928 140178 37484 584
    OTU20ProteobacteriaCaulobacter69 884113 844797 672
    OTU21ProteobacteriaMethylophilus114 028524 408333 398
    OTU22ProteobacteriaTabrizicola504 872201 308263 828
    OTU23ProteobacteriaPiscinibacter77 59261 154826 228
    OTU24ProteobacteriaAquisediminimonas1 130948 7783 852
    OTU25ProteobacteriaSphingobium187 780628 680137 014
    OTU26ProteobacteriaCurvibacter12 124695 130112 822
    OTU27ProteobacteriaAfipia77 162326 084409 316
    OTU28ProteobacteriaAestuariivirga291 710435 75681 166
    OTU29ProteobacteriaSolimonas619 75087 99417 044
    OTU30ProteobacteriaAquabacterium15 08498 008529 220
    OTU31ProteobacteriaMethyloversatilis3 124477 57842 298
    OTU32ProteobacteriaMesorhizobium156 102248 98241 414
    OTU33BacteroidotaHaliscomenobacter380 07253 2801 696
    OTU34NitrospiraeNitrospira61 004298 25027 688
    OTU35ActinobacteriaPimelobacter279 37083 954550
    OTU36ProteobacteriaMethylibium11 04083 316268 244
    OTU37ActinobacteriaMiltoncostaea21 526331 5664 632
    OTU38ProteobacteriaRubrivivax139 984113 73896 944
    OTU39ProteobacteriaRhodoplanes11 736251 9229 530
    OTU40ProteobacteriaPseudomonas80 188101 05874 944
    OTU41ActinobacteriaMycobacteroides128 118106 33820 612
    OTU42ProteobacteriaPseudorhodoplanes45 956160 01244 112
    OTU43ProteobacteriaLegionella19 490194 79429 928
    OTU44ProteobacteriaRhodoferax17 382165 72248 922
    OTU45ProteobacteriaHydrogenophaga22 82670 75476 062
    OTU46ProteobacteriaMethylorubrum6 972154 3248 248
    OTU47ProteobacteriaAcidovorax84 84038 90634 702
    OTU48ProteobacteriaIdeonella19 21426 61052 772
    OTU49ProteobacteriaAquariibacter8562 2189 060
    OTU 进水 椰壳活性炭滤柱出水 HCLL-S8-M滤柱出水
    OTU1ActinobacteriaMycolicibacterium11256 836813 71048 896
    OTU2ProteobacteriaReyranella1293 9002435 8941453 014
    OTU3ProteobacteriaSphingopyxis1910 7202058 776266 966
    OTU4ProteobacteriaLimnobacter811 708207 0922695 466
    OTU5ProteobacteriaBradyrhizobium1039 726901 0141369 452
    OTU6ProteobacteriaPhenylobacterium622 4861255 2881228 110
    OTU7ProteobacteriaHyphomicrobium396 5482410 284273 686
    OTU8BacteroidotaSediminibacterium253 56470 1442271 874
    OTU9ProteobacteriaNovosphingobium66 532213 9542314 156
    OTU10ProteobacteriaSphingomonas1183 4501111 608259 714
    OTU11ActinobacteriaMycobacterium1410 282989 00432 716
    OTU12ActinobacteriaNocardioides420 9121880 7605 356
    OTU13ProteobacteriaMethylobacterium787 8021274 470170 738
    OTU14ProteobacteriaBosea824 6981122 30497 046
    OTU15ProteobacteriaMethylotenera29 2301726 12459 582
    OTU16ProteobacteriaFalsiroseomonas1738 76412 18221 782
    OTU17ProteobacteriaRhodobacter860 160340 022446 816
    OTU18ProteobacteriaRoseomonas1223 19674 97431 470
    OTU19ProteobacteriaBrevundimonas928 140178 37484 584
    OTU20ProteobacteriaCaulobacter69 884113 844797 672
    OTU21ProteobacteriaMethylophilus114 028524 408333 398
    OTU22ProteobacteriaTabrizicola504 872201 308263 828
    OTU23ProteobacteriaPiscinibacter77 59261 154826 228
    OTU24ProteobacteriaAquisediminimonas1 130948 7783 852
    OTU25ProteobacteriaSphingobium187 780628 680137 014
    OTU26ProteobacteriaCurvibacter12 124695 130112 822
    OTU27ProteobacteriaAfipia77 162326 084409 316
    OTU28ProteobacteriaAestuariivirga291 710435 75681 166
    OTU29ProteobacteriaSolimonas619 75087 99417 044
    OTU30ProteobacteriaAquabacterium15 08498 008529 220
    OTU31ProteobacteriaMethyloversatilis3 124477 57842 298
    OTU32ProteobacteriaMesorhizobium156 102248 98241 414
    OTU33BacteroidotaHaliscomenobacter380 07253 2801 696
    OTU34NitrospiraeNitrospira61 004298 25027 688
    OTU35ActinobacteriaPimelobacter279 37083 954550
    OTU36ProteobacteriaMethylibium11 04083 316268 244
    OTU37ActinobacteriaMiltoncostaea21 526331 5664 632
    OTU38ProteobacteriaRubrivivax139 984113 73896 944
    OTU39ProteobacteriaRhodoplanes11 736251 9229 530
    OTU40ProteobacteriaPseudomonas80 188101 05874 944
    OTU41ActinobacteriaMycobacteroides128 118106 33820 612
    OTU42ProteobacteriaPseudorhodoplanes45 956160 01244 112
    OTU43ProteobacteriaLegionella19 490194 79429 928
    OTU44ProteobacteriaRhodoferax17 382165 72248 922
    OTU45ProteobacteriaHydrogenophaga22 82670 75476 062
    OTU46ProteobacteriaMethylorubrum6 972154 3248 248
    OTU47ProteobacteriaAcidovorax84 84038 90634 702
    OTU48ProteobacteriaIdeonella19 21426 61052 772
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-22
  • 录用日期:  2024-03-15
  • 刊出日期:  2024-06-26

催化剂填料表面微生物对微污染物胁迫的响应

    通讯作者: 邢学辞(1990—),男,博士,副教授,研究方向为饮用水处理,xcxing@gzhu.edu.cn;  胡春(1966—),女,博士,教授,研究方向为水污染控制化学,huchun@gzhu.edu.cn
    作者简介: 高靖雨 (1996—) ,男,博士研究生,gaojingyu0114@163.com
  • 广州大学,大湾区环境研究院珠江三角洲水质安全与保护教育部重点实验室,广州 510006
基金项目:
广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目(2019ZT08L387);国家自然科学基金资助项目(52350005,52150056,51838005);广东省自然科学基金面上项目(2023A1515011509);广州市科技计划市校联合资助项目(2024A03J0088,202201020177)

摘要: 目前复合微污染水源条件下,饮用水中复合微污染物对微生物带来的胁迫效应会引发含氮类消毒副产物生成势(nitrogenous disinfection byproducts formation potential, N-DBPs FP)和抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)水质风险。本研究基于催化剂(HCLL-S8-M)作为新型生物滤料建立反应器处理砂滤后水,考察生物滤池出水N-DBPs FP和ARGs丰度,对滤料胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)进行分析,通过宏基因组学分析水体中微生物群落结构和胁迫效应基因表达水平。结果表明,在相同复合微污染物条件下(磺胺嘧啶和2,4-二氯苯氧乙酸各1 µg·L−1),HCLL-S8-M滤柱出水中卤代乙腈和卤代硝基甲烷的总生成势为522.30 ng·L−1,比椰壳活性炭滤柱出水低171.70 ng·L−1,ARGs相对丰度也比椰壳活性炭滤柱出水低约4倍。这得益于HCLL-S8-M滤柱可以高效去除包括微污染物在内的溶解性有机碳、SUVA和高分子质量的有机物。HCLL-S8-M滤柱和出水中微生物分泌更少的EPS,从而减少的N-DBPs前驱体和削弱ARGs的水平转移。宏基因组学分析结果表明,微生物在HCLL-S8-M滤柱出水中的氧化应激反应功能基因表达比椰壳活性炭滤柱下降。HCLL-S8-M滤柱减弱微污染物对微生物的胁迫效应,降低N-DBPs FP和ARGs,有助于控制微生物应激反应造成间接饮用水水质风险。

English Abstract

  • 近年来,许多有机污染物在河流、地下水和湖泊中被发现,包括抗生素、农药和微塑料,并且含量维持在痕量浓度[1]。其中,抗生素和农药被广泛用于医疗和农业领域,这些污染物在痕量浓度下长期存在于水体中,会对饮用水造成严重危害[2]。长期过度使用抗生素导致细菌产生耐药性,从而降低抗生素对人类疾病的治疗效果[3]。因此,减少诱发抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的风险尤为重要。有研究[4]表明,氮循环细菌暴露在β-内酰胺类抗生素和寡营养环境下,成为主要抗性基因宿主。非抗生素化学物质,例如季铵化合物、微塑料可以诱导微生物应激反应,促进ARGs水平转移[5-6]。KURENBACH等[7]研究发现,除草剂可将抗生素的最小抑菌浓度提高6倍,促进微生物抗性基因产生。

    活性炭具有发达的孔隙结构和不错的经济效益,被普遍用作饮用水高级处理的吸附剂。同时,活性炭可以与水体中微生物结合,利用微生物去除污染物,因此,活性炭通常被称为生物活性炭[8-9]。大量微生物附着于生物活性炭表面,ARGs的水平转移在微生物群落之间增强,从而引起耐药性细菌的增殖[10-11]。此外,有研究[12-13]表明,生物膜促进消毒过程中消毒副产物的产生,尤其是含氮类消毒副产物(nitrogenous disinfection byproducts formation potential, N-DBPs),究其原因是胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)、可溶性微生物产物和死细胞可以作为消毒副产物前驱体参与了反应。LI等[14]研究表明,环境胁迫促使微生物过度分泌EPS确保生存。蛋白质、多糖和核酸是EPS的主要成分,此外,蛋白质比多糖更容易促进N-DBPs的产生,因为其含有高含量的有机氮[15-16]

    LYU等[17-18]研究发现,吸附在双反应中心(dual-reaction-center, DRC)贫电子区的有机物能被高效降解,同时吸附在富电子区的H2O2被还原成羟基自由基或活性氧。有研究表明,微生物可以通过生物膜吸收不溶性电子供体提供的电子,例如,硫氧化硫化杆菌(Sulfobacillus thermosulfidooxidans)通过外膜蛋白从石墨表面电子供体吸收电子[19]。因此,电子从吸附在催化剂贫电子区的有机物到富电子区的微生物。这种滤料-微生物协同作用避免微生物从污染物中获得能量,削弱污染物对微生物的胁迫效应。

    本研究通过浸渍和表面络合法制备了DRC催化剂(HCLL-S8-M),将其用于饮用水深度处理工艺。使用溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)的质量浓度、SUVA (specific ultraviolet absorbance)、高效凝胶排阻色谱(high-performance size exclusion chromatography, HPSEC)和三维荧光(excitation-emission matrix fluorescence, EEM)参数反映HCLL-S8-M滤柱对水质处理效果。通过实时荧光定量PCR (polymerase chain reaction)检测了微生物ARGs的相对丰度,使用气相色谱分析水体中N-DBPs生成势(N-DBPs formation potential, N-DBPs FP)。通过宏基因组学分析结合EPS的理化性质探讨微生物群落结构的变化,阐明催化剂、微生物之间的相互作用。探讨了在饮用水处理过程中,微生物协同HCLL-S8-M削弱复合微污染物对微生物胁迫效应的机制,为降低N-DBPs和ARGs风险提供理论依据。

    • 根据已报道的方法合成氮掺杂类石墨烯络合Cu-Al2O3陶粒(HCLL-S8-M)催化剂[20],将0.58 g Al(NO3)3·9H2O和0.55 g Cu(NO3)2·3H2O均匀地分散3 mL水中。在水溶液中分散一定量的双氰胺,搅拌10 min后,将混合物倒入装有 10 g商用球形Al2O3颗粒(2 mm)的烧杯中。随后,向烧杯中加入NaOH使溶液呈碱性,并在100 ℃下干燥12 h,得到的固体样品在500 ℃下煅烧1 h。将市售的椰壳活性炭在10%的NaOH中浸泡2 h,然后用超纯水清洗至pH为中性。用10% HNO3进行上述同样的处理。最后,将椰壳活性炭在150 ℃的鼓风干燥箱中干燥24 h。

    • 分别以HCLL-S8-M和椰壳活性炭为填充滤料制作2个反应器,模拟饮用水深度处理过程,装置示意图如图1所示。进水采用中国南方某饮用水处理厂经过砂滤处理后的出水。并且在进水中同时加入微污染物磺胺嘧啶(sulfadiazine, SDZ)和2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-Dichlorophenoxyacetic acid, 2,4-D)各1 μg·L−1。进水从底部泵入反应器,空床停留时间为20 min,运行周期为46 d。收集不同滤料条件下的出水样品,进行化学和微生物分析。

    • DOC的质量浓度由总有机碳分析仪(TOC-L ASI-L,岛津,日本)测定;使用分光光度计(DR6000,哈希,美国)测量在254 nm波长下吸光度(UV254);特定波长的紫外吸光度(SUVA)计算公式为UV254/DOC×100[21];荧光分光光度计(F-7000,日立,日本)和液相色谱(1260 Infinity II,安捷伦,美国)分别测定EEM和HPSEC。N-DBPs FP根据已报道方法进行检测[21]

    • EPS根据已报道方法进行提取,蛋白质和多糖质量浓度分别采用改良Lowry法和苯酚-硫酸法测定[21]。Zeta电位使用Zetasizer Nano(ZS90,马尔文,英国)测量。傅立叶变换红外光谱使用溴化钾粉末(Nicolet iS 10,赛默飞,美国)进行采集。

    • 16S rRNA和ARGs通过实时荧光定量PCR(qPCR)检测。宏基因组学分析使用 Illumina NovaSeq/Hiseq Xten测序平台(因美纳,美国)。详细的qPCR流程、引物信息根据已报道方法进行检测[21]。BioProject: PRJNA1078285。

    • 本研究检测不同滤料出水中卤代乙腈和卤代硝基甲烷的总生成势。其中包括三氯乙腈(trichloroacetonitrile, TCAN)、二氯乙腈(dichloroacetonitrile, DCAN)、溴氯乙腈(bromochloroacetonitrile, BCAN)、二溴乙腈(dibromoacetonitrile, DBAN)和三氯硝基甲烷(trichloronitromethane, TCNM)。图2表示N-DBPs FP在进水和出水的样品中质量浓度情况。

      生物滤池运行46 d,HCLL-S8-M滤柱出水中N-DBPs FP质量浓度是522.30 ng·L−1,比椰壳活性炭滤柱出水中N-DBPs FP质量浓度降低171.70 ng·L−1,同时相比进水中N-DBPs FP质量浓度也下降26.44 ng·L−1。此外,椰壳活性炭滤柱出水比进水中N-DBPs FP增加145.30 ng·L−1。DCAN FP在所有样品中的质量浓度是最高的,这与文献报道的结果一致[22]。此外,在椰壳活性炭滤柱出水中,TCAN FP和TCNM FP质量浓度比HCLL-S8-M滤柱出水中(108.70 ng·L−1和143.40 ng·L−1)分别增加了71.50 ng·L−1和83.38 ng·L−1。结果表明,在复合微污染物条件下,HCLL-S8-M滤柱去除水体中N-DBPs前驱体的能力远高于椰壳活性炭滤柱。

      ARGs/16S rRNA比值表示ARGs的相对丰度,可以代表ARGs在样品微生物种群中的相对含量。图3表明,椰壳活性炭滤柱出水中ARGs的相对丰度是17.27%,比HCLL-S8-M滤柱出水(4.77%)和进水(5.75%)中ARGs的相对丰度分别高约4倍和3倍。此外,2种滤料表面ARGs的相对丰度也呈现相同趋势。在HCLL-S8-M滤柱中磺胺类ARGs的相对丰度低于椰壳活性炭滤柱,MexA的相对丰度比椰壳活性炭滤柱低2倍,外排泵可以主动将包括抗生素在内的多种底物排出胞外,促进抗性基因的产生[23]。此外,有研究[24-25]表明,生物膜不仅可以作为N-DBPs的前驱体,还能促进水中微生物之间的水平基因转移,导致ARGs的相对丰度增加。因此,HCLL-S8-M滤柱可以有效降低复合微污染物对微生物的胁迫效应。

    • 本实验连续运行46 d,由图4可见,经过HCLL-S8-M滤柱处理后,DOC质量浓度由1.14~1.45 mg·L−1下降到大约0.79 mg·L−1。出水的SUVA(1.59 L·(mg·m)−1)低于进水(1.89 L·(mg·m)−1),HCLL-S8-M滤柱可以有效去除DBPs前驱体[26]。根据HPSEC色谱图,观察到HCLL-S8-M滤柱处理后DOC中的高分子质量组份明显下降(保留时间小于10.0 min > 1 200 Da)。基于对EEM进行积分通常得到5个区域为:芳香蛋白质类物质(峰A:Ex/Em=220~250 nm/280~380 nm)、富里酸类物质(峰B:Ex/Em=200~250 nm/380~480 nm)、可溶性微生物产物类物质(峰C:Ex/Em=250~340 nm/280~380 nm)和腐殖酸类物质(峰D:Ex/Em=250~370 nm/380~480 nm)[27]。明显可见,经过HCLL-S8-M滤柱过滤后,所有区域的荧光强度均下降(图4(d)),这与DOC质量浓度的变化结果一致(图4(a))。结果表明,HCLL-S8-M滤柱对饮用水源广泛存在的DOC有很好的去除效果,同时具有胁迫作用的有机微污染物的随之去除。进一步说明HCLL-S8-M滤柱可以有效降低复合微污染物对微生物的胁迫效应,从而降低消毒副产物的生成量和抗性基因风险。

    • 图5可见,HCLL-S8-M滤料表面蛋白质含量比椰壳活性炭滤料表面蛋白质低0.20 mg·g−1,HCLL-S8-M滤柱出水EPS中蛋白质质量浓度(1.55 mg·L−1)也低于椰壳活性炭滤柱出水中蛋白质质量浓度(2.27 mg·L−1)。由图6可见,无论是在水体中还是滤料表面,HCLL-S8-M滤柱中EPS的芳香蛋白质类物质强度远低于椰壳活性炭滤柱,表明蛋白质可能在DBPs和ARGs的风险中发挥了重要作用。丰富的蛋白质类物质(包括胺、氨基酸、氨基糖和硝基甲烷分子)可以作为消毒副产物前驱体,HCLL-S8-M滤柱出水中N-DBPs FP低于椰壳活性炭滤柱出水中的含量[28]。由此证明生物滤池处理过程中,微生物群落通过EPS反映环境胁迫[29]。同时证明,HCLL-S8-M滤柱相比椰壳活性炭滤柱可以削弱复合微污染物对微生物的胁迫效应,微生物不需要过度分泌EPS来抵御环境胁迫,减弱微生物之间的抗性基因水平转移[30]

      通过拟合红外光谱酰胺I区,得到滤料表面EPS中蛋白质二级结构(图7表1)。通常α-螺旋和β-折叠占比越大,EPS的疏水性就越强,同时蛋白质与多糖的比值可以判断疏水性的强弱。 HCLL-S8-M滤柱中EPS样品中的α-螺旋和β-折叠占比之和为37.23%,高于椰壳活性炭滤柱的32.06%,同时与图5(a)中PN/PS一致,表明HCLL-S8-M滤柱中EPS疏水性更强[21]。因此,HCLL-S8-M滤柱中EPS具有高凝聚效率能够稳定附着在滤料表面,减小其脱落水体中风险从而控制消毒副产物前驱体的生成。

      宏基因组学分析细菌属水平的PCA(图8(a))证实滤料对微生物群落结构有显著影响。图8(b)证明进水中分枝菌酸杆形菌属(Mycolicibacterium)占比最大(25.60%),滤料处理后出水中占比小于3%。HCLL-S8-M滤柱出水中,湖沉积杆菌(Limnobacter)、沉积物杆状菌属(Sediminibacterium)和新鞘酯属(Novosphingobium)成为优势细菌属。另外生丝微菌属(Hyphomicrobium)、鞘氨醇盒菌属(Sphingopyxis)、类诺卡氏菌属(Nocardioides)和Methylotenera在椰壳活性炭滤柱出水微生物中占比分别为6.27%、5.35%、4.89%和4.49成为优势菌群。通过CCA分析(图8(c))可以得出HCLL-S8-M滤料出水中的优势细菌属只与DBAN和BCAN成正相关,并且这2种N-DBPs在检测出的消毒副产物中占比最小。椰壳活性炭滤料出水中的优势菌群与ARGs和N-DBPs均有显著的相关性。共现网络分析结果(图8(d))用于说明ARGs与总丰度前49的菌群(表2)之间的关系。13个OTU(例如OTU为3、7、13、14、25)与磺胺类抗性基因和外排泵呈正相关,OTU2、OTU 21等10个OTU与整合子显著相关,表明这些OTU是抗性基因的潜在宿主。结合表2细菌群落绝对丰度发现,抗性基因的潜在宿主的绝对丰度在HCLL-S8-M滤柱出水微生物中要远低于椰壳活性炭滤柱出水微生物。这表明HCLL-S8-M滤料通过改变微生物群落削弱抗性基因的生成和水平转移。微生物受到环境胁迫时,会引发氧化应激反应,维持正常存活率。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷氨酸-半胱氨酸连接酶(GCLC)、谷胱甘肽合成酶(GSS)、谷胱甘肽S转移酶(GST)、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)参与氧化应激反应调节细胞内活性氧(ROS)。图8(e)显示HCLL-S8-M滤柱出水中微生物抗氧化应激反应相关酶的总体绝对丰度低于椰壳活性炭滤柱出水中。在相同的复合微污染物条件下,水体中复杂的有机物可能会诱发微生物氧化应激反应,破坏抗氧化系统的平衡,诱发氧化损伤,促进EPS分泌[31]。在HCLL-S8-M滤柱出水中微生物功能基因下调,表明HCLL-S8-M滤料可以削弱微污染物对微生物带来的胁迫效应,降低微生物氧化应激和EPS分泌,从而减少DBPs前驱体并抑制ARGs的水平转移[32-33]

    • 1) HCLL-S8-M滤料去除N-DBPs前驱体和ARGs的效率远高于椰壳活性炭滤料,出水中N-DBPs FP的总量比椰壳活性炭滤柱出水低25.74%,同时出水中ARGs的相对丰度(4.77%)比椰壳活性炭滤柱出水(17.27%)更低。此外,HCLL-S8-M滤料可以有效去除包括微污染物在内的DOC,起到净化饮用水水质作用。

      2)在HCLL-S8-M滤柱中微生物分泌更少的EPS,并且其能够更加稳定附着在滤料表面。HCLL-S8-M滤柱通过重组微生物群落,降低ARGs潜在宿主的数量,同时微生物氧化应激反应功能基因表达下降,表明HCLL-S8-M滤柱可以削弱微污染物对微生物带来的胁迫效应,削弱微生物分泌EPS,因此,DBPs前驱体降低并抑制ARGs的水平转移。

    参考文献 (33)

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