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a级黄色片微生物多样性测序助力中山大学研究文章荣登国际环境领域TOP期刊

来源:admin    发布时间:2020-12-02   阅读数:206

好消息!a级黄色片又一项目文章见刊啦!该研究探索了三类污泥和水生环境中,布洛芬及其生物转化产物的作用和毒性,为了解布洛芬及其生物转化产物对生物污泥系统和生态系统的毒性作用提供了依据。原文于2020年11月在Environment International上在线发表。本文的第一作者是中山大学生态学院贾妍艳副教授、通讯作者为中山大学环境科学与工程学院吕慧教授。


Influence of ibuprofen and its biotransformation products on on different biological sludge systems and ecosystem

布洛芬及其转化产物对不同生物污泥系统和生态系统的影响


项目文章|a级黄色片微生物多样性测序助力中山大学研究文章荣登国际环境领域TOP期刊

作者:中山大学生态学院贾妍艳副教授 等

期刊:Environment International

时间:2020.11.20

IF:7.943

DOI:10.1016/j.envint.2020.106265


一、文章摘要

布洛芬(IBU)是污水处理厂和水生环境中常见的非甾体消炎药。然而,IBU及其生物转化产物(TPs)对不同生物污泥系统和水生环境的影响尚不明确。通过生物反应器的长期运行和系列实验,本研究探索了三类污泥(系统活性污泥(AS)、硫酸盐还原菌(SRB)富集污泥、厌氧产甲烷(AnM)污泥)和水生环境中,IBU及TPs的作用和毒性。通过去除有机碳、硫和产生甲烷的效率得知,SRB富集污泥和AnM污泥系统不受IBU的影响,这应归功于其中高度耐受IBU的功能微生物,如脱硫杆菌属(Desulfobacter)等。相比之下,IBU明显降低了AS系统的有机物去除率和污泥沉降,微生物群落分析结果也表明参与有机物降解的Candidatus Competibacter等显著受到抑制,IBU还能刺激单胞菌属(Brachymonas)等菌属过量分泌胞外聚合物(EPS),从而导致AS系统的污泥膨胀。另外,研究还利用指示菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)以及生态结构活动关系(ECOSAR)计划中的定量结构活性关系(QSAR)分析测试了AS出水体系的IBU和TPs,结果表明AS能有效消除IBU和TPs的急性毒性,但潜在的慢性毒性仍存在。这些发现为了解IBU及其TPs对生物污泥系统和生态系统的毒性作用提供了依据。


二、研究设计

1.生物反应器设置及运行

在序批式反应器(SBR)、去硫酸盐升流式污泥床(SRUSB)和升流式厌氧污泥床(UASB)中分别接种AS污泥、SRB富集污泥和AnM污泥。在反应器中添加合成废水,后添加不同浓度的IBU(100 、500、1000μg/L)再继续运行。定期检测样品的相关指标。


2.微生物群落分析

提取样品DNA并扩增细菌(16S V3V4)和古菌(16S V4V5)的16S rRNA,将PCR产物送往看一级特黄a大片进行高通量测序(Illumina MiSeq, PE300)和后续生信分析。

3.急性毒性评估

有毒物质能抑制指示菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)的生物发光,毒性越大抑制效果越强。本实验利用该特性评估添加IBU及TPs后,费氏弧菌(Vibrio fischeri)发出的冷光强度变化。另外还应用对IBU降解能力更强的AS系统来测试IBU及其TPs的急性毒性变化,以及用ECOSAR计划评估IBU及其TPs对水生生物的毒害。


4.分析过程

评估反应器中微生物群落的活性、污泥沉降性能,用气相色谱检测挥发性脂肪酸及气体,液相色谱检测IBU及其产物TPs。EPS是指示污泥系统中有毒物质的重要指标,在此也对PES的变化进行分析。


三、分析结果

1.IBU在生物污泥系统中的作用

首先研究IBU对SBR、SRUSB和UASB中污泥的影响(图1)。厌氧生物反应器SRUSB和UASB对IBU的去除效率十分有限 (<10.0%) 。不过,IBU也不影响SRB富集污泥降解COD和硫酸盐(去除效率>80.0% 和60.0% )。另外,UASB的COD去除效率一直高于85%,甲烷产率也较高,同样说明IBU不会抑制菌的产甲烷活性。由此可知,SRUSB和UASB虽无法去除IBU,但对IBU的耐受力很强。


三类生物反应器去除IBU的效率
图1 三类生物反应器去除IBU的效率

AS污泥系统清除低浓度IBU(100μg/L)的效率高达93.8%,将IBU浓度升高至500μg/L和1000μg/L时,清除效率降至39.4%和5.1%,系统对COD的清除效率也随着IBU浓度的升高显著降低。比耗氧速率(SOUR)的测定结果证实IBU确实抑制了需氧菌的活性,破坏了微生物群落结构。有趣的是,IBU并不影响氮的去除。另外,长期暴露在IBU中会引起AS系统的污泥膨胀,絮凝体分解又导致污泥沉降不良,这可能是由IBU和TPs对微生物群落的抑制以及SBR功能微生物的转移造成。


EPS主要包含蛋白、多糖、腐殖酸等,能覆盖毒物或其他外源物以保护细菌。在中高浓度IBU(500、1000 μg/L)的长期处理下,3类生物反应器的EPS显著增加,如富集的单胞菌属(Brachymonas)、陶厄氏菌属(Thauera)等物种会分泌更多EPS。其中SRB富集污泥和AnM污泥中EPS的蛋白质/多糖质量比一直没有变化,而在AS中,EPS的多糖含量会随着IBU浓度的增加而增加。


通过16S rRNA基因测序来研究微生物群落对IBU的响应情况。3类反应器细菌群落的分布和丰度在长期的IBU处理下都发生了显著变化(图2)。SRB富集污泥中降解硫酸盐和COD的功能微生物多属于变形菌门,如脱硫杆菌属(Desulfobacter)等,它们的相对丰度始终最高(>17.0%),这也是SRUSB能高效去除COD和降解硫酸盐的原因。


AS系统中微生物群落变化
图2 AS系统中微生物群落变化


IBU浓度从0 μg/L升高到1000 μg/L,AnM污泥中有机物降解微生物(如Bacteroidetes_vadinHA17、Anaerolineaceae等)的相对丰度保持稳定(50.8 ± 0.02%),但功能古菌发生了变化,如甲基营养型产甲烷菌的丰度大幅增长了20.7%,氢营养型和乙酸分解型产甲烷菌丰度显著下降。而总体上甲烷产率和有机物去除率不受IBU的影响。

AS中降解有机物的Candidatus Competibacter、螺旋体菌门(Saccharibacteria )等受到高浓度IBU的严重影响。有趣的是,硝化和反硝化活动仍然活跃,去氮细菌甚至有所增加。像氧化亚硝酸盐的硝化螺旋菌门(Nitrospira)明显受到IBU抑制,而反硝化菌如假单胞菌属(Pseudomonas), 陶厄氏菌属(Thauera)和热单胞菌属(Thermomonas)富集明显。此外,经IBU处理后丝状细菌硫发菌属(Thiothrix)丰度增加,该属会导致污泥膨胀。后续将进一步验证IBU的生态毒性,鉴于厌氧污泥系统清除IBU的效果不佳,因此后续以AS系统研究IBU和TPs的急性毒性。


生物荧光抑制试验检测AS系统中IBU及其TPs的急性毒性
图3 生物荧光抑制试验检测AS系统中IBU及其TPs的急性毒性

2.IBU和TPs的急性毒性

SBR反应器中的AS污泥能转化94.4%的IBU,产物主要为3种类型的TPs:TP1、TP2和TP3。将能发出荧光的指示菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)与这些毒物共培养,100μg/L和1000μg/L的IBU对荧光的抑制效果从6.8 %升高到了40.6 %(图3)。AS能够迅速转化IBU为TPs,但TPs对费氏弧菌(Vibrio fischeri)的毒害更大,其中TP2的荧光抑制效果最强。当然,单个指示菌并不能全面测试IBU和TPs的毒性,因此还需进一步研究它们对不同水生生物的毒性。


3.IBU和TPs的生态毒性

ECOSAR (version 2.0) 计划收录了有机物对水圈生物的毒性数据,可预测相似结构化合物的毒性。本研究使用该模型预测了IBU和TPs对不同水水生物的毒害水平(表1)。IBU对鱼类、水蚤和绿藻的急性毒性均高于TPs,但似乎也不至于产生急性毒性。尽管如此,慢性毒性的风险仍然存在。IBU的毒害更大,AS系统将IBU降解为TPs是一个脱毒过程。总之,虽然IBU和TPs对不同水水生物的急性毒害可忽略不计,但慢性毒害却将导致一系列严重的问题,因此需要更加关注污水处理厂的IBU残留问题。


表1  使用ECOSAR评估IBU和TPs的急性和慢性毒害

使用ECOSAR评估IBU和TPs的急性和慢性毒害图


四、小  结

目前鲜有文章研究污水处理系统和水生环境中IBU和TPs的影响。在此,本文探索了AS污泥、SRB富集污泥和AnM污泥系统和水生环境中的IBU和TPs,结果表明SRB富集污泥和AnM污泥系统不受IBU的影响。虽然AS系统能有效清除低浓度IBU,但却受IBU尤其是高浓度IBU的长期影响。IBU会抑制降解有机物的微生物,导致COD去除效率降低47.9%,另外还会刺激某些微生物分泌更多EPS,引起AS系统的污泥膨胀。AS生物反应器中残留的IBU和TPs似乎不会对水生生物产生急性毒性,但IBU的慢性毒性比TPs危害更大。因此,人们需要重视制药废水出水的生态毒性问题。



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