He-Shan Zheng, Wan-Qian Guo, Qu-Li Wu, Nan-Qi Ren, Jo-Shu Chang, Electro-peroxone pretreatment for enhanced simulated hospital wastewater treatment and antibiotic resistance genes reduction, Environment International, Volume 115, June 2018, Pages 70-78, ISSN 0160-4120,

 

研究背景

本研究提出一系列处理工艺，进行医院废水处理模拟，旨在提高水处理性能和降低抗生素抗性基因产生。

 

方法

电化学过氧化氢（E-peroxone）预处理，然后用序批式反应器（SBR）模拟医院废水处理，通过Illumina MiSeq测序进行微生物群落分析，使用定量PCR反应（Applied Biosystems ViiA TM 7实时PCR系统，Wcgene Biotechnology，Shanghai）进行ARGs分析。

 

 

图1.结合E-peroxone-SBR的示意图

 

研究结果

 

1.E-peroxone预处理对SBR效率的影响

 

 

图2. E-peroxone预处理过程中O₃浓度（a），电流（b），pH（c）对TOC矿化的影响。

 

CIP及其降解中间体矿化得快，导致高TOC矿化速率。上述结果表明，这些条件在E-peroxone过程中CIP降解中起重要作用。

 

 

图3. E-peroxone-SBR工艺在去除COD的性能研究

 

预处理时间明显影响SBR中的COD去除效率。

 

表1.基于Illumina测序的16S rRNA基因扩增子的物种丰富度和多样性分析。

 

N1：SBR处理模拟医院废水而不添加CIP的样品;N2：直接SBR处理未经E-peroxone预处理的医院废水的样品;N3：E-peroxone预处理30分钟后SBR处理医院废水的样品;N4：75分钟预处理后SBR处理废水的样品。

表1中观察到的OTU，Ace和Chao1估计值表明样本N2具有最低的丰度。样品N3和N4表明，E-peroxone预处理显着恢复微生物的丰富度和多样性，这对生物废水处理系统稳定性有一定影响。

 

 

图4. 维恩图显示了基于OTUs的4个处理样本在3％不同程度上的重叠。

 

如图4所示，N4与N1共享OTU的数量最多，其次是N3和N2。 N1与其他样品共用的OTUs数量表明，随着E-peroxone预处理时间的增加，原始细菌群落逐渐恢复。

 

图5.微生物群落的PCoA分析

 

图5显示了四种SBR中细菌群落的分离群落。四个样本被分散到三个不同的群落中：N3和N4分布在一起，但与N1和N2的群落相距较远。结果表明，SBR处理未经E-peroxone预处理（N2）的细菌群落与对照（N1）中微生物群落的起源有很大差异，而E-peroxone预处理后CIP降解的转化产物（TP）仍然对细菌群落有显着影响（比较N3，N4与N1）。

 

 

 

图6.微生物群落的门分布。

 

样品N1，N2，N3和N4中的每个分类属的特定丰度也在图6中提供和比较。属于Ferribacterium，Anaerolineaceae，Tolumonas，Lactococcus，Geothrix和Actinobaculum对CIP极其敏感，它们的相对 CIP刺激下丰度大幅下降。 相反，Zoogloea，Dechloromonas，Comamonadaceae和Chitinophagaceae的丰度显着增加，表明它们对抗生素CIP具有强抗性。 这一发现表明，残留在废水中的抗生素残留物通过调整微生物种群结构并同时抑制其微生物活性对其处理效率具有显着影响。

 

 

 

图7.属类细菌群落的分类热图。

如图7所示，SBR N1中铁菌属（14.42％），Anaerolineaceae（5.76％）和Geothrix（2.74％）的含量在未经过E-peroxone预处理后降至零，随后经预处理时间延长逐渐增加。该结果表明CIP降解的中间产物显示出微生物抑制作用。此外，无论CIP作为原始形式还是作为降解的中间产物存在，其他SBR中的土霉属（7.38％），乳球菌（5.47％）和放线菌（2.39％）的量甚至降至零。随着E-peroxone预处理时间的延长，其含量逐渐恢复，处理性能进一步增强。

2.E-peroxone预处理对SBR中喹诺酮ARGs 降低的影响

 

 

图8.质粒介导的喹诺酮类耐药（PMQR）基因在E-peroxone联合SBR样品中的相对丰度（ARGs / 16S rRNA）。A1：单独的SBR中没有进行E-peroxone预处理；A2：SBR中具有E-peroxone预处理30分钟；A3：SBR中E-peroxone预处理75分钟。

 

如图8所示，在三种样品中检测到六种PMQR基因的表达水平，以确定在E-peroxone联合SBR处理过程中的ARG产量。结果表明，应用E-peroxone预处理可以有效地减少ARG aac（6'） - Ib-cr，最佳减少率为73.0％。ARG qepA也随着延长的E-peroxone预处理时间而显着降低。

 

表2.CIP和检测到通过E-peroxone处理去除CIP的转化产物（TP）

 

上述结果表明CIP降解产物或E-peroxone预处理后的中间体也具有相当大的毒性效应并且可能诱导ARG产生。此外，在CIP转化产物的影响下，SBR中一些细菌属的丰度受到抑制或消失。 然而，在过氧化氢预处理的帮助下，反应时间从30分钟增加到75分钟，ARG的总产量显着降低。因此，联合使用E-peroxone-SBR是减少ARG生产的有效方法，同时保证医院污水处理的高效性。

 

结果总结

E-peroxone-SBR方法是一种有效减少ARG产生的方法，同时保证具有高环境风险的医院废水的有效处理。