城市尾水受纳水体底质微生物群落对典型抗生素衰减过程的作用机制

Wastewater reuse has been one of the most important ways to alleviate water crisis in China. However, the presence of antibiotics in reused wastewater could bring ecological and health risks. The decay of antibiotics in river is mainly attributed to hydraulic diffusion, sediment adsorption, and biodegradation. Therefore, the aim of this research is to study the effect of sediment microbial community on the decay of antibiotics in the river received effluent of wastewater treatment plants. The correlation between antibiotics from effluent of wastewater treatment plants and sediment microbial community will be firstly discussed for recognizing the typical antibiotics which could remarkably affect sediment microbial community structure. Field tests and model experiments in laboratory will be used to study the response mechanisms of sediment microbial community to the typical antibiotics under hydrodynamic conditions. The relationship between the typical antibiotics biodegradation and variation of sediment microbial community will be clarified by biodegradation experiments and numerical simulation. The decay coefficient would be obtained based on the equations of mass conservation, adsorption and desorption, as well as biodegradation. The results could provide scientific basis for predicting the fate of antibiotics in the river and guaranteeing the security of water environment and water resource.

城市尾水补充河湖水体是缓解我国水资源危机的主要途径之一，但尾水中含有的一些新兴污染物，如抗生素等，会给水环境带来一定的生态风险和健康风险。尾水中抗生素进入河流水体后，其归宿取决于一系列的物理、化学和生物过程，其中底质吸附和微生物降解是其衰减的主要机制。本课题拟以城市污水处理厂尾水受纳水体为研究区域，以河流水体中普遍检出的磺胺类、喹诺酮类和四环素类抗生素为研究对象，采用野外观测和室内模拟相结合的方法，首先研究尾水中抗生素与底质微生物群落结构特征的相关性，识别影响底质微生物群落结构的典型抗生素；其次研究动水条件下典型抗生素对受纳水体底质微生物群落结构的作用，以及该作用下微生物群落变化对抗生素降解的影响；在此基础上，研究扩散-吸附-降解多机制耦合作用下典型抗生素的衰减规律，建立多机制耦合作用下典型抗生素的衰减方程，为河流水体中抗生素的预测和防控提供依据。研究对水环境保护与水体修复具有重要意义。

本项目针对城市尾水中含有的抗生素给水环境带来的生态风险和健康风险问题，开展了水动力、微生物联合作用下抗生素降解机制与规律的研究，主要内容包括：河流不同污染程度对微生物群落结构的影响研究、水动力条件对自然水体中生物膜群落特征的影响机制研究、河流沉积物中细菌群落构建与抗生素的生物降解模型研究等，基于以上研究发表SCI论文3篇。研究结论主要包括：.（1）不同污染程度下微生物群落的均匀度、物种丰度和主导菌群分布均具有一定差异。污染程度较大的样点中微生物均匀度较差，且微生物丰度也较低。随河流污染程度的增加，变形菌相对丰度先增加后波动，中等污染程度下最高；放线菌相对丰度直线下降，轻度污染程度下最高；厚壁菌相对丰度先降低后增大，在中度污染程度河流中丰度最低。.（2）结合微生物的迁移、扩散机制，本研究首次将生态位分化作用引入水动力条件对自然水体微生物群落多样性影响模拟的模型研究中。模型的模拟结果表明，当试验水槽中流速介于0.041~0.061m/s之间时，生物膜群落生长条件最佳。同时，群落构建的驱动性因素随着水动力条件的变化而变化：当流速小于0.05m/s时，群落中个体的增殖起主要作用；当流速大于0.05m/s时，主要驱动因素则为微生物个体的迁移。.（3）利用生态学中的确定性和随机性模型模拟研究了河流底质典型抗生素磺胺甲恶唑（SMX）的降解过程。发现微生物群落演替的确定性和随机过程会显著影响SMX的降解途径，当SMX超过阈值浓度20 μg/kg时，生态位分化诱导的功能菌群作用是其主要的降解机制，当SMX低于20 μg/kg时，多微生物-多底物间的共代谢作用是其降解的主要机制。研究成果可以解释自然河流底质中SMX的微生物降解过程，对于抗生素污染河流的修复具有一定的指导意义。