蚯蚓生物滤池削减剩余污泥中ARGs和ARB的效果研究_赵然.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220204基金项目:同济大学“双带头人”学术能力提升计划(0400219423);国家自然科学基金(51679168)第一作者:赵然(1999)，女，硕士研究生，主要研究方向为污水生物处理理论与资源化。17317813942 163com*通信作者:邢美燕(1977)，女，博士，副教授，主要研究方向为污水/污泥生物生态处理技术。xingmeiyan tongjieducnDOI:10.13205/jhjgc202212015赵然，邢美燕，杨格格，等 蚯蚓生物滤池削减剩余污泥中 AGs 和 AB 的效果研究 J 环境工程，2022，40(12):112120蚯蚓生物滤池削减剩余污泥中 AGs 和AB 的效果研究赵然1邢美燕1*杨格格2邢丽波1(1同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092;2同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)摘要:蚯蚓生物滤池(vermifiltration，VF)是一种低碳、环境友好的生态技术。基于其良好的剩余污泥减量化效果，以不加蚯蚓的普通生物滤池(biofilter，BF)为对照，探究蚯蚓生物滤池对新型污染物 抗生素抗性菌(antibioticresistance bacteria，AB)和抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes，AGs)的去除效果。结果表明:与 BF 相比，VF对 AB(四环素类抗性菌、磺胺类抗性菌和双抗性抗性菌)的去除率增加 25 百分点以上，对 AGs(tetO、tetM、tetQ、tetW、sul1、sul2)去除率增加 20 百分点以上，且具有选择性。VF 对 intI1 去除率高达 98.24%，大大降低了 AGs 的水平转移和传播风险。夏、冬季，VF 对 AGs 和 AB 去除率比 BF 高 15 百分点以上，说明蚯蚓的加入减弱了低、高温对生物滤池的抑制作用。蚯蚓生物滤池能有效提高污泥中 AGs 和 AB 去除率，为剩余污泥的无害化处理提供参考。关键词:蚯蚓生物滤池;AGs;AB;定量 PCEMOVAL EFFECT OF VEMIFILTATION ON AGs ANDAB IN EXCESS SLUDGEZHAO an1，XING Meiyan1*，YANG Gege2，XING Libo1(1College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China;2Tongji Architectural Design(Group)Co，Ltd，Shanghai 200092，China)Abstract:Vermifiltration(VF)is a low-carbon and eco-friendly technology Based on the excellent excess sludge reductionefficacy，the removal effects of newly emerging pollutants，antibiotic resistance genes(AGs)and antibiotic resistant bacteria(AB)were evaluated，with a conventional biofilter(BF，no earthworm)as a control The results indicated that the VFincreased the removal rate of AB(tetracycline resistant bacteria，sulfamethoxazole resistance bacteria and double resistancebacteria)by more than 25%，and exhibited higher but selective AGs(tetO，tetM，tetQ，tetW，sul1，sul2)removal rates，generally increased by more than 20%，compared to the BF Moreover，the average removal rate of intI1 by VF was 98.24%，reducing the risk of horizontal transmission of AGs In summer and winter，compared with the BF，the removal of AGs andAB by the VF increased by more than 15%，indicating that the addition of earthworms weakened the inhibitory effect of lowand high temperatures Conclusively，vermifiltration could effectively improve the removal rates of various AGs and AB inthe excess sludge by the excellent excess sludge removal，which provides a reference for the AGs and AB removal assistedby the earthwormsKeywords:vermifiltration;AGs;AB;quantitative PC第 12 期赵然，等:蚯蚓生物滤池削减剩余污泥中 AGs 和 AB 的效果研究0引言抗生素自问世以来，就被广泛用于治疗人类和动物疾病，但随着畜牧业、养殖业集约化发展，全球出现抗生素滥用现象1。目前，大气、水体和土壤等环境介质中都能检测到多种抗生素抗性基因(antibioticresistance genes，AGs)和抗生素抗性菌(antibioticresistance bacteria，AB)2-5。随着人和动物的排泄物进入自然环境的 AGs 和 AB 最终都汇入城镇污水处理厂(wastewater treatment plants，WWTPs)6，7。然而，目前污水厂的处理工艺主要针对有机物，但对AGs 和 AB 的去除效果欠佳。有研究发现，中国东部地区 WWTPs 的进出水样及污泥中，大量存在 4 种四环素类 AGs(tetO、tetM、tetQ、tetW)和 2 种磺胺类AGs(sul1、sul2)8，说明 AGs 和 AB 在污水处理系统，尤其是剩余污泥中大量存在，最终进入环境，威胁人体健康和生态安全9。研究表明，蚯蚓在长期进化过程中形成了独特的抗菌免疫体系10，并已被广泛用于环境污染治理中。目前蚯蚓对 AGs 和 AB 影响的研究主要集中在土壤修复和堆肥处理中。其中，蚯蚓肠道菌群对削减环境中的 AGs 和 AB 起着重要作用11。有研究发现，用蚯蚓协同微生物修复被金霉素污染的土壤时，蚯蚓能抑制被污染土壤中 AGs 的扩增，AGs 丰度降低了 34.97%44.82%12。同时，蚯蚓堆肥对含铜猪粪中耐药基因相对丰度有削减作用，其中对 tetB 和tetT 的削减作用较为显著13。此外，蚯蚓可改变AGs 宿主细菌的结构多样性，削减耐药基因，进而降低其传播扩散的风险14。然而，蚯蚓在污水处理系统中对 AGs 和 AB 的去除效果尚不清楚。蚯蚓生物滤池(vermifiltration，VF)是一种利用滤料的截留、蚯蚓与微生物的相互作用，同步处理污水污泥的新型生态处理技术，在净化污水、减量稳定剩余污泥方面具有较好效果15。与蚯蚓土壤修复及蚯蚓堆肥不同的是，蚯蚓生物滤池中蚯蚓受到连续流的水力冲击负荷，因此，探索蚯蚓生物滤池对抗性基因和抗性菌的去除效果，对于该技术的应用具有重要意义。本研究选取 4 种四环素类抗性基因(tetO、tetM、tetQ、tetW)、2 种磺胺类抗性基因(sul1、sul2)、一类整合子(intI1)，以及四环素类抗性菌、磺胺类抗性菌和双抗性抗性菌作为 AGs 和 AB 的典型代表，使用定量 PC 和传统培养技术对蚯蚓生物滤池处理污泥中 AGs、intI1 和 AB 进行定性定量分析;同时比较不同季节条件下，蚯蚓生物滤池中 AGs 和 AB 的去除差异，探究剩余污泥减量率、微生物总量和一类整合子 intI1 对 AGs 和 AB 丰度的影响。1试验部分1.1试验材料试验污泥取自上海市曲阳污水厂活性污泥法二沉池的剩余污泥，污泥性质如表 1 所示。基于课题组前期研究16，蚯蚓采用赤子爱胜蚓，个体质量为0.20.5 g，投加密度为 32 g/L。粒径为 69 mm 的陶粒作滤料。滤料主要成分为 SiO2、Al2O3和 Fe2O3等，具有质轻、物化性质稳定、坚硬多微孔、截污能力强等优点，其理化性质如表 2 所示。表 1剩余污泥性质Table 1The properties of the excess sludge项目含水率/%挥发分/%pH数值99.199.554.882.36.87.3项目(TCOD)/(mg/L)(TSS)/(mg/L)VSS/SS/%数值420090004000750052.182.9表 2陶粒滤料的物理性状Table 2Physical properties of ceramsite filter media项目粒径/mm固相密度/(g/cm3)堆积密度/(g/cm3)空隙率/%比表面积/(m2/g)陶粒691.741.03424.511031.2试验设计本试验设置了未投加蚯蚓的普通生物滤池(BF)和蚯蚓生物滤池(VF)进行平行对照试验，运行 18 个月，经历了春、夏、秋、冬四季变化，工艺运行参数如表 3所示。表 3试验运行参数Table 3The operating parameters装置蚯蚓密度/(g/L)蚯蚓初始重量/(g/条)水力负荷/m3/(m2 d)有机负荷/kg VSS/(m3 d)BF0.000.004.001.10VF32.000.390.054.001.10试验所用的生物滤池为有机玻璃圆柱体结构，每节有机玻璃直径为 20 cm、有效高度为 25 cm，共 4节，承插式连接，如图 1 所示。剩余污泥经调节池调节后，通过上部设置的布水器均匀布水，进入装填了陶粒滤料的填料区，被蚯蚓和附着在滤料上的微生物协同消化处理和稳定。处理后的污泥滴滤式进入沉淀池，经泥水分离后，上清液回流至调节池，稳定后的剩余污泥以蚓粪为主，排放后进一步资源化处理。每周采集 BF 和 VF 装置的进泥样本和出泥样本，一部分新鲜污泥直接用于 AB 的传统培养，另一311环境工程第 40 卷图 1蚯蚓生物滤池处理剩余污泥工艺流程Figure 1Process flow chart of vermifiltration for treatment ofexcess sludge部分污泥样品在20 冰箱内冷冻完全后，通过真空冷冻干燥机冻干，研钵磨碎后储存备用。1.3测试方法1.3.1常规指标常规指标检测项目及方法如表 4 所示。表 4常规分析项目及测试方法Table 4outine analysis items and test methods分析项目测试方法仪器温度温度计SS重量法(105 烘干 2 h)烘箱VSS重量法(600 灼烧至恒重)马弗炉1.3.2细菌传统培养法称取 33 g 营养琼脂，分装至 4 个锥形瓶中，灭菌后按需加入 0.22 m 膜过滤除菌的抗生素溶液，摇匀，倒平板。共制备 4 类固体培养基:分别为不加抗生素、加四环素、加磺胺甲噁唑以及加四环素和磺胺甲噁唑。根据文献 6，17，培养基中