磺胺甲唑?qū)ι锍仔阅艿挠绊懠皺C(jī)制

辛浩洋，李家俊

（1.安徽工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽銅陵 244000； 2.中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300452）

生物除磷技術(shù)一直以來被認(rèn)為是有效抑制水體富營養(yǎng)化的重要途徑〔9〕。目前常用的生物除磷技術(shù)主要依靠活性污泥中富集的聚磷菌（PAO）厭氧條件下釋磷，好氧條件下吸磷的能力來去除水體中過量的正磷酸鹽〔10-11〕。研究發(fā)現(xiàn)，抗生素作為環(huán)境污染物，對生物除磷系統(tǒng)有著不同程度的影響。Qiuxiang XU等〔12〕發(fā)現(xiàn)0.5 mg/L的諾氟沙星會導(dǎo)致SBR反應(yīng)器除磷率由空白組的97.96%降低至82.33%，并且會顯著抑制多聚磷酸鹽激酶（PPK）、多聚磷酸鹽水解酶（PPX）的活性。Sha LONG等〔13〕的研究表明高濃度的四環(huán)素會通過抑制聚磷菌胞內(nèi)poly-P的積累及糖原的合成從而導(dǎo)致除磷性能降低。Kaixin YI等〔14〕發(fā)現(xiàn)高濃度的環(huán)丙沙星會顯著抑制聚磷菌胞內(nèi)糖原及PHAs在缺氧及好氧階段的轉(zhuǎn)化。然而污水中磺胺甲唑?qū)ι锍仔阅艿难芯磕壳拜^少，其對生物除磷的影響機(jī)制尚不清楚。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)污泥及用水

試驗(yàn)所用的污泥取自合肥市某污水處理廠氧化溝末端，該污泥具有良好的脫氮除磷性能。

配制人工模擬廢水：三水合乙酸鈉 600 mg/L、氯化銨 73 mg/L、磷酸二氫鉀 40 mg/L、氯化鈣 95 mg/L、硫酸鎂 95 mg/L、蛋白胨 5 mg/L、酵母膏 5 mg/L、烯丙基硫脲 4 mg/L（用于抑制硝化細(xì)菌生長〔15〕）、乙二胺四乙酸 10 mg/L。配制的模擬廢水的COD為280 mg/L，正磷酸鹽質(zhì)量濃度為8.38 mg/L。

配制微量元素溶液：三氯化鐵 1.5 mg/L、硼酸0.15 mg/L、碘化鉀 0.18 mg/L、氯化錳 0.12 mg/L、鉬酸鈉 0.06 mg/L、硫酸鋅 0.12 mg/L、六水合氯化鈷 0.15 mg/L、硫酸銅 0.03 mg/L。

1.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行

試驗(yàn)所用的反應(yīng)器為9個(gè)相同的SBR反應(yīng)器，其有效體積為6.0 L，內(nèi)置機(jī)械攪拌器，采用BT100-2J型蠕動泵進(jìn)水，ACO-002型空氣泵進(jìn)行曝氣，并配置玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量大小，反應(yīng)器每天運(yùn)行6個(gè)周期，每周期4 h（進(jìn)水10 min、厭氧攪拌1 h、好氧曝氣2 h、靜置45 min、出水5 min），所有運(yùn)行均通過微電腦時(shí)控開關(guān)進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。試驗(yàn)首先向反應(yīng)器中加入培養(yǎng)穩(wěn)定的活性污泥混合液，然后向各反應(yīng)器中投加一定量的磺胺甲

圖1 反應(yīng)器裝置Fig.1 Reactor device diagram

唑，控制其質(zhì)量濃度分別為0、0.05、0.1、1、5、10、20、40、60 mg/L。各反應(yīng)器共計(jì)運(yùn)行30周期，運(yùn)行至20周期后各反應(yīng)器的出水COD及正磷酸鹽濃度保持穩(wěn)定，即此時(shí)SBR達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行階段。各反應(yīng)器運(yùn)行階段控制pH維持在7.0～7.5，MLSS為（4 200±115）mg/L，厭氧期溶解氧控制在0.2 mg/L以下，好氧期溶解氧控制在2.0～5.5 mg/L。待各反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后測量相關(guān)指標(biāo)來分析磺胺甲唑?qū)ι锍椎挠绊懠皺C(jī)制。

1.3 分析檢測方法

1.3.1 指標(biāo)檢測方法

COD采用重鉻酸鉀法測定；正磷酸鹽（SOP）采用鉬銻抗分光光度法測定；微生物胞內(nèi)多聚磷酸鹽的含量采用鉬銻抗分光光度法測定〔16〕；PHB的含量采用次氯酸鈉法測定〔17〕；糖原的含量采用蒽酮-硫酸 比色法測定〔18〕；PPK、PPX活 性 的 測 定 參照文獻(xiàn)〔19〕。

1.3.2 分子對接方法

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 25.0軟件進(jìn)行顯著性分析，差異性顯著水平P＜0.05，極顯著水平P＜0.01。

式中：I——磺胺甲唑?qū)﹃P(guān)鍵酶活性的相對抑制率，%；

R0——以單位MLSS計(jì)的空白對照組酶活性；

R——以單位MLSS計(jì)的實(shí)驗(yàn)組酶活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 磺胺甲唑?qū)BR性能的影響

有機(jī)物的去除率及除磷率是直接評價(jià)SBR反應(yīng)器性能的重要指標(biāo)。磺胺甲唑存在情況下對反應(yīng)器出水COD及正磷酸鹽含量的影響如圖2所示。

反應(yīng)器每周期進(jìn)水COD為280 mg/L左右，由圖2（a）可知，當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，空白組的出水COD為23.38 mg/L，COD去除率達(dá)到91.84%，當(dāng)磺胺甲唑的質(zhì)量濃度為0.05、0.1 mg/L時(shí)，出水COD為24.37、26.35 mg/L，去除率為91.50%與90.81%，表明低濃度的磺胺甲唑?qū)BR中COD的去除幾乎無影響。當(dāng)磺胺甲唑質(zhì)量濃度提升至1 mg/L時(shí)，出水COD升高至36.93 mg/L，COD去除率降至87.11%，此后隨著磺胺甲唑質(zhì)量濃度升高至5、10、20、40、60 mg/L 時(shí)，COD去除率分 別降至86.16%、84.28%、83.11%、80.65%、79.63%，說明高濃度的磺胺甲唑?qū)Ψ磻?yīng)器COD的去除有明顯的抑制作用（P＜0.01）。

當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)水正磷酸鹽質(zhì)量濃度為8.38 mg/L，由圖2（b）可知，空白組的出水正磷酸鹽質(zhì)量濃度為0.08 mg/L，去除率為99.11%，當(dāng)磺胺甲唑質(zhì)量濃度較低時(shí)（0.05、0.1 mg/L），正磷酸鹽去除率為98.75%、98.03%，仍維持在較高水平，說明低濃度的磺胺甲唑?qū)φ姿猁}的去除影響不顯著。當(dāng)磺胺甲唑的質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)，出水正磷酸鹽質(zhì)量濃度為0.59 mg/L，已超出城市污水排放的一級A標(biāo)準(zhǔn)，正磷酸鹽去除率為93.02%，當(dāng)磺胺甲唑質(zhì)量濃度繼續(xù)升高至5、10、20、40、60 mg/L時(shí)，正磷酸鹽的去除率分別下降至89.25%、85.62%、82.01%、79.11%、78.5%，說明高濃度的磺胺甲唑會顯著抑制反應(yīng)器的除磷性能（P＜0.01）。

圖3 磺胺甲唑?qū)Φ湫椭芷趦?nèi)正磷酸鹽含量的影響Fig.3 Effect of sulfamethoxazole on SOP content in typical cycle

由圖3可知，空白組的厭氧釋磷量和好氧吸磷量分別為30.6、38.9 mg/L，當(dāng)投加0.05、0.1 mg/L的磺胺甲唑時(shí)，微生物的厭氧釋磷量為29.77、29.44 mg/L，在隨后的好氧階段，微生物的吸磷量為38.04、37.66 mg/L，與空白組差異均不大，說明較低濃度的磺胺甲唑?qū)ξ⑸锏尼屃孜子绊懖伙@著。當(dāng)磺胺甲唑質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)，聚磷菌的厭氧釋磷量與好氧吸磷量為27.26、35.06 mg/L，為空白組的89.1%、90.12%，說明此時(shí)開始體現(xiàn)出對釋磷吸磷能力的抑制作用，而當(dāng)磺胺甲唑質(zhì)量濃度提高至5、10、20、40、60 mg/L時(shí)，微 生 物 的 厭 氧 釋 磷 量 為26.66、26.59、24.57、23.71、22.71 mg/L，好氧吸磷量為34.14、33.77、31.45、30.34、29.29 mg/L，在最高濃度磺胺甲唑的作用下，微生物的釋磷量與吸磷量僅為空白組的74.22%、75.29%，說明高濃度的磺胺甲唑顯著抑制了聚磷菌的釋磷與吸磷能力（P＜0.01），從而導(dǎo)致反應(yīng)器除磷率降低。

2.2 磺胺甲唑?qū)ξ⑸锎x中間產(chǎn)物的影響

微生物代謝中間產(chǎn)物包括多聚磷酸鹽（poly-P）、聚羥基烷酸酯（PHAs）及糖原，其含量與生物除磷過程的能量變化息息相關(guān)〔22-23〕。磺胺甲唑?qū)ι锍走^程中胞內(nèi)poly-P含量的影響如圖4所示。

圖4 磺胺甲唑?qū)Φ湫椭芷趦?nèi)poly-P含量變化的影響Fig.4 Effect of sulfamethoxazole on Poly-P content change in typical periods

由圖4可知，空白組的poly-P的厭氧降解量與好氧合成量分別為8.62、9.57 mg/g，當(dāng)加入較低質(zhì)量濃度的磺胺甲唑時(shí)（0.05、0.1 mg/L），其厭氧降解量為8.41、8.35 mg/g，好氧合成量為9.34、9.15 mg/g，說明低濃度的磺胺甲唑不會影響微生物胞內(nèi)poly-P的降解與合成。當(dāng)磺胺甲唑的質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)，poly-P的降解量與合成量分別為7.63、8.25 mg/g，較空白組均有所下降。隨著反應(yīng)器內(nèi)磺胺甲唑質(zhì)量濃度增加至5、10、20、40、60 mg/L時(shí)，poly-P的 厭 氧 降 解 量 分 別 為7.46、7.27、6.7、6.53、6.41 mg/g，好氧合成量為8.05、7.96、7.36、7.1、7.12 mg/g，在最高濃度磺胺甲唑的作用下，poly-P的降解量及合成量僅為對照組的74.36%、74.4%，說明高濃度的磺胺甲唑會顯著抑制胞內(nèi)poly-P的降解與合成（P＜0.01）。結(jié)合圖3分析可知，隨著磺胺甲唑濃度的增加，除磷微生物的厭氧釋磷量與好氧吸磷量降低，導(dǎo)致胞內(nèi)poly-P合成所需的磷源含量降低，因而導(dǎo)致胞內(nèi)poly-P的合成量減少。

有學(xué)者指出，SBR反應(yīng)器中的除磷微生物胞內(nèi)PHAs以聚β-羥基丁酸酯（PHB）為主，微生物利用PHB在好氧條件下分解產(chǎn)生的能量用于吸收磷酸鹽并供應(yīng)糖原，因此PHB的含量變化在除磷系統(tǒng)中十分重要〔24〕。磺胺甲唑?qū)Π麅?nèi)PHB含量的影響如圖5所示。

圖5 磺胺甲唑?qū)Φ湫椭芷趦?nèi)PHB含量變化的影響Fig.5 Effect of sulfamethoxazole on the change of PHB content in typical cycle

由圖5可知，空白組的PHB在厭氧階段合成量為54.89 mg/g，在好氧階段降解量為55.7 mg/g，當(dāng)投加0.05 mg/L及0.1 mg/L的抗生素后，PHB的厭氧降解 量 分 別 為54.41、53.96 mg/g，好 氧 合 成 量54.66、53.79 mg/g，說明較低濃度的磺胺甲唑不會顯著影響胞內(nèi)PHB的降解與合成。當(dāng)投加質(zhì)量濃度為1、5、10、20、40、60 mg/L時(shí)，此時(shí)胞內(nèi)的PHB厭氧合成量為48.02、45.73、44.19、41.22、39.8、38.79 mg/g；好氧降解量為45.82、44.4、43.51、40.8、39.37、38.89 mg/g，在最高濃度抗生素的作用下PHB的合成量與降解量僅為空白組的70.67%與69.82%，說明高濃度的磺胺甲唑顯著抑制了PHB的厭氧生成量（P＜0.01）及好氧降解量（P＜0.05）。結(jié)合圖4可知，生物除磷胞內(nèi)PHB合成所需的能量主要來自于poly-P的水解，高濃度的磺胺甲唑顯著抑制了微生物poly-P的厭氧降解量，從而抑制了PHB的合成。

糖原是微生物體內(nèi)的另一種重要儲能物質(zhì)，糖原在厭氧階段分解產(chǎn)生的還原力用于合成PHB，而在好氧階段PHB則會分解產(chǎn)生一部分能量用于補(bǔ)給糖原〔25〕。磺胺甲唑?qū)μ窃孔兓挠绊懭鐖D6所示。

圖6 磺胺甲唑?qū)Φ湫椭芷趦?nèi)糖原含量變化的影響Fig.6 Effect of sulfamethoxazole on the change of glycogen content in typical cycle

2.3 磺胺甲唑?qū)ι锍钻P(guān)鍵酶活性的影響及微觀機(jī)制

PPX與PPK作為聚磷菌體內(nèi)的主要功能酶，其與poly-P的代謝息息相關(guān)〔26-27〕。根據(jù)試驗(yàn)方法，測定了磺胺甲唑?qū)y(tǒng)一穩(wěn)定周期內(nèi)各反應(yīng)器中PPX及PPK活性的相對抑制效應(yīng)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 磺胺甲唑?qū)﹃P(guān)鍵酶的相對抑制率Fig.7 Relative inhibition rate of sulfamethoxazole on key enzymes

圖8 磺胺甲唑與PPX、PPK分子對接三維圖及二維圖Fig.8 Molecules docking results of sulfamethoxazole with PPX and PPK

2.4 討論

通過對典型周期正磷酸鹽、微生物代謝中間產(chǎn)物含量及關(guān)鍵酶活性的變化分析可以得到磺胺甲唑?qū)ι锍仔阅艿挠绊憴C(jī)制。圖9為磺胺甲唑?qū)ι锍走^程中微生物的作用機(jī)制圖。在厭氧狀態(tài)下，微生物利用胞內(nèi)poly-P水解產(chǎn)生的能量及糖原降解提供的還原力來累積PHB，而磺胺甲唑的存在會使得PPX活性降低，從而導(dǎo)致胞內(nèi)poly-P的分解量降低，使得PHB合成所需能量不足，且胞內(nèi)糖原的降解并非全部用于PHB的合成。在好氧階段，磺胺甲唑的存在會對PPK活性產(chǎn)生抑制作用，且poly-P合成所需的磷源含量降低，導(dǎo)致poly-P的合成量降低，而前期厭氧階段PHB的儲備量減少，且更多的PHB降解所產(chǎn)生的能量被應(yīng)用于糖原的合成，用于好氧吸磷的能量則更少。

圖9 磺胺甲唑?qū)Τ走^程中微生物作用機(jī)制Fig.9 Mechanism diagram of sulfamethoxazole on microorganism in phosphorus removal process

3 結(jié)論