生物阴极强化氯霉素还原降解及电极微生物功能机制解析

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1、生物阴极强化氯霉素还原降解及电极微生物功能机制解析第1章绪论1.1课题长期的抗生素毒性压力选择，可以诱发形成抗生素抗性细菌（ARB）并在环境生态系统中通过水平基因转移机制传播分散抗生素抗性基因（ARG）,因此增加了形成多重耐药性细菌的风险，这对于人类健康将是一个巨大的威胁[1,2]。实际上许多种抗生素在污水处理厂废水处理过程中不能被完全去除，因此污水处理厂是低浓度抗生素进入环境的重要点源[3-5]，最终增加了低残留难降解抗生素对人类和环境生态系统的暴露风险[6]。氯代硝基芳香类抗生素氯霉素（CAP）（结构式如图1-1所

2、示）其作为有效的广谱抗生素在全球范围内已广泛的用于处理许多种致病菌，包括需氧的和厌氧的革兰氏阳性和阴性细菌。然而，由于氯霉素对于人类可以引起致命的毒性，比如再生障碍性贫血[7]，潜在的致癌性和遗传毒性[8,9]，美国食品与药物管理局（USFPA）已经禁止在食品产生的动物上使用氯霉素。虽然早在1994年就建议禁止氯霉素在食品动物中使用，但由于氯霉素的廉价性和可获得性，其在我国水产[10]、畜禽和蜜蜂等养殖业中仍然被广泛用于传染性疾病的控制，导致氯霉素在花粉、蜂蜜、养殖鱼、鲜猪肉和牛奶等检出率为31%（浓度范围为0.03-

3、33.1g/kg）[11]。在不同国家和地区的污水处理厂的进水（26-2430ng/L）和出水（3-1050ng/L）中都可以检测出低浓度的氯霉素残留[3,12-15]。而且在我国贵阳的城市污水中可以检测到高达5.8-47.4μg/L的氯霉素残留[16]，在养猪场废水中可以检测到1.49-11.5μg/L氯霉素[17]（表1-1）。而且令人担忧的是在全世界范围内，在不同的污水处理厂，饮用水处理厂，自来水和水源水中，均可以频繁检测到氯霉素抗性基因和其它抗生素抗性基因[17-20]。这些由于抗生素残留引起的环境

4、污染问题已经引起全球的广泛关注。因此在废水处理过程中，如何消除氯霉素的抗细菌活性和进一步降低环境生态系统进化氯霉素抗性细菌和抗性基因的可能性显得十分重要。..1.2氯霉素降解研究进展在水溶液中使用n-型氧化物半导体作为光催化剂研究了光催化降解氯霉素。根据Langmuir–Hinshelin光催化处理完全丧失了氯霉素抗细菌活性[31]。低压汞灯作为UV照射源，Zuorro等人研究了UV/H2O2体系对氯霉素降解，当氯霉素初始浓度为20mg/L和150mg/L时，TOC降解率分别是50%和41.5%，使用细菌E

5、scherichiacoli和Staphylococcusaureus评估降解产物毒性发现，降解过程移除了氯霉素抗细菌活性[32]。零价态双金属铁银纳米颗粒降解氯霉素研究发现，合成金属纳米颗粒可以还原氯霉素硝基基团至芳香胺产物，而且进一步发生完全还原脱氯反应；另外也可以发生脱氮发应，进一步脱掉一个氯[33]。合成银掺杂的TiO2（Ag/TiO2）纳米颗粒（煅烧温度是300℃）降解氯霉素发现，最优反应条件下20min可以完全移除20mg/L氯霉素，120min照射时间可以矿化88%的TOC[34]。21nmTiO2可以光

6、催化氧化降解氯霉素，UV灯（254nm，0.7kI-7000，MembranesInternational，U.S.）隔开。阴阳极格室工作体积均为85mL。阳极电极材料是碳刷（直径4cm，3cm长，TOHOTENAXCo.，Ltd.，Japan），阴极电极材料是碳布（直径5cm，YB-20，YiBangTechnologyCo.，Ltd.，China）。使用碳布前先经过预处理，在1M盐酸中浸泡24小时，然后在去离子水中浸泡额外的24小时。直径为1毫米的钛丝（宝鸡力兴钛业有限公司，中国）与阴极紧密接触用于连接外电路。10

7、精密电阻串联于电路中。除非特殊说明，阴阳极两端外加0.5V外电压，用于非生物阴极和生物阴极还原降解抗生素氯霉素实验。饱和甘汞电极（SCE,0.247V对标准氢电极（SHE），model-217，雷磁，上海精密科学仪器有限公司，中国）插入阴极室来收集阴极电位以及电阻两端的电压通过数据记录仪计数获得（model-2700，KeithleyInstru.Inc.,U.S）。本论文中报道的电极电位数据都已换算成对SHE。..2.2BES生物阴极反应器的启动与运行具有氯霉素还原能力的富集液采用哈尔滨太平污水处理厂或者美国Norm

8、an污水处理厂活性污泥进行驯化培养。10g厌氧污泥接种于200mL厌氧基础盐培养基。25℃摇床在160rpm培养一周，然后转接富集液20mL到新鲜灭菌的培养基（180mL）中，这个转接过程重复四次。最终富集液的氯霉素还原效率通过高效液相色谱（HPLC）测定培养基里剩余氯霉素浓度来确定。生物阴极是通过接种预富集的具有还原氯霉素能力的