一种评估污水中纳米金属和抗生素复合污染对聚磷菌影响的方法及实验装置与流程

本发明属于污水处理中新兴污染物毒性领域，尤其涉及一种评估污水中纳米金属和抗生素复合污染对聚磷菌影响的方法及实验装置。

背景技术：

A/O工艺，即厌氧好氧工艺，是一种常见的污水处理工艺，除了使污水中有机污染物得到降解之外，还具有一定的脱氮除磷功能。A/O工艺由前段厌氧段和后段好氧段组成，厌氧阶段，污泥中的异养菌将污水中的可溶性有机物水解为有机酸，能使大分子有机物降解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物，可提高污水的可生化性；到好氧阶段，污水中绝大部分有机污染物通过生物氧化、吸附得以降解，从而实现污水的绿色化处理。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于0.1-100nm的纳米尺寸或由它们为基本单元构成的材料。纳米材料由于尺寸很小而比表面积很大(>60m²/cm³)，会表现出与其常规尺寸本体不同的光学、电学和化学特性，从而得到人们的广泛开发利用。对于纳米材料的优异性能和工业化生产，其在我们日常用品中变得越来越普遍。纳米材料在制造业中可以替代一些有毒原料，但同时也存在很多风险。已有一些研究充分表明，这些纳米颗粒对人类和生态健康是有害的，纳米颗粒可以通过产生活性氧簇(ROS)引起细菌和哺乳动物细胞的氧化损伤，同时也会导致细胞DNA损伤从而引起细胞癌变。

抗生素是指由微生物(包括细菌、真菌、放线菌属)或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。对于我国来说，由于人口众多且抗生素使用管理制度不严格，人用抗生素总量居世界前列。而临床调查显示，真正需要使用抗生素的病人数不到20％，80％以上属于滥用抗生素的行为。抗生素进入人体或动物体内后，大约70％不能被吸收，而是被以母体或者代谢物的形式直接排出体外，进入环境中，使抗生素环境污染问题日益严重。进入环境的抗生素不但会产生化学毒性给生物带来风险，更可能诱导环境中抗性微生物和抗性基因的产生，随着抗生素不断进入环境，抗生素抗性的传播和扩散变得更加容易，抗性微生物接触人体后，会增强人体的耐药性，从而给全人类健康安全构成危险。

抗生素和纳米材料经过一系列人为活动和环境作用，最终会进入环境地表水及土壤中。城市废水处理工艺，绝大多数都涉及到微生物的A/O处理，在任何现代城市中都是必不可少的。因此，这些纳米材料将与活性污泥接触，并对污泥中的聚磷菌等功能微生物产生一定的影响。考虑到它们的潜在毒性，了解纳米颗粒和抗生素对废水处理系统中聚磷菌的影响是很重要的。当前对于该领域的研究却非常少，本发明可提供一种评估污水中纳米金属和抗生素复合污染对聚磷菌影响的方法，对探究新兴污染物在污水处理中的毒性作用有显著的实际应用意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种评估污水中纳米金属和抗生素复合污染对聚磷菌影响的方法及实验装置，该方法能评估同时含有纳米金属和抗生素的污水对聚磷菌除磷率的影响大小，同时检测方法系统完备，检测方便快捷。

本发明的技术方案：一种评估污水中纳米金属和抗生素复合污染对聚磷菌影响的方法，包括以下步骤：

1)人工模拟A/O实验装置的搭建；

2)纳米金属水悬液的制备；

3)抗生素溶液的制备；

4)以及人工合成污水的制备；

5)浓缩聚磷菌菌液的制备；

6)人工模拟A/O工艺：

(1)加入不同浓度的纳米金属水悬液、抗生素溶液、人工合成污水、浓缩菌液以及超纯水形成反应体系，置于恒温水浴摇床中；

(2)通入氮气以提供聚磷菌所需的厌氧环境，在30℃、120rpm条件下培养2h；(3)厌氧段结束后，停止通入氮气，以无菌透气封口膜封口提供聚磷菌所需好氧环境，保持温度30℃，提高转速至140rpm，培养4h；

(4)在反应开始时、厌氧反应结束时、好氧反应结束时各取一次水样，通过钼锑抗分光光度法检测这三批水样中正磷酸盐PO4^3-的浓度，并以此计算在不同浓度的污染物条件下，聚磷菌除磷率和除磷抑制率的变化。

优选的，所述步骤2)优选用超声波细胞粉碎机制备纳米金属水悬液。

优选的，其特征在于，所述步骤3)优选用超纯水溶解抗生素得到抗生素溶液。

优选的，其特征在于，所述步骤6)具体：以LB液体培养基培养聚磷菌后，离心重悬，借助紫外分光光度计测试重悬菌液的OD600，调整其浓度为稀释10倍后1.1<OD600<1.2。

本发明的第二个技术方案是采用上述评估污水中纳米金属和抗生素复合污染对聚磷菌影响的方法的实验装置，包括锥形瓶，所述锥形瓶经气管连接气体管路分流器，所述气体管路分流器经气体转子流量计与高纯氮气瓶连接。

反应原理：污泥中的聚磷菌在厌氧阶段会分解细胞内的聚磷酸盐为正磷酸盐并将其释放到细胞外，使胞外磷浓度上升；在好氧阶段则会过度摄取胞外的正磷酸盐将其合成为聚磷酸盐等聚合物储于体内，使胞外磷浓度下降。A/O工艺中，通过对好氧池污泥的排泄实现污水中磷的去除。在本发明提及的方法中，通过检测各个反应节点处的胞外正磷酸盐浓度，可以计算得到聚磷菌的除磷率和污染物存在下对聚磷菌的除磷抑制率。

本发明具有如下优点：

(1)本发明的测试方案是针对污水处理环节中的微污染风险而提出的，目前相关方案研究较少，因此本发明具有环境安全意义和实际应用价值。

(2)本发明的测试方案所涉及的均为常见药品和仪器，测试所需条件要求并不高，步骤简单明了，成本较低。

附图说明

图1是本发明的实验装置连接示意图。

附图标记：1—高纯氮气瓶，2—气体转子流量计，3—气体管路分流器，4—锥形瓶，5—橡胶塞，6—玻璃气管，7—橡胶气管，8—恒温水浴摇床。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

选取一种从活性污泥里分离出的聚磷菌作为对象，选择环丙沙星CIP作为抗生素部分、纳米氧化锌ZnONPs作为纳米金属材料部分，模拟污水的A/O处理过程。

首先，模拟搭建污水A/O处理工艺反应系统。如图1所示，系统包括反应器：玻璃锥形瓶4、橡胶塞5、玻璃气管6；氮气传输装置：橡胶气管7、转子流量计2、高纯氮气瓶1；恒温水浴摇床8。反应器中体系由以下纳米金属水悬液、抗生素溶液、人工合成污水和菌悬液组成。

然后，纳米金属水悬液的制备。称取300mg纳米氧化锌ZnONPs，加入300mL超纯水，使用超声波细胞粉碎机以200W的功率超声处理30min，得到1000mg/L的纳米氧化锌ZnONPs水悬液。

其次，抗生素溶液的制备。称取50mg环丙沙星CIP，溶于50mL超纯水中得到100mg/L的环丙沙星CIP溶液。

再次，人工合成污水的制备。制备浓缩20倍的人工合成污水。

第四步，聚磷菌菌悬液的准备。以LB液体培养基培养聚磷菌18h，将聚磷菌从液体培养基中离心，以超纯水重悬，借助紫外分光光度计测量OD600，调整其浓度使之稀释10倍后的OD600在1.1-1.2之间，得到10倍浓缩菌悬液。

最后，聚磷菌的A/O培养与除磷率的检测。将人工污水、纳米氧化锌ZnONPs溶液、环丙沙星CIP溶液、浓缩菌液以及超纯水按照下表设置。

表1模拟A/O反应体系组成(mL)

如图1所示，在模拟污水A/O工艺反应器中，反应体系设置完成后，立刻从每个锥形瓶4中取5mL水样，作为反应初始点的水样A。控制氮气传输装置，以6-9L/min的速度向锥形瓶4中通入氮气，保证聚磷菌的厌氧环境，同时锥形瓶4放在恒温水浴摇床8中，以30℃，120rpm的条件培养2h；厌氧培养结束后，立刻从每个锥形瓶4中取5mL水样，作为厌氧反应结束、好氧反应开始时的水样B；取下橡胶塞，关闭氮气传输设备，以透气封口膜封住锥形瓶口，在恒温水浴摇床8中以30℃，140rpm的条件培养4h，保证聚磷菌的好氧环境；反应结束后，立马从每个锥形瓶中取5mL水样，作为好氧反应结束的水样C。

通过钼锑抗分光光度法检测水样A、水样B和水样C中正磷酸盐PO4^3-的浓度，结果即为各反应阶段结束(开始)时反应器中正磷酸盐PO4^3-的浓度，按照式(1)、式(2)计算得到除磷率以及在纳米氧化锌ZnONPs和环丙沙星CIP影响下的除磷抑制率。

测试结果如下表：

表2聚磷菌的除磷率和除磷抑制率(％)

可以看到，采用本发明的评估方案发现，在厌氧段，聚磷菌对磷有13-14％的释放，在好氧段，聚磷菌对磷有着比较高的去除，符合理论结果。在1.5mg/L的纳米氧化锌ZnONPs和3mg/L、5mg/L的环丙沙星CIP存在下，聚磷菌的除磷率出现下降。对于CIP，随着浓度升高，其对聚磷菌的除磷抑制率也逐步上升，该测试结果符合已有文献记载，证明了本方法的科学可靠性。

最重要的是，ZnONPs与CIP复合污染条件下，复合组的除磷抑制率低于对应单一组的除磷抑制率之和，说明纳米氧化锌ZnONPs和环丙沙星CIP之间发生了某种未知的反应，这对研究纳米金属颗粒与抗生素对污水除磷的复合污染机理有着极其重要的意义，值得在此处挖掘进行更进一步的研究。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。