📖 背景介绍：硫自养反硝化与抗生素耐药基因挑战
传统活性污泥法（A/O工艺）在处理低碳氮比的生活污水时存在硝态氮（NO₃⁻-N）去除效率低的问题。此外，污水中抗生素耐药基因（ARGs）的存在引发了环境健康的担忧。硫基自养反硝化（SAD）工艺因其高效的氮去除能力和无需外加碳源的特性，逐渐成为研究热点。本研究基于A/O-SAD试点规模系统，探讨了在生活污水处理中传统污染物与ARGs的去除效率，以及微生物群落的动态变化。
🎯 核心科学问题
1️⃣ A/O-SAD工艺在去除氮污染物及抗生素耐药基因方面的表现如何？
2️⃣ SAD反应器中的硫自养反硝化菌对ARGs扩散的作用是什么？
3️⃣ 微生物群落的动态变化如何影响氮去除和ARGs的传播机制？
🌟 科学意义
1. 理论贡献
- 揭示微生物-ARGs关联：
首次在试点规模系统中分析了硫自养反硝化菌对ARGs富集与扩散的潜在影响。 - 微生物功能解析：
阐明硫自养反硝化微生物的功能冗余特性对低温下反硝化效率的支持作用。
2. 实践价值
- 污水处理优化：
为优化硫基自养反硝化工艺以实现污染物和ARGs的同步去除提供数据支持。 - 环境健康改善：
提出控制ARGs扩散的污水处理技术策略，减少其对人类健康的潜在威胁。
🧪 研究设计与技术亮点
1. 数据来源与实验设计
- 实验系统：
在中国成都污水处理厂运行150天的A/O-SAD试点规模系统。 - 处理流程：
包括缺氧池（15 m³）、好氧池（37 m³）、沉淀池（7 m³）及SAD过滤器（3 m³）。 - 采样阶段：
分为启动期、稳定期、高波动期及低温期四个阶段。
2. 技术手段与分析方法
- ARGs检测：
采用高通量定量PCR（HT-qPCR）检测23种ARGs和移动遗传元件（MGEs）。 - 微生物群落分析：
基于16S rRNA基因扩增测序解析微生物群落结构，结合功能预测工具（PICRUSt2）探索脱氮基因的功能表达。 - 污染物去除效率：
实时监测COD、NH₄⁺-N、TN和NO₃⁻-N等污染物浓度。
🌟 核心发现
1️⃣ A/O-SAD工艺在污染物去除中的高效性
- 污染物去除效率：
NH₄⁺-N、TN和COD的平均去除效率分别达到98.21%、90.98%和90.57%。 - SAD系统脱氮表现：
NO₃⁻-N平均去除率为78.32%，在温度低至10℃时依然保持高效脱氮能力（去除率75.49%）。
2️⃣ ARGs在A/O-SAD工艺中的动态变化
- 绝对丰度显著下降：
ARGs总量在沉淀池到SAD过滤器阶段减少了6.52–9.87个对数单位。 - 相对丰度反向变化：
ARGs在硫填料生物膜中显著富集，而在出水中显著减少，表明生物膜对ARGs的有效截留能力。 - 主要类型：
氨基糖苷类（sul1）、磺胺类和多重耐药基因是最常见的ARGs类型。
3️⃣ 微生物群落与ARGs传播的关联
- 优势菌群：
SAD过滤器中硫自养反硝化菌（如Thiobacillus、Sulfuricurvum、Sulfurimonas）显著富集，与ARGs呈正相关性。 - 低温适应性：
Thiobacillus在低温下仍保持高丰度（20.02%），支持低温下的高效脱氮。 - 基因功能冗余：
功能预测显示SAD过滤器中硝酸还原酶（napA、narG）、亚硝酸还原酶（nirK）等脱氮功能基因的丰度显著高于缺氧池和好氧池。
💡 治理建议与未来展望
1. 污水处理技术优化方向
✅ 强化SAD工艺： 改善硫填料设计以进一步提高ARGs截留效率。
✅ 低温运行策略： 优化低温环境中硫自养反硝化菌的富集条件，提高系统稳定性。
2. 公共健康与政策建议
- ARGs监测与控制：
建立基于高通量qPCR的ARGs动态监测系统，预警高风险基因的扩散。 - 国际协作：
推动全球污水处理厂中ARGs治理的标准化与数据共享。
🔖 结语：A/O-SAD工艺在污染物与ARGs同步去除中的前景
本研究展示了A/O-SAD试点规模系统在生活污水处理中的高效性，尤其在传统污染物与ARGs的去除方面表现出显著优势。未来需进一步结合现场数据验证，优化工艺以适应多样化的环境与污染物需求。
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