CN110698038A - 一种污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法 - Google Patents

一种污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法 Download PDF

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Abstract

一种污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法，属于分子生物学领域。包括如下步骤：(1)银杏叶改性纳米零价铁的制备及氧化剂过硫酸钠的激活；(2)剩余污泥的深度处理。本发明可实现污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因，常温条件下，采用过硫酸钠作为氧化剂，利用银杏叶改性纳米零价铁激活，产生各类强氧化型自由基，对剩余污泥进行脱水及对细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因进行去除。经本发明处理后的剩余污泥过滤比阻可减少95.42％、污泥体积可减少56.28％、细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因去除可达99.00％以上。

Description

一种污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的 方法
技术领域
本发明属于纳米材料、污水处理、固废处理及分子生物学领域，具体涉及一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法。
背景技术
随着污水排放量的增加，污水生物处理产生的剩余污泥总产量也稳步增长，年均增长13％左右。有报道称，它将在2020年达到6000万吨以上。大量剩余污泥的处理和处置已成为一个全球性的问题。众所周知，污泥含水率高达80％。因此，高性能的脱水工艺可以降低剩余污泥的输送和处置负担。最近的研究表明，在城市污水处理厂的污水和污泥中存在广泛的污染物，包括抗生素抗性基因。研究表明，全球每年的抗生素消费量在10万到20万吨之间，而单是中国每年的消费量就超过了2.5万吨。据估计，到2050年，全世界至少有70万人因抗生素抗药性问题而死亡。也就是说，因为抗性基因的抗性行为和其具有的环境风险，我们研究水相与污泥相中抗性基因的去除是有必要的。
污泥脱水主要包括以下方法：添加聚电解质和碱性预处理、表面活性剂、芬顿预处理、超声波预处理、微波辐射和电解。然而，常用的化学处理方法几乎无法降到80％以下的含水量；随着无机活性剂的加入，脱水污泥的体积明显增加；物理方法对能源的消耗使得这些技术大多是在实验室规模上进行的，不适合大规模应用。对于基因类污染物的去除，污水处理厂常用的技术主要有氯化、紫外线处理、臭氧氧化、均相和多相光催化等。氯化消毒是一种灭活微生物的消毒方法。然而，氯可以形成各种消毒副产物，其毒性比母体化合物高。与氯化消毒相比，紫外线消毒不会产生消毒副产品。然而，Giovanna Ferro等人分析了紫外/过氧化氢过程对抗生素抗性基因转移潜能的影响；结果表明，经240min处理后，bla-TEM基因表达量增加到3.7×103copies/mL，qnr S基因的去除率在初始样品(5.1×104copies/mL)和最终样品(4.3×104copies/mL)之间无明显变化。对于光催化和臭氧氧化的协同作用，JoséM.Sousa等人发现，接触时间30min后，16S rRNA、int I1和特异性抗生素抗性基因(bla-TEM、qnr S、van A和sul 1)均显著去除，但除qnr S基因外，其余均在3天后达到预处理水平。因此，寻求一种高效、无毒、无害化的污泥减量化、资源化技术是十分必要的。
过硫酸钠具有长的键长和低的键离解能，分别为
Figure BDA0002283646360000011
和140kJ/mol，过硫酸钠容易被催化剂活化，产生自由基，对各种污染物具有很强的氧化潜力，因此它具有对细菌细胞和DNA损伤的潜力。在高级氧化工艺中，均相过硫酸钠技术，如纳米零价铁作为催化剂，已被公认为具有高性能的强大且有吸引力的方法。近年来，纳米零价铁/过硫酸钠在污泥脱水方面同样受到广泛关注。周旭等人报道4g过硫酸钠/L和15g纳米零价铁/L处理可使毛细血管抽吸时间缩短50％以上。纳米零价铁比表面积大，粒径小，反应活性高。然而，大的比表面积也给纳米零价铁的应用带来了缺陷。例如，纳米零价铁颗粒容易钝化和团聚。为了克服这些缺点，具有安全性、低成本、防团聚和提高纳米零价铁反应活性等特点的颗粒稳定材料具有广泛的吸引力。银杏叶提取液可作为稳定剂，以增强纳米零价铁的反应性和分散性，值得注意的是，目前还没有研究系统地研究银杏叶纳米零价铁对过硫酸钠的活化实现剩余污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因。
本发明利用银杏叶绿色合成的纳米零价铁颗粒活化过硫酸钠，同时提高剩余污泥脱水性，去除抗生素抗性基因。不仅增加了银杏叶的附加值，而且开拓了同时实现剩余污泥脱水与去除抗生素抗性基因方法新思路，具有重要的应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法。具体是利用银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠实现剩余污泥脱水与抗生素抗性基因去除。该方法首次利用银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠，并在常温常压条件下通过磁力搅拌同时完成剩余污泥脱水与抗生素抗性基因去除。方法简单快捷，能在较短时间内实现剩余污泥减量化与资源化目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16SrRNA基因和抗生素抗性基因的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)烘干的银杏叶经粉碎机粉碎、0.3mm筛网筛分后，加入水中浓度为40-80g/L，60-90℃恒温搅拌40min，得到银杏叶提取液；
(2)室温下，将银杏叶提取液与硫酸亚铁溶液混合得到混合液，硫酸亚铁与银杏叶的用量关系为每摩尔硫酸亚铁对应100-150g银杏叶；
(3)混合溶液连续搅拌至少2min，得到前驱体溶液；
(4)以Fe2+与BH4 -的摩尔比为1:2-1:3，向前驱体溶液中逐滴滴加硼氢化钾溶液，得到银杏叶改性的纳米零价铁颗粒；
(5)通过磁选法分离出银杏叶改性纳米零价铁颗粒，先用丙酮清洗，然后用去离子水清洗三次；
(6)银杏叶改性的纳米零价铁与过硫酸钠按照质量比为(1:0-1:10)混合后，加入到剩余污泥进行深度处理，搅拌30min-60min，过滤分离，完成对剩余污泥的脱水及对抗生素抗性基因的去除。
污泥中每克总悬浮固体(TSS)对应0.60-0.70g银杏叶改性的纳米零价铁，即0.60-0.70g/g TSS。
对剩余污泥投加上述所述的银杏叶改性的纳米零价铁和过硫酸钠，每次投加银杏叶改性的纳米零价铁的量为0.60-0.70g/g TSS和对应比例的过硫酸钠，0-60min为反应时间；多次连续间隔投加确定比例的银杏叶改性的纳米零价铁与过硫酸钠，以3min为间隔，30min为反应时间，搅拌，使剩余污泥脱水并去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因。
污泥溶液pH值为6.5-8.5，细菌16S rRNA基因初始浓度为5.86×106-6.95×107copies/(mL废水)/1.55×1011-2.22×1013copies/(g污泥)。
抗生素抗性基包括：四环素类tet M(酶保护机制)、磺胺类sul 1(酶保护机制)、大环内类、林可酰胺类一链阳性菌素B erm B(酶保护机制)、ere A(灭活机制)和mef A(外排泵机制)、内酰胺类bla-TEM(灭活机制)、喹诺酮类一氯霉素类mex F(外排泵机制)和mex B(外排泵机制)、水平基因转移类int I1、int I3、tnp A04和TP614。
反应结束后50mL上清液通过0.22μm(直径50mm)水系滤膜过滤，在-20℃下保存在5mL离心管中，作为水相DNA进行分析。将50mL污泥悬浮液在2000rcf离心5min，除去上清液，剩余污泥冻干，作为泥相DNA进行分析(水相和污泥相都降低，说明不是转移而是去除)。使用50mL泥水混合物立即测量污泥脱水率。
本发明的优势与有益效果是：
(1)本发明利用银杏叶绿色合成的纳米零价铁颗粒活化过硫酸钠，同时提高了剩余污泥脱水性，去除抗生素抗性基因。不仅增加了银杏叶的附加值，而且开拓了同时实现剩余污泥脱水与去除抗生素抗性基因方法新思路，具有深远的应用意义。
(2)银杏叶非化学药剂，无环境污染风险，资源广泛，降低了改性成本；且改性过程操作简便，适于广泛推广。
(3)本发明所述的一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法，当投加比例为1:1时，反应10min后，污泥脱水性能和细菌16S rRNA基因去除效率良好，分别达到98.56％和10.14％/99.94％(污泥相/水相)。
(4)本发明所述的一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠完成剩余污泥脱水及实现细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因去除的方法，反应9min后，对剩余污泥脱水性能和细菌16S rRNA基因去除率分别达到93.79％和71.48％/99.99％(污泥相/水相)。
(5)本发明所述的一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠完成剩余污泥脱水及实现细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因去除的方法，优化处理比例后，反应30min，其对抗生素抗性基因去除率达99.00％以上(污泥相与水相)。
经本发明处理后的剩余污泥过滤比阻可减少95.42％、污泥体积可减少56.28％、细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因去除可达99.00％以上。本发明方法简单高效，在短时间内可达到实现剩余污泥减量化与资源化目的。
附图说明
图1为本发明实施例1不同投加比例下银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠对剩余污泥的脱水效果。
图2为本发明实施例2不同投加比例下银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠对细菌16S rRNA基因的去除。
图3为本发明实施例3连续投加条件下银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠对剩余污泥的脱水效果。
图4为本发明实施例4连续投加条件下银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠对抗生素抗性基因的去除。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明，但本发明并不局限于实施例。
实施例1
银杏叶经去离子水清洗后，在100℃下烘干24h。将干燥的银杏叶破碎，筛分，选取粒径在0.3mm以下的银杏叶粉末，以60g/L的比例浸泡在超纯水中，80℃恒温搅拌40min。银杏叶粉末水溶液在5000rpm下离心5min，收集的悬液即为银杏叶提取液。将20mL银杏叶提取液与等体积0.5mol/L硫酸亚铁溶液混合，得到硫酸亚铁与银杏叶提取液混合液，置于恒温水浴摇床振荡5min(250rpm，25℃)。然后往混合液中逐滴加入20mL、1mol/L的硼氢化钾溶液，边加边振荡。得到的黑色磁性固体即为银杏叶改性的纳米零价铁颗粒。颗粒依次经丙酮与去离子洗涤三次后，在冷冻干燥机中冻干。
室温下，取实施例1冻干的银杏叶改性纳米零价铁颗粒0.44g，加入到250mL、初始pH值为7.73的剩余污泥中(其中TSS＝2.682g/L)，磁力搅拌1min，设计多个实验。使银杏叶改性纳米零价铁充分均匀分散在反应体系中，此时加入不同比例(1:0、1:0.1、1:1和1:10)的过硫酸钠(0、0.042、0.42和4.2g)以启动污泥脱水反应。在0.25、0.5、1、3、5、10和60min的时间点作为反应的监测点，通过加入硫代硫酸钠进行淬灭反应，完成对剩余污泥的脱水，
反应结束后，立即将50mL泥水混合物通过过滤比阻测定装置，同时记录达到相同过滤液位时所用的时间及抽滤压力，以评估脱水性。
不同投加比例下银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠对剩余污泥脱水的效果如图1所示。
纳米零价铁颗粒与过硫酸钠投加比例为1:0、1:0.1和1:1时，作用60min后，过滤比阻由原始的4.16×107m/kg分别降至1.89×106m/kg、3.07×106m/kg和6×105m/kg。但是，随着投加比例继续减少到1:10时，过滤比阻增加到3.18×108m/kg。
实施例2
银杏叶经去离子水清洗后，在100℃下烘干24h。将干燥的银杏叶破碎，筛分，选取粒径在0.3mm以下的银杏叶粉末，以60g/L的比例浸泡在超纯水中，80℃恒温搅拌40min。银杏叶粉末水溶液在5000rpm下离心5min，收集的悬液即为银杏叶提取液。将20mL银杏叶提取液与等体积0.5mol/L硫酸亚铁溶液混合，得到硫酸亚铁与银杏叶提取液混合液，置于恒温水浴摇床振荡5min(250rpm，25℃)。然后往混合液中逐滴加入20mL、1mol/L的硼氢化钾溶液，边加边振荡。得到的黑色磁性固体即为银杏叶改性的纳米零价铁颗粒。颗粒依次经丙酮与去离子洗涤三次后，在冷冻干燥机中冻干。
室温下，取实施例2冻干的银杏叶改性纳米零价铁颗粒0.44g，加入到250mL、初始pH值为7.73的剩余污泥中(其中TSS＝2.682g/L)，磁力搅拌1min，设计多个实验。使银杏叶改性纳米零价铁充分均匀分散在反应体系中，此时加入不同比例(1:0、1:0.1、1:1和1:10)的过硫酸钠(0、0.042、0.42和4.2g)以启动对细菌16S rRNA基因的去除反应。在0.25、0.5、1、3、5、10和60min的时间点作为反应的监测点，通过加入硫代硫酸钠进行淬灭反应，完成对细菌16S rRNA基因的去除。
50mL上清液通过0.22μm水系滤膜过滤，在-20℃下保存在5mL离心管中，作为水相DNA进行分析。将50mL污泥悬浮液在2000rcf下离心5min，除去上清液，剩余污泥冻干，作为泥相提取DNA进行分析。
不同投加比例下银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠对细菌16S rRNA基因的去除结果如图2所示。
单独使用银杏叶改性纳米零价铁时，细菌16S rRNA基因的丰度大大增加，反应时间为10min时，细菌16S rRNA基因的丰度达到最大值，在污泥相和水相中丰度由1.55×1011copies/g(原始污泥中污泥相16S rRNA基因的丰度)增加到2×1012copies/g，由5.86×106copies/mL(原始污泥中水相16S rRNA基因的丰度)到3.29×107copies/mL。而采用加入银杏叶改性纳米零价铁颗粒和过硫酸钠后，水相中细菌16S rRNA基因的去除率显著提高。细菌16S rRNA基因去除量与过硫酸钠用量呈正相关，纳米零价铁颗粒与过硫酸钠质量比分别为1:0.1、1:1和1:10时，细菌16S rRNA基因的丰度分别为11297.07、465.28和222.13copies/mL。污泥相中质量比为1:0.1时，细菌16S rRNA基因在污泥相中的丰度增加。在质量比为1:1时，细菌16S rRNA基因在污泥相中的丰度被抑制。在质量比为1:10时，反应时间为10min后，细菌16S rRNA基因丰度比原水低一个数量级。
实施例3
银杏叶经去离子水清洗后，在100℃下烘干24h。将干燥的银杏叶破碎，筛分，选取粒径在0.3mm以下的银杏叶粉末，以60g/L的比例浸泡在超纯水中，80℃恒温搅拌40min。银杏叶粉末水溶液在5000rpm下离心5min，收集的悬液即为银杏叶提取液。将20mL银杏叶提取液与等体积0.5mol/L硫酸亚铁溶液混合，得到硫酸亚铁与银杏叶提取液混合液，置于恒温水浴摇床振荡5min(250rpm，25℃)。然后往混合液中逐滴加入20mL、1mol/L的硼氢化钾溶液，边加边振荡。得到的黑色磁性固体即为银杏叶改性的纳米零价铁颗粒。颗粒依次经丙酮与去离子洗涤三次后，在冷冻干燥机中冻干。
室温下，取实施例3冻干的银杏叶改性纳米零价铁颗粒0.44g，加入到250mL、初始pH值为7.73的剩余污泥中(其中TSS＝2.682g/L)。随后加入0.42g的过硫酸钠。以3min为时间间隔，30min为反应时长，连续间隔不断的向反应体系中投加0.44g银杏叶改性纳米零价铁颗粒和0.42g的过硫酸钠，反应结束后加入硫代硫酸钠进行淬灭反应，完成对剩余污泥的脱水。
以3min为反应间隔，采用破坏反应体系的方式，每次反应结束后，立即将50mL泥水混合物通过过滤比阻测定装置，同时记录达到相同过滤液位时所用的时间及抽滤压力，以评估脱水性。
连续投加条件下银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠对剩余污泥的脱水效果如图3所示。银杏叶改性的纳米零价铁颗粒与过硫酸钠处理9min后，过滤比阻值可大大降低，从1.04×108m/kg降至6.47×106m/kg。至21min时，该值在4.77×106～8.55×106m/kg之间，基本保持不变，当银杏叶改性的纳米零价铁颗粒和过硫酸钠继续加入时，过滤比阻由8.55×106m/kg略微增加到1.87×107m/kg。
实施例4
银杏叶经去离子水清洗后，在100℃下烘干24h。将干燥的银杏叶破碎，筛分，选取粒径在0.3mm以下的银杏叶粉末，以60g/L的比例浸泡在超纯水中，80℃恒温搅拌40min。银杏叶粉末水溶液在5000rpm下离心5min，收集的悬液即为银杏叶提取液。将20mL银杏叶提取液与等体积0.5mol/L硫酸亚铁溶液混合，得到硫酸亚铁与银杏叶提取液混合液，置于恒温水浴摇床振荡5min(250rpm，25℃)。然后往混合液中逐滴加入20mL、1mol/L的硼氢化钾溶液，边加边振荡。得到的黑色磁性固体即为银杏叶改性的纳米零价铁颗粒。颗粒依次经丙酮与去离子洗涤三次后，在冷冻干燥机中冻干。
室温下，取实施例4冻干的银杏叶改性纳米零价铁颗粒0.44g，加入到250mL、初始pH值为7.73的剩余污泥中(其中TSS＝2.682g/L)。随后加入0.42g的过硫酸钠。以3min为时间间隔，30min为反应时长，连续向反应体系中投加0.44g银杏叶改性纳米零价铁颗粒和0.42g的过硫酸钠，反应结束后加入硫代硫酸钠进行淬灭反应，完成对抗生素抗性基因的去除。
50mL上清液通过0.22μm水系滤膜过滤，在-20℃下保存在5mL离心管中，作为水相DNA进行分析。将50mL污泥悬浮液在2000rcf下离心5min，除去上清液，剩余污泥冻干，作为泥相提取DNA进行分析。100mL反应液室温静置36h，用来评判抗生素抗性基因再生。
不同投加比例下银杏叶改性纳米零价铁活化过硫酸钠对抗生素抗性基因的去除结果如图4所示。
在初始样本中，泥相中抗生素抗性基因(<1.25×1012copies/g泥相)的丰度明显高于水相(<3.91×106copies/mL废水)。在整个处理过程中，污泥相的抗生素抗性基因丰度显著降低，去除效率为3-5个数量级。与污泥相相比，随着运行时间的延长，水相中抗生素抗性基因其丰度从3.91×106copies/mL的废水降至检测限以下。污泥相中四种水平转移基因经处理后，下降了2个数量级(TP614)到4个数量级(int I3)。与污泥相相比，四种水平转移基因在水相中的丰度明显降低。TP614和int I1甚至低于检测限。而且在静置36h后没有观察到明显的再生现象。

Claims (5)

1.一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16SrRNA基因和抗生素抗性基因的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)烘干的银杏叶经粉碎机粉碎、0.3mm筛网筛分后，加入水中浓度为40-80g/L，60-90℃恒温搅拌40min，得到银杏叶提取液；
(2)室温下，将银杏叶提取液与硫酸亚铁溶液混合得到混合液，硫酸亚铁与银杏叶的用量关系为每摩尔硫酸亚铁对应100-150g银杏叶；
(3)混合溶液连续搅拌至少2min，得到前驱体溶液；
(4)以Fe2+与BH4 -的摩尔比为1:2-1:3，向前驱体溶液中逐滴滴加硼氢化钾溶液，得到银杏叶改性的纳米零价铁颗粒；
(5)通过磁选法分离出银杏叶改性纳米零价铁颗粒，先用丙酮清洗，然后用去离子水清洗三次；
(6)银杏叶改性的纳米零价铁与过硫酸钠按照质量比为(1:0-1:10)混合后，加入到剩余污泥进行深度处理，搅拌30min-60min，过滤分离，完成对剩余污泥的脱水及对抗生素抗性基因的去除。
2.按照权利要求1所述的一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法，其特征在于，污泥中每克总悬浮固体(TSS)对应0.60-0.70g银杏叶改性的纳米零价铁，即0.60-0.70g/g TSS。
3.按照权利要求1所述的一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法，其特征在于，(1)对剩余污泥投加上述所述的银杏叶改性的纳米零价铁和过硫酸钠，每次投加银杏叶改性的纳米零价铁的量为0.60-0.70g/g TSS和对应比例的过硫酸钠，0-60min为反应时间；(2)多次连续间隔投加确定比例的银杏叶改性的纳米零价铁与过硫酸钠，以3min为间隔，30min为反应时间，搅拌，使剩余污泥脱水并去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因。
4.按照权利要求1所述的一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法，其特征在于，污泥溶液pH值为6.5-8.5，细菌16S rRNA基因初始浓度为5.86×106-6.95×107copies/(mL废水)/1.55×1011-2.22×1013copies/(g污泥)。
5.按照权利要求1所述的一种基于银杏叶改性纳米零价铁激活过硫酸钠实现剩余污泥脱水及去除细菌16S rRNA基因和抗生素抗性基因的方法，其特征在于，抗生素抗性基因包括：四环素类tet M(酶保护机制)、磺胺类sul 1(酶保护机制)、大环内类、林可酰胺类一链阳性菌素B erm B(酶保护机制)、ere A(灭活机制)和mef A(外排泵机制)、内酰胺类bla-TEM(灭活机制)、喹诺酮类一氯霉素类mex F(外排泵机制)和mex B(外排泵机制)、水平基因转移类int I1、int I3、tnp A04和TP614。
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