粪便好氧堆肥过程中典型抗生素的行为特性研究

粪便好氧堆肥过程中典型抗生素的行为特性研究在废弃物管理策略中,抗生素的存在是一个新兴的热点问题。由于抗生素低的生物利用率和高的排泄率,在人粪便中通常会残留大量的抗生素药物,如果处置不当,将严重威胁生态环境及人体健康。好氧堆肥是一种广泛应用的粪便无害化和资源化处理技术,同时能有效去除粪便中的抗生素残留。好氧堆肥在对残留抗生素实现有效去除的同时,粪便中的抗生素的残留是否会对堆肥过程产生影响也日益引起关注。本研究以环境与健康效益最大化和环境负荷最小化为目的,运用源头分离和好氧堆肥技术对人粪便进行处理,并通过粪便好氧堆肥实验深入探讨其中典型抗生素的行为特性。本研究针对传统分析处理方法在抗生素检测时的检测限高、回收率低和分析时间长等的局限性,建立了适用于人粪便与粪便堆肥样品中抗生素的多残留分析检测方法。通过进行批次好氧堆肥实验,开展了好氧堆肥过程中典型抗生素的消减特性研究,并分析了消减作用机理。同时,以四环素为例深度探讨了粪便中典型抗生素残留对堆肥过程中的物化特性、酶活性、堆肥腐熟及微生物群落演替的影响。研究结果对于含抗生素残留的粪便堆肥无害化处理和丰富好氧堆肥工艺提供了理论依据与应用基础。论文的主要研究内容及结果如下:(1)通过对样品预处理、固相萃取和液相色谱串联质谱条件的优化,建立了一种适用于人粪便和粪便堆肥样品中定量检测不同种类抗生素的多残留分析方法。在人粪便及粪便堆肥样品的预处理及提取阶段,通过抗生素的回收率实验,对提取液的组成、提取时间、提取次数和上清液滤膜的选择方面进行了优化。在固相萃取阶段,对固相萃取柱的选择、进样流速、洗脱溶剂及体积进行了实验及优化。采用超高效液相色谱串联质谱(UPLC–MS/MS)对抗生素进行定量分析,优化了质谱参数及液相条件。优化后的方法在人粪便和粪便堆肥样品上进行了实验和验证。结果显示,改进后的方法能够同时检测和定量分析目标物,具有良好的选择性和灵敏度。该方法明显提高了目标抗生素的回收率,在3个投加浓度下,不同样品中的回收率达到了85.3%~98.4%。4种抗生素在人粪便和粪便堆肥样品中的方法定量限(MQL)分别为11.0~18.9和11.5~20.2μg/kg干重(DW)。(2)通过进行3种不同温度(55℃、35℃和无温控)控制条件下的好氧堆肥实验,分析堆肥过程中4种人大量频繁应用的抗生素(四环素、金霉素、磺胺嘧啶和环丙沙星)的消减特性。通过抗生素分别在水环境、锯末载体和粪便堆肥中的去除实验,分析了抗生素的水溶分解特性、吸附去除特性和微生物降解特性并评价了堆肥温度对这3种特性的影响。结果表明,温度影响抗生素的去除效果,4种抗生素在恒高温处理中的去除效果最好且去除率都在90%以上。抗生素的化学性质影响抗生素的去除效果,相比磺胺嘧啶和环丙沙星,金霉素和四环素的去除对温度依赖更强。四环素和金霉素在堆肥中的去除主要为水解作用导致的去除,而磺胺嘧啶和环丙沙星的去除则主要归因于锯末有机质对其吸附的影响。与其它3种抗生素不同,微生物作用对堆肥中环丙沙星去除的影响是重要的,贡献率接近20%。(3)考察了典型抗生素四环素(TC)对好氧堆肥过程中的物化特性、酶活性、堆肥腐熟以及微生物群落演替的影响。实验共设4个处理:CK(不添加TC)、TC100(100mg/kgTC,DW)、TC250(250mg/kgTC,DW)和TC500(500mg/kgTC,DW)。采用高通量16SrRNA基因测序技术对堆肥中微生物群落演替进行分析。结果表明,四环素对堆肥中物化特性的影响与其残留浓度有关,堆肥中四环素浓度的增加显著抑制了堆肥温度的升高,增加了水溶性碳的残留,降低了种子发芽率,抑制了脱氢酶活性和脲酶活性。堆肥温度、水溶性碳含量、种子发芽率和脱氢酶活性等堆肥参数都可以用来表征堆肥的腐熟度,以上结果表明堆肥中四环素浓度高达500mg/kg时,四环素阻碍了人粪便好氧堆肥过程并影响堆肥产物的腐熟。而