根系分泌物介导下生物电化学强化人工湿地去除低污染水中PPCPs的研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41571476
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0711.污染物环境行为与效应
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

The occurrence of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in slightly contaminated water in relation to sewage treatment plant (STP) discharges and non-point source pollution is an issue of general concern. Constructed wetland (CW) is still needed to be improved with regard to the PPCPs removal although it is suitable for treatment of slightly contaminated water. Considering that CW and microbial fuel cell (MFC) could be integrated smoothly in the structure, we firstly develop a MFC type wetland (MFCW) in this proposal. In addition, the bio-film electrode reactor (BER) will be used to consume the electrical energy produced by MFCW and simultaneously be used as pre-treatment of MFCW. The biodegradability of PPCPs could be improved by BER section, thus the removal efficiency of PPCPs in MFCW could be promoted. To deal with the problem of lacking of easily degradable organics in slightly contaminated water, root exudates (REX) will be especially adopted as co-substrate to improve energy yield of MFCW and simultaneously as co-metabolism primary substrate to stimulate the degradation of PPCPs and their metabolites. Consequently, a new integrated biological-electrochemically enhanced wetland system could be developed. First, we aim to explore the role of MFC process on the enhancement of CW with regard to the degradation of PPCPs. Second, we attempt to elucidate the effects of the configuration and operating conditions on the improvement of biodegradability of PPCPs parent compounds in BER section. Third, we aim to illuminate the stimulating mechanisms of various constituents as well as mixture liquid of root exudates for the electric energy production and the co-metabolism biodegradation of PPCPs, respectively. Lastly, we will explore the regulating strategy for matching the balance of matter and energy as well as the removal mechanisms of PPCPs in the new biological-electrochemically enhanced wetland system. This study will have great significance for the control of PPCPs pollution, the mitigation of ecological and healthy risks caused by PPCPs as well as the interdisciplinary studies between ecological engineering and biological-electrochemistry.
污水处理厂尾水、面源污染水等低污染水中医药与个人护理品(PPCPs)对水生态及人类健康有潜在严重危害。人工湿地(CW)是处理低污染水的首选,但其去除PPCPs的效能亟需加强。本课题首先利用CW和微生物燃料电池(MFC)在构造上易融合的优势,构建MFCW;并利用生物膜电极(BER)作为MFCW的外部用电器和预处理单元;尤其针对低污染水中易降解有机物不足对产电的制约,引入根系分泌物作为共基质,同步促进MFCW产电及PPCPs共代谢降解,构成根系分泌物介导的生物电化学增强型人工湿地耦合系统。研究:MFC电化学过程强化CW降解PPCPs的机理;BER对PPCPs的预转化机制;根系分泌物单一及混合组分对促进MFCW产电及促进PPCPs共代谢降解的机理;揭示新型湿地耦合系统中的物质能量匹配条件及PPCPs去除途径。成果对控制PPCPs污染、保障人类健康、促进生态工程学与生物电化学交叉融合具有重要意义。

结项摘要

本研究以强化去除低污染水中的药物和个人护理品(PPCPs)类污染物为目的,构建了全新的生物膜电极反应器(BER)-人工湿地微生物燃料电池(CW-MFC) 的耦合系统,并探索了相关抗生素抗性基因(ARGs)在耦合系统中各个单元的时空变化规律。本课题首先研究了CW-MFC去除PPCPs的特性,结果表明进水PPCPs浓度、共基质浓度、水力停留时间 (HRT) 都应控制在一定范围内,才能使系统在产电电压、功率密度和库仑效率方面达到优化平衡。研究发现闭路运行模式能提高电极对PPCPs的吸附能力并刺激了微生物代谢活性,因此具有更好的去除效果。. 为强化CW-MFC的电产生和COD去除能力,创新性地构建了上向流锰矿石基质CW-MFC。锰矿石CW-MFC强化了产电菌和相关功能基因的富集,抑制了产甲烷菌及相应的功能基因,增强了系统对COD的去除能力。方差分解分析表明,基质类型、抗生素聚集和细菌群落演化是影响ARGs的主要因素。Network神经网络分析结果揭示了潜在的抗生素抗性基因宿主,同时揭示了抗性基因和整合子基因以及宿主细菌的共出现模式。. 为了强化CW-MFC对PPCPs的去除效率,在CW-MFC前端构建了低电流运行的BER反应器。结果表明低电流不会对磺胺类抗生素的降解产物及降解途径产生影响,但是可以提高其去除速率。进一步构建了3D-BER反应器,3D-BER显著增强了对磺胺类和四环素类抗生素的去除效果。微生物的生物量、脱氢酶活性及相对丰度在低电流的刺激下呈现出增加趋势。而且,与其他普通厌氧生物方法相比,3D-BER能够显著减少ARGs扩散的风险。揭示了在弱电流刺激条件下,耦合系统中分离纯化出的纯培养耐药菌和耐药基因对电流的响应规律。. 在上述研究基础上,进一步构建了BER-CW-MFC耦合系统。研究了系统对抗生素去除及ARGs在系统内部的动态变化规律。结果表明BER中磺胺类抗生素的去除效率和ARGs丰度受进水抗生素浓度和HRT的影响。随着HRT的延长,BER和CW-MFC中sul基因相对丰度在减少。研究发现,生物电有效减少BER系统微生物群落多样性,并减少出水的ARGs丰度。. 研究成果对于控制PPCPs污染、保障人类健康、促进生态工程学与生物电化学交叉融合具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量(22)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(7)
Fate of sulfadiazine and its corresponding resistance genes in up-flow microbial fuel cell coupled constructed wetlands: Effects of circuit operation mode and hydraulic retention time
上流式微生物燃料电池耦合人工湿地中磺胺嘧啶及其相应抗性基因的命运:回路运行模式和水力停留时间的影响
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2018.06.035
  • 发表时间:
    2018-10
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Song Hai Liang;Li Hua;Zhang Shuai;Yang Yu Li;Zhang Li Min;Xu Han;Yang Xiao Li
  • 通讯作者:
    Yang Xiao Li
A system composed of a biofilm electrode reactor and a microbial fuel cell-constructed wetland exhibited efficient sulfamethoxazole removal but induced sul genes
由生物膜电极反应器和微生物燃料电池构建的湿地组成的系统表现出有效的磺胺甲恶唑去除效果,但诱导了 sul 基因
  • DOI:
    10.1016/j.biortech.2018.02.023
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Bioresource Technology
  • 影响因子:
    11.4
  • 作者:
    Zhang Shuai;Song Hai Liang;Yang Xiao Li;Li Hua;Wang Ya Wen
  • 通讯作者:
    Wang Ya Wen
Inhibition of methanogens decreased sulfadiazine removal and increased antibiotic resistance gene development in microbial fuel cells
抑制产甲烷菌可减少磺胺嘧啶的去除并增加微生物燃料电池中抗生素抗性基因的发育
  • DOI:
    10.1016/j.biortech.2019.02.089
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Bioresource Technology
  • 影响因子:
    11.4
  • 作者:
    Zhang Shuai;Song Hai Liang;Cao Xian;Li Hua;Guo Jianhua;Yang Xiao Li;Singh Rajendra Prasad;Liu Shuai
  • 通讯作者:
    Liu Shuai
Vertical up-flow constructed wetlands exhibited efficient antibiotic removal but induced antibiotic resistance genes in effluent
垂直上升流人工湿地表现出有效的抗生素去除率,但在废水中诱导抗生素抗性基因
  • DOI:
    10.1016/j.chemosphere.2018.04.006
  • 发表时间:
    2018-07-01
  • 期刊:
    CHEMOSPHERE
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Song, Hai-Liang;Zhang, Shuai;Liu, Xi
  • 通讯作者:
    Liu, Xi
Enhanced degradation of bisphenol A and ibuprofen by an up-flow microbial fuel cell-coupled constructed wetland and analysis of bacterial community structure
上流式微生物燃料电池耦合人工湿地增强双酚A和布洛芬降解及细菌群落结构分析
  • DOI:
    10.1016/j.chemosphere.2018.11.022
  • 发表时间:
    2019-02-01
  • 期刊:
    CHEMOSPHERE
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Li, Hua;Zhang, Shuai;Song, Hai-Liang
  • 通讯作者:
    Song, Hai-Liang

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其他文献

人工湿地における基盤深さ及び水面積負荷が下水処理水のエストロゲン除去に及ぼす影響
基岩深度和水域负荷对人工湿地处理污水中雌激素去除的影响
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  • 发表时间:
    2008
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Hai-Liang Song;Kazunori Nakano;Takashi Taniguchi;Munehiro Nomura;Osamu Nishimura;宋海亮;宋海亮
  • 通讯作者:
    宋海亮
长江中下游某Unitank污水处理厂去除雌激素的效果分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    环境工程
  • 影响因子:
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  • 作者:
    陈明;杨小丽;沈丹群;傅大放;宋海亮;高海鹰;Chen Ming2 Yang Xiaoli1,2 Shen Danqun2 Fu Dafang2;2.School of Civil Engineering,Southeast University;3.School of Energy;Environment,Southeast Unive
  • 通讯作者:
    Environment,Southeast Unive
水耕植物过滤法去除氮磷的影响因素及途径
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
    李先宁;宋海亮;稻森悠平;吕锡武;西村修
  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
    2013
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  • 作者:
    杨小丽;周娜;陈明;张瑞;宋海亮;傅大放
  • 通讯作者:
    傅大放
微生物燃料电池耦合人工湿地处理废水过程中的产电研究(英文)
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    Journal of Southeast University (english Edition)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李先宁;宋海亮;项文力;吴磊;Li Xianning Song Hailiang Xiang Wenli Wu Lei(Schoo
  • 通讯作者:
    Li Xianning Song Hailiang Xiang Wenli Wu Lei(Schoo

其他文献

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宋海亮的其他基金

湿地产电驱动电化学解耦重金属-抗生素协同压力及抑制抗性基因的机理
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    58 万元
  • 项目类别:

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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