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总体环境科学643（2018）1481-1492
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总体环境科学
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在中试规模Asup2;O系统中去除城市污水中的消炎/镇痛药物，将性能和微生物种群动态与操作变量联系起来。
J.Gallardo-Altamiranoa，b,P.Maza-Maequeza，c，J.M.Pena-Herrerad，B.Rodelasa，，c，F.Osorioa，b，C。Pozoa,c
a格拉纳达大学水研究所环境微生物生物学小组，C/Ramony Cajal,n°4西班牙格拉纳达18071
b格拉纳达大学土木工程系，西班牙格拉纳达18071
c水和土壤质量研究小组，IDAEA-CSIC,C/Jordi Girona 18-26西班牙巴塞罗那08034
强调
*在中试A2O中评估了8种消炎/镇痛药的去除情况。
*在不同的操作条件下计算去除效率（REs）。
*用qPCR法测量细菌，古细菌，霉菌和真菌的丰富度。
*布洛芬和蔡普生的REs在更高的MLSS，更低的温度和F/M比下得以提高。
*几种药物的REs与Asup2;O内霉菌丰富度增加有关.
图形化摘要
文章信息
文章历史：2018年3月7日收到
2018年5月14日收到修订版
2018年6月22日收到
可在线查阅2018年7月4日
编辑：Yolanda Picoacute;
图片摘要
摘要
在这项研究中，在中试规模Asup2;O系统（包括厌氧/缺氧/好氧区域）中评估了8种抗炎/或镇痛药物AIAP（对乙酰氨基酚，布洛芬，蔡普生，酮洛芬，可待因，吲哚美辛和丙苯哌酮）的去除率，在两个实验阶段使用不同的环境条件和运行参数进行长期运行。使用qPCR定量系统中活性污泥微生物群落中细菌总数，古细菌总数，含霉菌酸的丝状放线菌（Mycolata）和真菌的绝对丰度。多变量分析和Spearman相关系数用于寻找AIAP去除率，活性污泥中目标微生物群的丰度以及Asup2;O系统中环境/操作变量的变化之间的重要联系。分析的几种AIAP（对乙酰氨基酚，布洛芬，萘普生，酮洛芬）的去除效率提高与较高的有机负荷相关。
关键词：Asup2;O 抗炎和/或镇痛药
缩写：Asup2;O，厌氧/缺氧/好氧；AIAP，抗炎和/或镇痛药；BOD5，5天生物需氧量；CAS，常规活性污泥；COD，化学需氧量；DDD，定义的每日剂量，mg活性化合物日minus;1；DHD，每千居民每天定义的日剂量；DO，溶解氧；F / M，食物与微生物的比率；HRT，水力停留时间；MBMBR，移动床膜生物反应器；MBR，高级膜生物反应器；MDS，非度量多维缩放；ML，每日测得的质量负荷；MLR，混合液再循环比；MLSS，混合液悬浮固体；MLVSS，混合液中悬浮的挥发性固体；NLR，氮负荷率；NRR，总氮去除率；OLR，有机负荷率；ORR，有机物去除率；OT，工作温度；PAO，聚磷菌群；PEC，预测的环境浓度；PhAC，药物活性化合物；PRR，总磷去除率；RAS，返回活性污泥的百分比；RE，去除效率；RSD，相对标准偏差；SRT，污泥保留时间；SVI，污泥体积指数；TN，总氮；TP，总磷；TSS，总悬浮固体；WAS，废物活性污泥流量；污水处理厂，废水处理厂。
。 *通讯作者：西班牙格拉纳达大学水研究所环境微生物学组，C/Ramony Cajal,n°4，西班牙格拉纳达18071
https//doi.org/10.1016/j.sciotenv.2018.06.2840048-9697/2018 Elsevier BV保留所有权利。
微生物群落对药物的去除效果
MJ Gallardo-Alatamirano等。/总体环境科学643（2018）1481-1493
在进水中，较高的混合液悬浮固体（MLSS）浓度，较低的温度和较低的食品与微生物比率（F/M）。几种药物的去除率与Asup2;O系统中霉菌的丰富度增加有关，表明这类细菌是活性污泥中AIAP去除的候选关键因素。
2018 Elsevier BV保留所有权利
1介绍
在最近几十年来，药物活性化合物（PhACs）在不同环境区（农业土壤，地表水和地下水系统）中的存在引起了人们的极大关注。在这方面，与这种情况相呼应的是，欧盟首次提出了 PhAC 的环境风险 （ 欧盟，2013年， Directive39 / 2013），后来又将几种PhAC纳入了优先物质的关注清单，如双氯芬酸，类固醇激素和大环内酯类抗生素红霉素，克拉霉素和阿奇霉素（欧盟，2015年，第2015/495号决定）。
在PhAC中，已在水体中广泛检测到单环类（例如布洛芬，对乙酰氨 基酚或水杨酸）或多环类（双氯芬酸，酮洛芬，吲哚美辛或萘普生）的抗炎和/或镇痛药物（AIAP）（Kasprzyk- Hordern et all，2009; luo et all，2014; Petrie et all，2015; He et all 2017).AIAPs对环境的贡献的来源是人为活动，主要包括人类以母体形式或代谢产物形式排泄，生产线 废水处理或直接倾倒过期产品（Wu等，2012; Dahane 等，2013).这些化合物到达城市废水中，进而到达废水处理厂（WWTPs）中，通常在ng Lminus;1 至mu;gLminus;1范围内被检测到，它们是布洛芬和对乙酰氨基酚，药物的浓度较高（Radjenović等人，2009年; Verlicchi等人， 2012年; Almeida等人，2013年).那里的AIAP经历了几种不同的生物或物理化学过程，具体取决于目标化合物的特性和污水处理厂的运行参数 （Clara等人，2005年; Grandclement 等，2017).废水处理厂中这些PhAC的去除效率（RE）变化很大，其中布洛芬或对乙酰氨基酚的降解率较高，而双氯芬酸是最难降解的分子（Joss等，2005).此外，目前许多AIAP均未受到水质法规的约束，部分原因是对其命运以及对废水和环境的影响缺乏了解（Petrie等，2015). 在处理过的废水中存在一些AIAPs，并在陆地和水生生态系统中进行了常规检测，这证实了常规活性污泥（CAS）系统无法完全清除。作为替代方案，Asup2;O系统是基于单个污泥配置的先进废水处理工艺，使用串联的厌氧/厌氧/好氧生物反应器组合，可以同时生物去除有机物，N和P化合物（Tchobanoglous等，2003).提供不同曝气条件的生物反应器单元的顺序组合可支持微生物异养生长，硝化，反硝化和多磷酸盐的生物积累（Kim等，2013).此外，Asup2;O系统具有比其他生物养分去除工艺更优越的优势，例如操作更简单，稳定，能耗更低 ， 运行成本更低 （Tchobanoglous等， 2003).假定污水厂中微生物不同功能种群的存在会导致更广泛的有机污染物的生物转换能力加强。（Radjenovic 等，2008; Lai等，2011).
目前，对污水处理厂中AIAPs的微生物降解/生物转化的认识还很有限。已经实现了多环AIAPs的微生物降解；但是，大多数可用的研究仅集中在真菌和细菌纯培养接种物的使用上，并且通常是在无菌条件下开发的（chen和Rossaza，1994；Domaradzk等，2015；Marchlewicz等，2016；Grandclement等，2017）。相比之下，AIAPs去除性能与全球活性污泥群落的种群动态之间的联系实际上尚未被探索。
在这项研究中，在中试规模的Asup2;O系统中评价了8种AIAP（对乙酰氨基酚，布洛芬，萘普生，酮洛芬，双氯芬酸，可待因，吲哚美辛和丙苯酮）的去除率，该系统在两个实验阶段使用不同的操作环境条件和操作参数。使用qPCR法定量分析了系统中活性污泥微生物群落中细菌总数，古细菌总数，含霉菌酸的丝状放线菌（Mycolata）和真菌的绝对丰度。多变量分析和Spearman相关系数用于寻找AIAP去除率，活性污泥中目标微生物群的丰度以及Asup2;O系统中环境/操作变量的变化之间的重要联系。
2材料和方法
2.1.描述废水处理中试工厂以及操作条件
在这项调查中，使用了位于Murcia Este的污水处理厂（西班牙Murcia EMUASA）设施中的中试规模的Asup2;O工厂。Murcia Este工厂设计用于833000人口当量，平均流量为100000 msup3;/ 天。中试工厂（图1）是 Murcia Este污水处理厂的比例尺（1：25000），设计用于每天处理多达6 msup3;， 由0.512 msup3;初级沉淀池， 1.66 msup3;生物反应池（厌氧池：0.173 msup3;，缺氧池：0.277 msup3;，好氧池： 1.200 msup3;）和0.616 msup3;澄清池组成。中试工厂的废水来自Murcia Este污水处理厂的预处理单元，该废水是市政废水和工业废水的混合物。
该中试工厂于2016年5月20日启动，以Murcia Este污水处理厂的活性污泥作为接种物。自6月1日起，该工厂以混合液悬浮固体（MLSS）的工作浓度（2500–3000 mg L-1）和食品与微生物的比率（F / M）（超过 0.30 kg BOD5kg MLVSS-1d-1）被选为第一阶段。在大约三倍的SRT 之后达到了稳态条件，然后开始了采样活动。在阶段I实验结束后，需要一个过渡阶段才能在为阶段II选择的工作条件下稳定运行（4000- 5600 mg L-1MLSS和F / M超过0.20 kg BOD5kg MLVSS-1d-1。第一阶 段（2016年7月27日至11月13日）和第二阶段（2016年12月14日至2017 年3月31日）分别持续104天和105天。虽然每个实验阶段都具有不同的 MLSS和F / M，但仍保持了相似的水力停留时间（HRT）。每个采样期内每个操作参数的月平均值报告在表格1。
2.2.废水采样收集，用于理化参数和AIPI分析
每周从Asup2;O系统的采样点1、2和3采集每日复合样品3次（图1），以确定第2,3节其中所述的理化参数。总共收集了18个进出废水样本用于AIAPs分析：第一阶段的八个样本（夏季四个，秋季四个），以及第二阶段有十个样本（秋季两个，冬季四个，春季四个）。从中试规模工厂的采样点1和3采集24小时复合样品（图1)。在周中和周末结束时进行了采样。将样品收集在500 mL琥珀色PET瓶中，并在-20°C下冷冻 直至进行分析。根据固定的HRT（12小时）采集出水样品。在干燥的天气条件下收集所有样品，以消除样品稀释效应。
图1.研究中使用的中试规模工厂示意图。显示了采样点1、2（进水）和3（出水）。
2.3.分析Asup2;O系统中的物理化学参数
Merck Spectroquantreg;试剂盒（德国达姆施塔特）用于测量化学需氧量 （COD）（100–1500 mg L-1，10–150 mg L-1），总氮（TN）（10–150 mg L -1），N-NOminus;（1.0-50.0 mgL-1），N-NH （4.0-80.0 mg L-1， 0.010-2.000 mg L-1）， 和总磷（TP）（0.5–25 mg L-1）。生物需氧量（BOD5），总悬浮固体（TSS），MLSS和混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）是根据《美国公共卫生协会（APHA）水和废水检查的标准方法》（Baird等人，2017年）进行测定。
2.4.AIAPs的分析方法
2.4.1.化学制品
用于分析的所有化学标准品均购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣 路易斯）和Cerilliant（美国德克萨斯州Round Rock）。用于内部标准校准的同位素标记化合物购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）和 Santa Cruz Biotechnology（美国德克萨斯州达拉斯）。所有标准平均为纯度等级（N90％）（列于补充材料中）。制备了标准溶液（100 mg L-1in MeOH）。每三个月制备一组化合物（10mu;gmL-1 in MeOH）用于校准，并通过在H2O / MeOH 95：5 v / v中进行适当稀释来加标。在前面所述的相同条件下，分别制备了同位素标记的化合物的混合物。所有储备溶液均在-20°C的黑暗环境中储存。HPLC 级溶剂购自Merck（德国Darmstadt）：MeOH（纯度99.9％或更高），ACN（纯度99.9％或更高）和水。
2.4.2.样品预处理
样品预处理按照先前描述的方法进行的（Gros等，2009;Loacute;pezSerna等，2010).简而言之，将水样品通过1mu;m玻璃纤维过滤器（Whatman， 费尔菲尔德，康涅狄格州，美国）过滤，然后通过0.45mu;m尼龙膜过滤器 （Teknokroma，西班牙巴塞罗那）过滤。最后，将10mu;L的100 ng mL-1 内标混合物加标到10 mL样品中，以进行替代对照和内标校准。
2.4.3.在线提取
废水样品的预浓缩和色谱分离是在自动 SP
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