Utafiti huu umechunguza uthabiti wa kiutendaji wa tope chembechembe la mwani-bakteria (algal-bacterial granular sludge, ABGS) katika kutibu maji taka sintetiki yenye sulfamethoxazole, ukilinganishwa na tope chembechembe la kawaida la aerobiki (aerobic granular sludge, AGS), chini ya hali za virutubisho zinazobadilika. Reakta mbili za mfululizo wa batch zenye ujazo wa lita 0,8 ziliwekwa kwenye 1 mg·L⁻¹ sulfamethoxazole kwa siku 120; uwiano wa mahitaji ya oksijeni ya kikemikali/nitrojeni jumla katika maji yanayoingia ulipunguzwa kwa hatua hadi 20, 15, 10 na 8. Katika uwiano wa chini zaidi, C/N = 8, ABGS ilihifadhi biomasi zaidi na kutoa matokeo ya juu kuliko AGS katika uondoaji wa nitrojeni jumla, fosforasi jumla na sulfamethoxazole. Hata hivyo, jeni ya usugu sul1 na kiashiria cha integron ya daraja la 1 intI1 vilikuwa juu zaidi katika ABGS. Hivyo, utafiti unaonyesha kwamba uondoaji mkubwa zaidi wa vichafuzi haumaanishi moja kwa moja hatari ndogo ya kiikolojia kwa upande wa usugu wa antibiotiki. Matokeo yanatokana na kiwango cha maabara, maji taka sintetiki na bado hayajapitia mapitio ya rika.

Tathmini kwa muktadha wa Uturuki: Matokeo yanaonyesha mbinu inayostahili kuchunguzwa kwa vituo vya kutibu maji taka nchini Uturuki vinavyokabili maji taka ya majumbani, maji taka ya hospitali, mikondo inayotokana na uzalishaji wa dawa na mabadiliko ya msimu ya mzigo wa kikaboni. Hata hivyo, kabla ya kufanya uamuzi wa matumizi nchini Uturuki, mfumo unahitaji kuthibitishwa kwa matriksi halisi ya maji taka, hali za eneo za joto na mwanga, mchanganyiko unaobadilika wa antibiotiki, viwango vya chini zaidi vya mazingira vya sulfamethoxazole na katika reak­ta za kiwango cha majaribio. Utafiti huu hauonyeshi moja kwa moja ufanisi wa uondoaji, kuenea kwa jeni za usugu, gharama za uendeshaji au utii wa kanuni katika vituo vya Uturuki.

Hitimisho kuu la utafiti ni kwamba ABGS inaweza kuhifadhi muundo wa chembechembe na kazi ya kutibu vizuri zaidi kuliko AGS, hasa chini ya mzigo mkubwa wa nitrojeni na hali za kaboni ya kikaboni ya chini. Ustahimilivu huu ulionekana pamoja na safu ya vitu vya polima vya nje ya seli vilivyofungamana kwa nguvu na vyenye polisakaridi nyingi, uhifadhi wa baadhi ya vijidudu vyenye kazi maalumu na mabadiliko katika wingi wa jamaa wa jeni zinazohusiana na denitrifikasheni na metaboli ya nishati. Kwa upande mwingine, jeni za usugu hazikupungua kwa mwelekeo mmoja; jeni tofauti za sul zilionyesha mienendo inayotofautiana.

Swali kuu la utafiti ni nini?

Utafiti unauliza iwapo mfumo wa ABGS, ambamo mwani na bakteria huishi pamoja ndani ya chembechembe moja, unaweza kuhifadhi utendaji wa kutibu na muundo wa chembechembe wakati uwiano wa C/N katika maji yanayoingia unapunguzwa hatua kwa hatua chini ya msongo wa sulfamethoxazole. Swali kuu la pili ni iwapo uondoaji thabiti zaidi wa vichafuzi unaenda sambamba na uteuzi mdogo wa jeni za usugu wa antibiotiki.

Sulfamethoxazole (SMX) ilitumika kama antibiotiki ya mfano katika utafiti. Watafiti hawakupima tu kupungua kwa SMX kwenye maji yanayotoka; walichunguza pia biomasi, kutulia, vitu vya polima vya nje ya seli, bidhaa za mabadiliko, jumuiya ya vijidudu, jeni za metaboli, jeni za usugu wa antibiotiki na vipengele vya kijeni vinavyohamishika. Muundo huu wa ngazi nyingi uliwezesha kutathmini kwamba ufanisi wa kutibu na hatari ya usugu wa kibayolojia haviwakilishi matokeo yale yale.

Uwiano wa C/N ulibadilishwaje?

Katika utafiti, C/N inaonyesha uwiano wa kiutendaji kati ya mahitaji ya oksijeni ya kikemikali (COD) na mkusanyiko wa nitrojeni jumla (TN) katika maji yanayoingia. Mantiki ya awamu inaweza kuelezwa kwa uhusiano huu wa msingi:

\[ C/N = C_{\mathrm{COD}} / C_{\mathrm{TN}} \]

Hapa C_COD inaonyesha mkusanyiko wa COD katika maji yanayoingia, na C_TN inaonyesha mkusanyiko wa nitrojeni jumla. Kwa kuwa thamani zote mbili zinatumika katika mg·L⁻¹, uwiano hauna kipimo. Mlinganyo huu haukutolewa kama modeli tofauti ya kihisabati katika utafiti, bali unatokana moja kwa moja na mikusanyiko iliyo kwenye jedwali ili kuelewa hali za awamu.

Mabadiliko ya kwanza yalifanywa kwa kupunguza chanzo cha kaboni. COD ilipunguzwa kutoka 1.500 mg·L⁻¹ hadi 1.125 na kisha 1.000 mg·L⁻¹. Katika mabadiliko yaliyofuata, COD ilihifadhiwa katika 1.000 mg·L⁻¹, huku nitrojeni jumla ikiongezwa hadi 100 na 125 mg·L⁻¹. Hivyo, kupungua kwa namba kwa C/N kulisababisha shinikizo mbili tofauti za kiikolojia: kwanza upungufu wa kaboni, kisha kuongezeka kwa mzigo wa nitrojeni.

Tope chembechembe la mwani-bakteria ni nini?

ABGS ni muundo wa matibabu ya kibayolojia ambamo mikroalgae na bakteria huishi pamoja ndani ya chembechembe nzito zinazoweza kutulia. Katika utafiti, Chlorella vulgaris FACHB-31 ilitumika kama sehemu ya mikroalgae. Mwani na tope chembechembe la aerobiki lililokomaa vilichanganywa kwa uwiano wa 1:25 kwa msingi wa uzito mkavu. Mfumo wa kulinganisha wa AGS haukuwa na nyongeza ya mikroalgae.

Kulingana na utaratibu uliopendekezwa na watafiti, ushirikiano wa mwani-bakteria unaweza kusaidia bakteria kuzoea hali za virutubisho zinazobadilika kupitia uzalishaji wa oksijeni unaohusiana na usanisinuru, vitu vya kikaboni vinavyotokana na mwani, ubadilishanaji wa metaboliti kati ya seli na matriksi ya chembechembe. Hata hivyo, utafiti haukupima moja kwa moja kila utaratibu huu kwa majaribio tofauti. Kwa hiyo, usaidizi wa usanisinuru na mchango wa kaboni kutoka kwa mwani ni tafsiri za kimekanizimu zinazolingana na utendaji uliopimwa; hazipaswi kutazamwa kama ushahidi wa moja kwa moja wa sababu.

Muundo wa chembechembe na uthabiti wa biomasi ulibadilikaje?

Kielelezo 1 kinaonyesha mabadiliko ya vitu imara vilivyosimamishwa katika mchanganyiko wa reak­ta (MLSS), uwiano wa vitu imara tete vilivyosimamishwa na faharisi ya ujazo wa tope baada ya dakika tano (SVI₅) katika reak­ta mbili kwa siku 120. MLSS inaonyesha biomasi jumla inayohifadhiwa kwenye reak­ta, huku SVI₅ ikionyesha ujazo wa tope baada ya kutulia kwa dakika tano. SVI₅ ya chini kwa kawaida huashiria chembechembe zilizo nzito zaidi na zinazotulia vizuri zaidi.

Katika awamu ya mwanzo, MLSS katika mifumo yote miwili ilikaribia takriban 11 g·L⁻¹, na SVI₅ ilipungua kutoka takriban 80 mL·g⁻¹ hadi karibu 40 mL·g⁻¹. Uwiano wa wastani wa MLVSS/MLSS katika ABGS katika Awamu I uliripotiwa kuwa %87,9, na wa AGS %85,2. Uwiano huu unalinganisha sehemu tete ya vitu imara vilivyosimamishwa, ambayo kwa kawaida huchukuliwa kuwa hai zaidi kibayolojia, na jumla ya vitu imara vilivyosimamishwa.

Katika awamu mbili za mwisho, wakati mzigo wa nitrojeni ulipoongezeka, mifumo ilianza kutofautiana. Katika AGS, MLSS ilishuka hadi kiwango cha chini cha 7,31 g·L⁻¹, huku SVI₅ ikiongezeka hadi 50 mL·g⁻¹. Mabadiliko haya yanaendana na upotevu wa biomasi na muundo wa chembechembe uliolegea zaidi. ABGS, kwa upande mwingine, ilihifadhi MLSS katika 9,8–11,7 g·L⁻¹ na takriban 39 mL·g⁻¹ kwa SVI₅. Katika muhtasari wa utafiti, kwa hali ya C/N = 8 biomasi ya ABGS ilitolewa kuwa 10,75 ± 1,34 g·L⁻¹ na SVI₅ kuwa 39,43 mL·g⁻¹.

Kiasi cha klorofili-a katika ABGS kilipungua hadi 2,57 mg·L⁻¹ katika Awamu III, na uwiano wa klorofili-a/klorofili-b ulirejea hadi wastani wa 2,15 katika Awamu IV. Matokeo haya yanaonyesha kuwa mikroalgae zilibadilisha muundo wa rangi chini ya msongo; hata hivyo, mabadiliko ya rangi peke yake hayathibitishi kuwa ndiyo sababu ya utendaji bora wa matibabu.

Kwa nini vitu vya polima vya nje ya seli ni muhimu?

Vitu vya polima vya nje ya seli (extracellular polymeric substances, EPS) ni matriksi inayoundwa na protini na polisakaridi inayounganisha seli ndani ya chembechembe. Katika utafiti, EPS iligawanywa katika EPS iliyofungamana kwa ulegevu (LB-EPS) na EPS iliyofungamana kwa nguvu (TB-EPS); kiasi cha polisakaridi (PS) na protini (PN) katika kila sehemu kilipimwa.

Katika Awamu II, ambako kaboni ilipunguzwa, LB-EPS na TB-EPS zote zilipungua; upungufu mkubwa zaidi ulionekana katika LB-EPS inayofungamana kwa ulegevu zaidi na uso wa chembechembe. Katika awamu ya mwisho, ambapo mzigo wa nitrojeni uliongezwa na C/N kupunguzwa hadi 8, kiasi cha jumla cha TB-EPS kilikuwa karibu sawa: 6,62 katika AGS na 6,29 mg·g⁻¹ VSS katika ABGS. Kwa upande mwingine, LB-EPS ilikuwa 1,21 katika ABGS na 1,91 mg·g⁻¹ VSS katika AGS.

Kutokana na mgawanyo huu, uwiano wa TB-EPS/LB-EPS ulifikia 5,19 katika ABGS na 3,47 katika AGS. Polisakaridi zilichangia %80,6 ya sehemu ya TB-EPS ya ABGS, ikilinganishwa na %76,1 katika AGS. Uwiano wa PS/PN katika EPS jumla pia ulihesabiwa kuwa 6,08 katika ABGS na 4,94 katika AGS. Kwa hiyo, faida ya ABGS si kwamba huzalisha EPS jumla zaidi kila wakati, bali kwamba nyenzo za nje ya seli huhifadhiwa zaidi katika sehemu yenye polisakaridi nyingi na iliyofungamana kwa nguvu na chembechembe.

Mfululizo wa muda katika Kielelezo 2 unaonyesha usambazaji huu upya. Matriksi iliyofungamana kwa nguvu na yenye polisakaridi nyingi inaweza kuunda muundo kama jeli unaopunguza kutengana kwa seli kutoka kwenye chembechembe. Hata hivyo, utafiti haukuunganisha moja kwa moja muundo wa EPS na jaribio la uimara wa kimekaniki; tafsiri ya ulinzi wa kimuundo inategemea matokeo ya EPS na kutulia yaliyopatikana kwa wakati mmoja.

Katika uchambuzi wa fluorescence wa matriksi ya msisimko-utoaji ya pande tatu, ishara ya Peak B inayofanana na tryptophan iliongezeka kutoka 583,5 hadi 942,5 katika AGS na kutoka 722,0 hadi 1.145,0 katika ABGS kutoka Awamu I hadi Awamu II. Katika hali ya C/N = 10, ishara hii iliripotiwa kuwa 635,8 katika ABGS na 167,3 katika AGS. Kwa kuwa mkusanyiko wa protini haukuwa juu kila wakati katika ABGS, watafiti walitafsiri hali hii si kama ongezeko la protini jumla bali kama mabadiliko katika mchango wa jamaa wa vipengele vya fluorescenti vinavyofanana na protini za aromatiki.

Uondoaji wa vichafuzi vya msingi ulibadilikaje?

Kulingana na Kielelezo 3, mifumo yote miwili ilitoa uondoaji wa COD wa zaidi ya %94 kwa siku 120, na hakuna awamu iliyokuwa na tofauti yenye maana ya uondoaji wa COD kati ya reak­ta. Matokeo haya yanaonyesha kwamba chini ya C/N ya chini, mifumo yote miwili iliweza kuondoa kwa kiasi kikubwa mzigo wa kikaboni unaoweza kuondolewa kwa urahisi.

Katika Awamu I na II, uondoaji wa nitrojeni ya amoniamu katika reak­ta zote mbili uliendelea kuwa zaidi ya wastani wa %97. Nitriti katika maji yanayotoka ilihifadhiwa chini ya 0,2 mg·L⁻¹; kwa upande mwingine, kadiri kaboni ilivyopungua, mkusanyiko wa nitrati uliongezeka na uondoaji wa nitrojeni jumla ulipungua. Hii inaonyesha kwamba oksidishaji wa amoniamu hadi nitrati uliendelea, lakini upungufu wa kaboni ulizuia urejeshaji wa nitrati hadi gesi ya nitrojeni.

Katika Awamu III, ambapo mzigo wa nitrojeni uliongezwa kwa mara ya kwanza, kulikuwa na kuyumba katika nitrifikasheni na uondoaji wa jumla wa virutubisho katika mifumo yote miwili. Baada ya kuzoea kwa muda mrefu, katika Awamu IV uondoaji wa wastani wa nitrojeni ya amoniamu katika ABGS ulifikia %98,85, uondoaji wa nitrojeni jumla %63,04 na uondoaji wa fosforasi jumla %59,13. Uondoaji wa nitrojeni jumla na fosforasi jumla ulikuwa juu kwa kiwango chenye maana kuliko matokeo ya AGS katika awamu hiyo hiyo (p < 0,01).

Katika hali ya C/N = 8, uondoaji wa nitrojeni jumla, fosforasi jumla na SMX katika ABGS uliripotiwa kuwa juu kuliko AGS kwa pointi za asilimia 13,89, 35,50 na 22,69 mtawalia. Ulinganisho huu haumaanishi kuwa ABGS ni bora kila wakati katika C/N ya kati na ya juu; unaonyesha kuwa ilirejea vizuri zaidi hasa chini ya kaboni ya chini/nitrojeni ya juu na shinikizo la muda mrefu la antibiotiki.

Uondoaji wa sulfamethoxazole ulionyesha nini?

Uondoaji wa SMX ulikuwa wa chini mwanzoni. Katika vipimo vya kwanza, AGS ilitoa %13,87 na ABGS %12,31, huku kufikia mwisho wa Awamu I thamani zikiongezeka hadi %37,96 na %40,44 mtawalia. Kufikia mwisho wa Awamu II, AGS ilifikia %53,98 na ABGS %57,37. Watafiti walihusisha ongezeko hili la hatua kwa hatua na kuzoea kwa muda kwa jumuiya zinazoshiriki katika mabadiliko ya SMX.

Katika Awamu III, uondoaji wa juu zaidi wa SMX ulipimwa kuwa %93,72 katika AGS na %92,72 katika ABGS. Katika Awamu IV, mzigo mkubwa wa nitrojeni wa muda mrefu na C/N ya chini uliathiri mifumo yote miwili vibaya; hata hivyo, ABGS ilihifadhi uondoaji wa %66,78, huku AGS ikishuka hadi %44,09. Mfululizo wa muda katika Kielelezo 4 unaonyesha wazi kuwa ubora wa ABGS haukuwa wa kudumu katika mfumo mzima, bali ulionekana zaidi katika awamu ya mwisho iliyo na mkazo mkubwa zaidi.

Matokeo haya yanaonyesha kupungua kwa mkusanyiko wa SMX katika maji yanayotoka; lakini hayathibitishi kuwa uondoaji wote ulitokana na uharibifu wa kibayolojia. Utafiti haukukadiria kwa kujitegemea mchango wa kufungamana na EPS, kuhifadhiwa ndani ya chembechembe na mabadiliko ya kibayolojia.

SMX ilibadilika kuwa bidhaa gani?

Uchambuzi wa LC-MS ulitambua bidhaa 12 za mabadiliko zilizoitwa P2–P13 pamoja na molekuli kuu ya SMX. Miundo iliyoonyeshwa katika Kielelezo 4 ilielezwa kwa mpango wa mabadiliko wa hatua tatu:

1. Mabadiliko ya awali ya kimuundo: P2–P5 zilitokana na hidroxilesheni ya aromatiki, oksidesheni ya kundi la amino na mabadiliko katika pete ya isoxazole. Katika hatua hii, sehemu kubwa ya muundo wa sulfonamide ilihifadhiwa.
2. Kuvunjika kwa kifungo: Kuvunjika kwa kifungo cha sulfonamide kulizalisha bidhaa ndogo zaidi za pete moja P6–P9.
3. Mabadiliko ya kina: Miundo ilibadilika kuwa vichangamano vidogo zaidi vya isoxazole na bidhaa za uzito mdogo wa molekuli P10–P13 zenye nitrojeni au salfa.

Matokeo ya sumu si majaribio ya moja kwa moja kwa viumbe hai, bali ni makadirio ya modeli ya Toxicity Estimation Software Tool (TEST). Katika modeli, molekuli kuu ya SMX ilionyesha sumu ya juu ya maendeleo; bidhaa P2–P5 zilibaki katika viwango vinavyofanana. Ubadilikaji wa kijeni uliokadiriwa kwa P6, P7 na P11 ulikuwa juu kuliko SMX kuu. Katika bidhaa nyingi za mabadiliko ya baadaye, sumu ya maendeleo na uwezo wa kujikusanya kibayolojia ulipungua.

Ugunduzi huu unaonyesha kwamba kupungua kwa mkusanyiko wa antibiotiki hakumaanishi kuwa bidhaa zote za kati zimekuwa salama mara moja. Katika hatua ya kati ya mabadiliko, baadhi ya viashiria vya hatari vinaweza kuongezeka kwa muda. Hata hivyo, utafiti haukuthibitisha makadirio ya sumu kwa viumbe hai na haukupima moja kwa moja kiwango cha mwisho cha mineralization.

Jumuiya ya vijidudu ilijipangaje upya?

Sampuli za metagenomiki zilikusanywa mwishoni mwa kila awamu kama A1–A4 kwa AGS na B1–B4 kwa ABGS. Katika awamu mbili za kwanza ambapo kaboni ilipunguzwa, viashiria vya utajiri na utofauti wa spishi viliongezeka katika reak­ta zote mbili. Katika Awamu III na IV, ambapo mzigo wa nitrojeni uliongezwa, utajiri na usawa wa jumuiya katika ABGS ulipungua kwa kiasi kikubwa, huku sehemu ya jamaa ya makundi machache yaliyotawala ikiongezeka.

Hali hii haikumaanisha kuwa mfumo ulipoteza kazi. Kinyume chake, badala ya kudumisha jumuiya pana na iliyogawanyika kwa usawa, ABGS iliunda jumuiya iliyoungana zaidi kupitia uteuzi wa vijidudu mahususi vinavyoweza kufanya kazi chini ya msongo.

Katika Kielelezo 5, phyla kuu za mifumo yote miwili ni Pseudomonadota, Actinomycetota na Bacteroidota; makundi haya yalichangia takriban %70–90 ya usomaji wote wa metagenomu. Pseudomonadota katika AGS ilibaki karibu %38–40 katika awamu tatu za kwanza, kisha ikapungua hadi %28,59 katika Awamu IV. Katika ABGS, kwa upande mwingine, iliongezeka hatua kwa hatua hadi %39,14. Wingi wa juu zaidi wa Actinomycetota katika ABGS uliripotiwa kuwa %46,06.

Jenasi Micropruina na Propionibacterium zilipatikana katika %8,81–11,53 katika ABGS na %5,71–8,87 katika AGS. Hydrogenophaga, inayohusishwa na mabadiliko ya SMX na denitrifikasheni ya aerobiki, ilipungua kutoka %14,59 hadi %0,23 katika AGS, lakini ilihifadhiwa kwa uthabiti zaidi katika ABGS. Thauera, inayohusishwa na denitrifikasheni, ilipungua katika reak­ta zote mbili, lakini kupungua kulikuwa kidogo zaidi katika ABGS.

Katika grafu ya multidimensional scaling isiyo ya kipimo (NMDS) katika kiwango cha spishi, sampuli za ABGS zilikusanyika kwa karibu zaidi, huku sampuli za AGS zikiwa zimetawanyika zaidi. Uchambuzi wa PERMANOVA ulionyesha tofauti yenye maana kati ya jumuiya: R² = 0,37 na p = 0,027. Thamani ya stress ya NMDS ya 0,020 inaashiria kwamba uwakilishi wa pande mbili unaonyesha vizuri umbali kati ya jumuiya.

Jeni za metaboli zilionyesha njia gani za kuzoea?

Uainishaji wa KEGG na COG ulionyesha kuwa katika mifumo yote miwili sehemu kubwa ya jeni ilikuwa katika kategoria ya metaboli. Metaboli ya wanga, metaboli ya amino asidi, metaboli ya nishati, uundaji wa utando na ukuta wa seli pamoja na uhamishaji wa ishara zilikuwa miongoni mwa kazi kuu. Uwakilishi wa juu zaidi wa kategoria zinazohusiana na uhamishaji wa ishara na biogenesis ya gamba la seli katika sampuli za awamu za mwisho za ABGS ulitafsiriwa kama kuendelea kwa udhibiti wa seli na majibu ya ulinzi.

Kati ya Awamu I–II ambako kaboni ilipunguzwa, jeni hao inayohusishwa na hatua moja ya oksidesheni ya amonia iliongezeka %114 katika AGS; jeni za denitrifikasheni kama nirK, nirS, norB, norC na nosZ zilipungua %5–26. Jeni manA, galU, glmM, glmU na gmd zinazohusishwa na usanisi wa vitangulizi vya polisakaridi pia zilipungua %3–12. Mgawanyo huu unaashiria kwamba wakati kaboni yenye ukomo ilielekezwa katika matengenezo ya seli na nitrifikasheni, denitrifikasheni na usanisi wa EPS vilizuiwa.

Katika ABGS, ongezeko la hao lilikuwa dogo zaidi kwa %72; wingi wa jamaa wa kimeng’enya EC 7.2.2.19 kinachohusishwa na uundaji wa ATP uliongezeka zaidi ya mara kumi na moja. Matokeo haya yanaonyesha kwamba uwezo wa kuhifadhi nishati ulipangwa upya wakati wa shinikizo la kaboni. Hata hivyo, wingi wa jeni si kipimo cha moja kwa moja cha shughuli ya kimeng’enya au mtiririko halisi wa kimetaboli.

Kati ya Awamu III–IV, ambapo mzigo wa nitrojeni uliongezeka, jeni nirB na nirD katika AGS ziliongezeka kwa zaidi ya %53 na norB kwa %37. rmd inayohusishwa na EPS ilipungua takriban %47, huku baadhi ya vimeng’enya vya metaboli ya fosforasi na nishati vikiongezeka %46–60. Katika ABGS, nirS, norB na nosZ ziliongezeka takriban %90, %48 na %14 mtawalia. Ongezeko hili la pamoja linaendana na uhifadhi wa uwiano bora zaidi katika mnyororo wa denitrifikasheni kutoka nitriti hadi gesi ya nitrojeni.

Je, jeni za usugu wa antibiotiki zilipungua?

Hapana. Uondoaji mkubwa zaidi wa SMX katika ABGS haukusababisha kupungua kwa jeni zote za usugu wa antibiotiki. Katika Kielelezo 8, muundo wa madaraja mapana ya ARG ulisalia kwa kiasi kikubwa thabiti katika awamu zote. Jeni za usugu wa dawa nyingi zilichangia %32,0–34,6 ya profaili ya ARG, na jeni za usugu wa peptidi %14,2–15,4.

Tofauti kuu ilionekana katika jeni binafsi za usugu wa sulfonamide. Katika ABGS, wingi wa jamaa wa sul1 uliongezeka mara nne kutoka Awamu I hadi Awamu IV. Katika AGS, sul1 ilifikia mara 4,2 ya thamani yake ya awali katika Awamu III, kisha ikapungua %23,7 katika Awamu IV. Katika awamu ya mwisho, wingi wa sul1 katika ABGS ulikuwa %98,6 juu kuliko AGS, kwa maneno mengine karibu mara mbili.

Kwa upande mwingine, sul2 na sul3 zilikuwa chini katika ABGS kuliko AGS kwa %18,7 na %45,6 mtawalia. Matokeo haya yanaonyesha kwamba mfumo wa mwani-bakteria haukandamizi jeni za usugu wa sulfonamide kwa ujumla; wabebaji na miundo ya kijeni yenye jeni tofauti za usugu huchaguliwa kwa namna tofauti.

Muundo wa jumla wa madaraja ya vipengele vya kijeni vinavyohamishika (mobile genetic element, MGE) ulibadilika kwa kiasi kidogo. Transposases zilichangia %68,0–70,7 ya profaili ya MGE, recombinases %19,3–21,6 na integrases %8,5–9,6. Kwa upande mwingine, kiashiria cha integron ya daraja la 1 intI1 kilikuwa kigezo nyeti zaidi.

Katika AGS, intI1 iliongezeka mara 3,5 kutoka Awamu II hadi Awamu III na ikapungua %57,4 katika Awamu IV. Katika ABGS, iliongezeka mara 4,2 kati ya Awamu II na Awamu IV na ilikuwa %25,8 juu kuliko AGS katika awamu ya mwisho. Kuonekana kwa ongezeko la intI1 na sul1 kwa pamoja katika ABGS kunaashiria muundo wa usugu unaohusishwa na integron. Hata hivyo, data za wingi wa jamaa za metagenomiki hazithibitishi moja kwa moja kwamba jeni hizi ziko kwenye kipande kimoja cha DNA au kwamba uhamisho mlalo wa jeni umetokea.

Uhusiano kati ya C/N, EPS na jeni za usugu ni upi?

Uchambuzi wa Mantel katika Kielelezo 9 ulionyesha kwamba uwiano wa C/N ulikuwa kigezo chenye uhusiano wenye maana wenye nguvu zaidi na muundo wa jumuiya ya bakteria. Kwa upande mwingine, hakuna uhusiano wa moja kwa moja wenye maana uliobainishwa kati ya C/N na matriksi ya ARG. Matokeo haya yanaendana na wazo kwamba uwiano wa virutubisho unaweza kuathiri jeni za usugu kwa njia isiyo ya moja kwa moja kwa kupanga upya kwanza jumuiya ya vijidudu.

TB-PN, kiasi cha protini ndani ya EPS iliyofungamana kwa nguvu, ilikuwa sehemu pekee ya EPS iliyoonyesha uhusiano wenye maana na tofauti za jumuiya ya bakteria pamoja na profaili za ARG. Hata hivyo, uhusiano huo hauthibitishi kwamba TB-PN husababisha uhamishaji wa jeni za usugu. Utafiti haukutenganisha uhamishaji wa jeni, mabadiliko ya wabebaji wa jeni za usugu, uhifadhi wa biomasi na mchango wa DNA ya nje ya seli.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• ABGS ilihifadhi biomasi zaidi kuliko AGS katika uwiano wa chini zaidi wa C/N na ilionyesha tabia bora ya kutulia.
• Katika Awamu IV, uondoaji wa nitrojeni jumla, fosforasi jumla na SMX katika ABGS ulikuwa juu kuliko AGS.
• Katika ABGS, nyenzo za nje ya seli zilikusanyika zaidi katika sehemu ya EPS iliyofungamana kwa nguvu na yenye polisakaridi nyingi.
• Jumuiya ya vijidudu ya ABGS ilielekea kwenye muundo ulioungana zaidi chini ya mzigo wa nitrojeni, ambapo makundi machache ya kiutendaji yenye ustahimilivu yalitawala.
• Utendaji wa kutibu na jeni za usugu wa antibiotiki hazikubadilika katika mwelekeo mmoja.
• sul1 na intI1 zilikuwa juu zaidi katika ABGS katika awamu ya mwisho, huku sul2 na sul3 zikiwa chini.

Matokeo ambayo utafiti haujathibitisha

• Haijathibitishwa kuwa ABGS itatoa utendaji sawa katika maji taka halisi ya manispaa, hospitali au sekta ya dawa.
• Haijaonyeshwa kuwa uondoaji mkubwa zaidi wa SMX unasababisha hatari ndogo ya usugu wa antibiotiki.
• Michango tofauti ya adsorption, kuhifadhiwa ndani ya chembechembe na uharibifu wa kibayolojia katika uondoaji wa SMX haijabainishwa.
• Haijaonyeshwa kuwa jeni intI1 na sul1 ziko kwenye muundo ule ule wa kijeni unaohamishika.
• Uhamisho mlalo wa jeni haukupimwa moja kwa moja.
• Sumu iliyokadiriwa kwa modeli ya TEST haikuthibitishwa kwa majaribio ya viumbe hai.
• Utendaji wa kiwango cha pilot au kamili, gharama za uendeshaji za muda mrefu na uthabiti wa msimu katika mazingira halisi haujaonyeshwa.

Nguvu na mapungufu ya utafiti ni yapi?

Nguvu ya utafiti ni kwamba haukutathmini tu ubora wa maji yanayotoka, bali pia muundo wa chembechembe, muundo wa EPS, bidhaa za mabadiliko ya SMX, sumu iliyokadiriwa, jumuiya ya vijidudu, jeni za kiutendaji, ARG na MGE katika ratiba ile ile ya majaribio. Kwa kuwa kupunguza kaboni na kuongeza nitrojeni kulitekelezwa katika awamu tofauti, utafiti ulionyesha kwamba kupungua sawa kwa namba kwa C/N kunaweza kusababisha athari tofauti za kiikolojia kupitia mabadiliko tofauti ya virutubisho.

Kizuizi kikuu ni kwamba jaribio lilifanyika katika reak­ta za maabara za lita 0,8 kwa kutumia maji taka sintetiki. Maandishi makuu yanaeleza reak­ta moja ya AGS na reak­ta moja ya ABGS kwa kila mfumo; marudio huru ya reak­ta hayajaripotiwa. Vipimo vinavyorudiwa kwa muda haviwezi kuchukua nafasi ya tathmini ya kutokuwa na uhakika inayotolewa na urudufishaji huru wa reak­ta.

Mkusanyiko wa SMX unaoingia ulihifadhiwa kuwa 1 mg·L⁻¹ katika jaribio lote. Maji taka halisi yenye antibiotiki mbalimbali pamoja, joto linalobadilika, mwanga, pH, chumvi na vitu vizuizi havikujaribiwa. Umri wa tope haukudhibitiwa. Zaidi ya hayo, mzunguko wa kina wa reak­ta, elementi za ufuatiliaji, mbinu za uchambuzi na vigezo vya bioinformatics vilielekezwa kwenye mafaili ya ziada; nyongeza hizo hazikuwepo katika toleo lililopakiwa.

Wakati tafiti za awali zilipendekeza kwamba ABGS inaweza kuwa na faida katika uondoaji wa antibiotiki chini ya hali thabiti, utafiti huu umechunguza iwapo faida hiyo inaweza kudumishwa kwa kiasi fulani chini ya kutokuwepo kwa uwiano wa virutubisho. Mchango wake wa sasa ni kuonyesha kwamba ufanisi wa kutibu na tabia ya jeni za usugu zinapaswa kufuatiliwa pamoja. Mahitaji muhimu ya baadaye ni maji taka halisi, kiwango cha pilot, marudio huru ya reak­ta, idadi kamili ya nakala za jeni, ulinganishaji wa jeni na mwenyeji na vipimo vya moja kwa moja vya uhamisho mlalo.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muundo wa majaribio

Reakta na biomasi ya mwanzo

• Reakta mbili sambamba za silinda za photo-sequencing batch zilitumika.
• Ujazo halisi wa kila reak­ta ulikuwa 0,8 L, kipenyo 6,5 cm na urefu 32,0 cm.
• Reakta moja iliendeshwa kwa AGS na nyingine kwa ABGS.
• Uwiano wa kubadilisha ujazo ulikuwa %50, muda wa kuhifadhi maji 12 saa na muda wa mzunguko 6 saa.
• Umri wa tope haukudhibitiwa.
• Mwangaza ulitolewa kwa taa za LED kwa mpangilio wa saa 12 za mwanga na saa 12 za giza.
• SMX iliongezwa kwenye maji yanayoingia katika mkusanyiko wa 1 mg·L⁻¹ katika jaribio lote.
• Kwa ABGS, Chlorella vulgaris FACHB-31 na AGS iliyokomaa zilichanganywa kwa uwiano wa 1:25 kwa msingi wa uzito mkavu.
• Utamaduni wa mikroalgae ulitumika katika msongamano wa 7 × 10⁶ seli·mL⁻¹.
• Thamani ya mwanzo ya MLSS ilitolewa kuwa 4.610 mg·L⁻¹ na SVI₅ 57 mL·g⁻¹.

Mbinu za vipimo na uchambuzi

Sampuli za metagenomiki zilichukuliwa mwishoni mwa kila awamu, zikagandishwa haraka katika nitrojeni kioevu na kuhifadhiwa katika −80 °C hadi uchimbaji wa DNA. DNA ilitolewa kwa E.Z.N.A. Soil DNA Kit. Nambari ya uwasilishaji wa NCBI ya seti ya data ilitolewa kuwa SUB16238616.

Matokeo makuu ya namba

Maana ya kiufundi ya matokeo

Faida kuu ya ABGS si kwamba ilitoa uondoaji wa juu kila wakati katika kipindi chote cha uendeshaji. Faida ilijitokeza hasa katika awamu ya mwisho yenye kaboni ya chini, mzigo wa juu wa nitrojeni na mfiduo wa muda mrefu wa antibiotiki. Kuelekezwa kwa matriksi ya chembechembe kwenye sehemu iliyofungamana kwa nguvu na yenye polisakaridi nyingi, kuhifadhiwa kwa baadhi ya jeni za denitrifikasheni na uteuzi wa taksa zinazostahimili msongo vilionekana sambamba na kurejea kwa kazi.

Hata hivyo, profaili ya usugu ya mfumo si ya mwelekeo mmoja. sul2 na sul3 ziko chini katika ABGS, huku sul1 na intI1 zikiwa juu. Kwa hiyo, katika kutathmini mifumo ya matibabu ya kibayolojia kama ABGS, si mkusanyiko wa antibiotiki na vigezo vya kawaida vya ubora wa maji pekee vinavyopaswa kufuatiliwa, bali pia viashiria vya usugu katika kiwango cha jeni.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili asilia la utafiti:Unraveling the Functional Stability and Resistance-Gene Dynamics of Algal-Bacterial Granular Sludge in Treating Antibiotic-Containing Wastewater under Stepwise C/N Reduction

Waandishi na mpangilio wao: Peiyuan Zhang; Ting Zhang; Jan Baeyens; Wei Xiong; Gang Xiao; Haijia Su.

Taarifa ya waandishi wenza wa kwanza: Utafiti hauna taarifa ya mchango sawa au uandishi wa kwanza wa pamoja.

Waandishi wa mawasiliano: Wei Xiong, Gang Xiao na Haijia Su.

Taasisi:

1. State Key Laboratory of Green Biomanufacturing; Beijing Key Laboratory of Green Chemicals Biomanufacturing; College of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, China.
2. Engineering Laboratory of Low-Carbon Unconventional Water Resources Utilization and Water Quality Assurance; College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin, China.
3. Department of Chemical Engineering, KU Leuven, Sint-Katelijne-Waver, Belgium.

DOI: 10.2139/ssrn.7201925. Taarifa ya DOI haijaandikwa kwenye ukurasa wa kichwa wa maandishi yaliyopakiwa, bali ipo kwenye rekodi rasmi ya SSRN.

Jarida: Jina la jarida lililopitiwa na rika au toleo la jarida lililokubaliwa halijathibitishwa kupitia utafiti huu.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mwendeshaji wa jukwaa: Elsevier Inc.

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Aina ya chanzo na hali ya mapitio: Utafiti huu ni preprint ya majaribio ambayo haijapitia mapitio ya rika. Matokeo yanapaswa kutathminiwa kwa kuzingatia kizuizi hiki.

Kiungo rasmi cha chanzo:https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=7201925

Michango ya waandishi: Peiyuan Zhang alihusika na upangaji wa data, mbinu, programu, rasimu ya kwanza na uonyeshaji; Ting Zhang mbinu na programu; Jan Baeyens programu na ushauri; Wei Xiong mbinu na rasimu ya kwanza; Gang Xiao dhana, rasilimali, mapitio-uhariri, ushauri, usimamizi wa mradi na ufadhili; Haijia Su dhana, mapitio-uhariri, ushauri na ufadhili.

Maelezo haya ya Kiswahili yameandaliwa kwa kuchunguza maandishi ya utafiti yaliyopakiwa, Jedwali 1, muhtasari wa picha na matokeo ya majaribio katika Vielelezo 1–9. Hakuna matokeo mapya ya kisayansi kutoka nje ya utafiti yaliyoongezwa. Ukaguzi wa nje ulitumika tu kuthibitisha kichwa, DOI, jukwaa la uchapishaji na utambulisho wa uchapishaji.

Mapungufu makuu ya kimbinu ya utafiti ni matumizi ya maji taka sintetiki, kiwango cha maabara cha lita 0,8, kutotajwa kwa marudio huru ya reak­ta kwa kila mfumo, matumizi ya hali moja tu ya 1 mg·L⁻¹ SMX, kutodhibitiwa kwa umri wa tope, kutothibitishwa kwa modeli ya sumu iliyokadiriwa kwa jaribio la sumu la moja kwa moja na kutokuwepo kwa mafaili ya ziada ya mbinu katika toleo lililopakiwa. Wingi wa jamaa wa jeni katika metagenomiki hauwezi kuthibitisha moja kwa moja shughuli ya kimeng’enya, idadi kamili ya nakala za jeni, mahali pa jeni kwenye mbebaji mmoja au uhamisho mlalo wa jeni.