Ин таҳқиқот устувории функсионалии лойи гранулавии алга-бактериявиро (algal-bacterial granular sludge, ABGS) дар муқоиса бо лойи гранулавии анъанавии аэробӣ (aerobic granular sludge, AGS) ҳангоми тозакунии оби партови синтетикии дорои сулфаметоксазол дар шароити тағйирёбандаи ғизоӣ омӯхтааст. Ду реактори пайдарпайи даврии 0,8-литрӣ дар тӯли 120 рӯз ба 1 mg·L⁻¹ сулфаметоксазол дучор карда шуданд; таносуби талаботи кимиёвии оксиген/нитрогени умумии оби воридшаванда мутаносибан то 20, 15, 10 ва 8 паст карда шуд. Дар шароити пасттарин таносуб, яъне C/N = 8, ABGS биомассаи бештарро нигоҳ дошт ва дар хориҷ кардани нитрогени умумӣ, фосфори умумӣ ва сулфаметоксазол нисбат ба AGS натиҷаҳои баландтар дод. Бо вуҷуди ин, дар ABGS гени муқовимати sul1 ва нишондиҳандаи интегрони синфи 1 intI1 баландтар буданд. Аз ин рӯ, таҳқиқот нишон медиҳад, ки хориҷкунии бештари ифлоскунанда ба таври худкор маънои хатари экологии пасттар аз нигоҳи муқовимати антибиотикӣ надорад. Натиҷаҳо ба миқёси лабораторӣ ва оби партови синтетикӣ асос ёфта, ҳанӯз аз арзёбии ҳамтоён нагузаштаанд.

Арзёбӣ аз нигоҳи Туркия: Натиҷаҳо барои иншооти тозакунии Туркия, ки бо оби партови маишӣ, беморхонаҳо, ҷараёнҳои аз истеҳсоли доруҳо пайдошуда ва тағйироти мавсимии бори органикӣ рӯ ба рӯ мешаванд, равиши қобили таҳқиқро пешниҳод мекунанд. Аммо пеш аз қабули қарори амалӣ барои Туркия, низом бояд бо матритсаи воқеии оби партов, шароити маҳаллии ҳарорат ва рӯшноӣ, омехтаҳои тағйирёбандаи антибиотикҳо, консентратсияҳои пасттари экологии сулфаметоксазол ва реакторҳои миқёси пилотӣ тасдиқ карда шавад. Ин таҳқиқот самаранокии хориҷкунӣ, паҳншавии генҳои муқовимат, хароҷоти амалиётӣ ё мутобиқат ба меъёрҳои иншооти Туркияро мустақиман нишон намедиҳад.

Натиҷаи асосии таҳқиқот ин аст, ки ABGS махсусан дар шароити бори баланди нитроген ва карбони органикии кам метавонад сохтори гранула ва вазифаи тозакуниро нисбат ба AGS беҳтар нигоҳ дорад. Ин устуворӣ бо қабати зич пайвастаи моддаҳои полимерии берунҳуҷайравии аз полисахарид бой, нигоҳдории микроорганизмҳои муайяни функсионалӣ ва тағйироти фаровонии нисбии генҳои марбут ба денитрификатсия ва метаболизми энергия ҳамзамон мушоҳида шудааст. Дар баробари ин, генҳои муқовимат ба таври яксамта кам нашудаанд ва генҳои гуногуни sul тамоюлҳои аз ҳам фарқкунанда нишон додаанд.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Таҳқиқот мепурсад, ки оё низоми ABGS, ки дар он алгаҳо ва бактерияҳо дар як гранула якҷоя зиндагӣ мекунанд, ҳангоми тадриҷан паст шудани таносуби C/N-и оби воридшаванда зери фишори сулфаметоксазол метавонад иҷрои тозакунӣ ва сохтори грануларо нигоҳ дорад ё не. Саволи дуюми асосӣ ин аст, ки оё хориҷкунии устувортари ифлоскунанда бо интихоби камтари генҳои муқовимати антибиотикӣ ҳамроҳ мешавад ё не.

Сулфаметоксазол (SMX) дар таҳқиқот ҳамчун антибиотики моделӣ истифода шудааст. Муҳаққиқон танҳо камшавии SMX-ро дар оби баромад чен накардаанд; онҳо биомасса, таҳшиншавӣ, моддаҳои полимерии берунҳуҷайравӣ, маҳсулоти табдил, ҷомеаи микробӣ, генҳои метаболикӣ, генҳои муқовимати антибиотикӣ ва унсурҳои генетикии ҳаракаткунандаро якҷоя таҳлил кардаанд. Ин тарҳи бисёрқабата имкон дод, ки самаранокии тозакунӣ ва хатари муқовимати биологӣ як натиҷаи ягона нестанд.

Таносуби C/N чӣ гуна тағйир дода шуд?

Ифодаи C/N дар таҳқиқот таносуби амалиётии байни талаботи кимиёвии оксиген (COD) ва консентратсияи нитрогени умумӣ (TN)-и оби воридшавандаро нишон медиҳад. Мантиқи фазаҳоро бо муносибати асосии зерин шарҳ додан мумкин аст:

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

Дар ин ҷо C_COD консентратсияи COD-и оби воридшаванда ва C_TN консентратсияи нитрогени умумиро ифода мекунад. Азбаски ҳар ду арзиш бо mg·L⁻¹ истифода мешаванд, таносуб бебуъда аст. Ин муодила дар таҳқиқот ҳамчун модели ҷудогонаи математикӣ пешниҳод нашудааст, балки аз консентратсияҳои ҷадвал барои фаҳмидани шароити фазаҳо мустақиман ҳосил мешавад.

Гузариши аввал бо кам кардани манбаи карбон анҷом дода шуд. COD аз 1.500 mg·L⁻¹ то 1.125 ва сипас 1.000 mg·L⁻¹ паст карда шуд. Дар гузариши баъдӣ COD дар 1.000 mg·L⁻¹ нигоҳ дошта шуда, нитрогени умумӣ то 100 ва 125 mg·L⁻¹ зиёд карда шуд. Ҳамин тариқ, коҳиши ададии C/N ду фишори экологии гуногун ба вуҷуд овард: аввал маҳдудияти карбон, баъд афзоиши бори нитроген.

Лойи гранулавии алга-бактериявӣ чист?

ABGS сохтори биологии тозакунӣ мебошад, ки дар он микроалгаҳо ва бактерияҳо дар гранулаҳои зич ва таҳшиншаванда якҷоя ҷойгиранд. Дар таҳқиқот ҳамчун ҷузъи микроалга Chlorella vulgaris FACHB-31 истифода шудааст. Алгаҳо ва лойи гранулавии аэробии баркамол дар асоси вазни хушк бо таносуби 1:25 омехта шудаанд. Дар низоми муқоисавии AGS бошад, микроалга илова нашудааст.

Мувофиқи механизми пешниҳодкардаи муҳаққиқон, ҳамкории алга-бактериявӣ метавонад мутобиқшавии бактерияҳоро ба шароити тағйирёбандаи ғизоӣ тавассути истеҳсоли оксигени марбут ба фотосинтез, моддаҳои органикии аз алгаҳо ҳосилшуда, мубодилаи метаболитҳо байни ҳуҷайраҳо ва матритсаи гранула дастгирӣ кунад. Аммо таҳқиқот ҳар яке аз ин механизмҳоро бо таҷрибаҳои ҷудогона мустақиман чен накардааст. Аз ин рӯ, дастгирии фотосинтетикӣ ва саҳми карбони алгавӣ тафсирҳои механистие мебошанд, ки бо натиҷаҳои ченшуда мувофиқат мекунанд; онҳо набояд ҳамчун далели қатъии сабабият арзёбӣ шаванд.

Сохтори гранула ва устувории биомасса чӣ гуна тағйир ёфт?

Шакли 1 тағйироти моддаҳои сахти овезони омехтаи реактор (MLSS), таносуби моддаҳои сахти овезони бухоршаванда ва индекси ҳаҷми лойи панҷдақиқаӣ (SVI₅)-ро дар ду реактор дар тӯли 120 рӯз нишон медиҳад. MLSS биомассаи умумии дар реактор нигоҳдошташударо, SVI₅ бошад ҳаҷми лойро баъд аз панҷ дақиқаи таҳшиншавӣ ифода мекунад. SVI₅-и пасттар одатан ба гранулаҳои зичтар ва беҳтар таҳшиншаванда ишора мекунад.

Дар фазаи ибтидоӣ MLSS дар ҳар ду низом ба тақрибан 11 g·L⁻¹ наздик шуд ва SVI₅ аз тақрибан 80 mL·g⁻¹ то атрофи 40 mL·g⁻¹ паст гардид. Таносуби миёнаи MLVSS/MLSS-и ABGS дар Фазаи I %87,9 ва таносуби AGS %85,2 гузориш шудааст. Ин таносуб қисми бухоршавандаи моддаҳои сахти овезонро, ки аз ҷиҳати биологӣ фаъолтар ҳисобида мешавад, бо маҷмӯи моддаҳои сахт муқоиса мекунад.

Дар ду фазаи охир, ки бори нитроген баланд шуд, низомҳо аз ҳам ҷудо шуданд. Дар AGS MLSS то ҳадди ақали 7,31 g·L⁻¹ паст шуд ва SVI₅ то 50 mL·g⁻¹ боло рафт. Ин тағйирот бо талафи биомасса ва сохтори сусттари гранула мувофиқ аст. ABGS бошад доираи MLSS-и 9,8–11,7 g·L⁻¹ ва тақрибан 39 mL·g⁻¹ SVI₅-ро нигоҳ дошт. Дар хулосаи таҳқиқот барои шароити C/N = 8 биомассаи ABGS 10,75 ± 1,34 g·L⁻¹ ва арзиши SVI₅ 39,43 mL·g⁻¹ дода шудааст.

Миқдори хлорофилл-a дар ABGS дар Фазаи III то 2,57 mg·L⁻¹ паст шуда, таносуби хлорофилл-a/хлорофилл-b дар Фазаи IV ба ҳисоби миёна то 2,15 барқарор шуд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки микроалгаҳо ҳангоми стресс таркиби пигментҳоро тағйир додаанд; аммо тағйироти пигмент худ аз худ сабаби иҷрои беҳтари тозакунӣ буданро исбот намекунад.

Чаро моддаҳои полимерии берунҳуҷайравӣ муҳиманд?

Моддаҳои полимерии берунҳуҷайравӣ (extracellular polymeric substances, EPS) матритсае мебошанд, ки аз сафедаҳо ва полисахаридҳо таркиб ёфта, ҳуҷайраҳоро дар дохили гранула ба ҳам мепайванданд. Дар таҳқиқот EPS ба EPS-и суст пайвастшуда (LB-EPS) ва EPS-и зич пайвастшуда (TB-EPS) ҷудо карда шуда, дар ҳар бахш миқдори полисахарид (PS) ва сафеда (PN) чен шудааст.

Дар Фазаи II, ки карбон кам карда шуд, ҳам LB-EPS ва ҳам TB-EPS коҳиш ёфтанд; коҳиши шадидтарин дар LB-EPS, ки ба сатҳи гранула сусттар пайваст аст, мушоҳида шуд. Дар фазаи охир, ки бори нитроген баланд шуда, C/N то 8 паст карда шуд, миқдори умумии TB-EPS ба ҳам наздик буд: дар AGS 6,62 ва дар ABGS 6,29 mg·g⁻¹ VSS. Дар муқобил, LB-EPS дар ABGS 1,21 ва дар AGS 1,91 mg·g⁻¹ VSS буд.

Аз сабаби ин тақсимот таносуби TB-EPS/LB-EPS дар ABGS ба 5,19 ва дар AGS ба 3,47 расид. Полисахаридҳо %80,6-и қисми TB-EPS-и ABGS-ро ташкил карданд, дар ҳоле ки ин нишондиҳанда дар AGS %76,1 буд. Таносуби PS/PN дар маҷмӯи EPS низ дар ABGS 6,08 ва дар AGS 4,94 ҳисоб карда шуд. Аз ин рӯ, бартарии ABGS дар он нест, ки дар ҳар марҳила EPS-и умумиро бештар истеҳсол мекунад, балки дар он аст, ки маводи берунҳуҷайравӣ дар қисми аз полисахарид бой ва зич ба гранула пайвастшуда нигоҳ дошта мешавад.

Қаторҳои вақт дар Шакли 2 ин азнавтақсимшавиро нишон медиҳанд. Матритсаи зич пайвастшуда ва аз полисахарид бой метавонад сохтори ба гел монанд эҷод кунад, ки ҷудошавии ҳуҷайраҳоро аз гранула маҳдуд мекунад. Аммо таҳқиқот сохтори EPS-ро бо озмоиши механикии устуворӣ мустақиман пайваст накардааст; тафсири муҳофизати сохторӣ ба натиҷаҳои ҳамзамони EPS ва таҳшиншавӣ асос ёфтааст.

Дар таҳлили флуорессенсии матритсаи сеандозаи ангезиш-эмиссия, сигнали ба триптофан монанди Peak B аз Фазаи I то Фазаи II дар AGS аз 583,5 ба 942,5 ва дар ABGS аз 722,0 ба 1.145,0 афзуд. Дар шароити C/N = 10 ин сигнал дар ABGS 635,8 ва дар AGS 167,3 гузориш шудааст. Азбаски консентратсияи сафеда дар ABGS пайваста баландтар набуд, муҳаққиқон ин ҳолатро на ҳамчун зиёдшавии сафедаи умумӣ, балки ҳамчун тағйироти саҳми нисбии ҷузъҳои флуорессентии ба сафедаҳои ароматикӣ монанд тафсир карданд.

Хориҷкунии ифлоскунандаҳои асосӣ чӣ гуна тағйир ёфт?

Мувофиқи Шакли 3, ҳар ду низом дар тӯли 120 рӯз зиёда аз %94 хориҷкунии COD таъмин карданд ва дар ягон фаза байни реакторҳо фарқи маънодори хориҷкунии COD мушоҳида нашуд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки дар шароити C/N-и паст ҳар ду низом қисми зиёди бори органикии ба осонӣ хориҷшавандаро дур карда тавонистанд.

Дар Фазаҳои I ва II хориҷкунии нитрогени аммоний дар ҳар ду реактор ба ҳисоби миёна зиёда аз %97 боқӣ монд. Нитрити баромад аз 0,2 mg·L⁻¹ паст нигоҳ дошта шуд; дар айни замон, ҳангоми кам шудани карбон ҷамъшавии нитрат зиёд шуда, хориҷкунии нитрогени умумӣ коҳиш ёфт. Ин нишон медиҳад, ки оксидшавии аммоний то нитрат идома дошт, вале маҳдудияти карбон барқароршавии нитратро то гази нитроген маҳдуд кард.

Дар Фазаи III, ки бори нитроген бори аввал баланд шуд, дар нитрификатсия ва хориҷкунии умумии ғизоии ҳар ду низом ноустуворӣ ба вуҷуд омад. Пас аз мутобиқшавии дарозмуддат, дар Фазаи IV хориҷкунии миёнаи нитрогени аммоний дар ABGS ба %98,85, хориҷкунии нитрогени умумӣ ба %63,04 ва хориҷкунии фосфори умумӣ ба %59,13 расид. Хориҷкунии нитрогени умумӣ ва фосфори умумӣ аз натиҷаҳои AGS дар ҳамон фаза ба таври маънодор баландтар буд (p < 0,01).

Дар шароити C/N = 8 хориҷкунии нитрогени умумӣ, фосфори умумӣ ва SMX дар ABGS нисбат ба AGS мутаносибан 13,89, 35,50 ва 22,69 банди фоизӣ баландтар гузориш шудааст. Ин муқоиса маънои онро надорад, ки ABGS дар ҳамаи C/N-и миёна ва баланд пайваста бартарӣ дорад; он нишон медиҳад, ки махсусан дар шароити карбони паст/нитрогени баланд ва фишори дарозмуддати антибиотикӣ беҳтар барқарор мешавад.

Хориҷкунии сулфаметоксазол чиро нишон дод?

Хориҷкунии SMX дар оғоз паст буд. Дар ченкуниҳои аввал AGS %13,87 ва ABGS %12,31 хориҷкуниро нишон доданд, дар охири Фазаи I арзишҳо мутаносибан то %37,96 ва %40,44 афзуданд. Дар охири Фазаи II AGS ба %53,98 ва ABGS ба %57,37 расид. Муҳаққиқон ин афзоиши тадриҷиро бо мутобиқшавии ҷомеаҳои иштирокчии табдили SMX дар тӯли вақт алоқаманд карданд.

Дар Фазаи III баландтарин хориҷкунии SMX дар AGS %93,72 ва дар ABGS %92,72 чен карда шуд. Дар Фазаи IV бори баланди давомдори нитроген ва C/N-и паст ба ҳар ду низом таъсири манфӣ расонд; аммо ABGS хориҷкунии %66,78-ро нигоҳ дошт, дар ҳоле ки AGS то %44,09 поин рафт. Қатори вақт дар Шакли 4 ба таври равшан нишон медиҳад, ки бартарии ABGS дар тамоми таҷриба доимӣ набуд ва дар фазаи охирини сахттарин равшантар гардид.

Ин натиҷаҳо коҳиши консентратсияи SMX-ро дар оби баромад нишон медиҳанд; аммо исбот намекунанд, ки тамоми хориҷкунӣ аз таҷзияи биологӣ сарчашма мегирад. Таҳқиқот саҳмҳои нисбии пайвастшавӣ ба EPS, нигоҳдорӣ дар дохили гранула ва табдили биологиро ҷудогона миқдорӣ накардааст.

SMX ба кадом маҳсулот табдил ёфт?

Таҳлили LC-MS берун аз молекулаи асосии SMX 12 маҳсулоти табдилро бо номҳои P2–P13 муайян кард. Сохторҳои дар Шакли 4 пешниҳодшуда бо нақшаи се марҳилагии табдил шарҳ дода шуданд:

1. Тағйироти аввалияи сохторӣ: Дар натиҷаи гидроксилшавии ароматикӣ, оксидшавии гурӯҳи аминӣ ва тағйирот дар ҳалқаи изоксазол P2–P5 ба вуҷуд омаданд. Дар ин марҳила қисми зиёди сохтори сулфонамид нигоҳ дошта шуд.
2. Шикастани пайванд: Бо канда шудани пайванди сулфонамид маҳсулоти хурдтар ва якҳалқаи P6–P9 пайдо шуданд.
3. Табдили амиқ: Сохторҳо ба ҳосилаҳои хурдтари изоксазол ва маҳсулоти пастмолекулавии P10–P13, ки нитроген ё сулфур доранд, табдил ёфтанд.

Натиҷаҳои токсикӣ озмоиши таҷрибавии организмҳои зинда нестанд, балки пешгӯиҳои модели Toxicity Estimation Software Tool (TEST) мебошанд. Дар модел молекулаи асосии SMX токсикии баланди рушдиро нишон дод; маҳсулоти P2–P5 дар сатҳҳои монанд боқӣ монданд. Мутагеннокии пешгӯишуда барои P6, P7 ва P11 аз SMX-и асосӣ баландтар буд. Дар аксари маҳсулоти табдили минбаъда токсикии рушдӣ ва потенсиали биоаккумулятсия кам шуд.

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки кам шудани консентратсияи антибиотик маънои онро надорад, ки ҳамаи маҳсулоти миёнарав фавран бехатартар шудаанд. Дар марҳилаи миёнаи табдил баъзе нишондиҳандаҳои хатар метавонанд муваққатан боло раванд. Аммо таҳқиқот натиҷаҳои токсикии пешгӯишударо бо организмҳои зинда тасдиқ накардааст ва дараҷаи ниҳоии минерализатсияро мустақиман чен накардааст.

Ҷомеаи микробӣ чӣ гуна аз нав сохта шуд?

Намунаҳои метагеномӣ дар охири ҳар фаза барои AGS ҳамчун A1–A4 ва барои ABGS ҳамчун B1–B4 ҷамъоварӣ шуданд. Дар ду фазаи аввал, ки карбон кам карда шуд, нишондиҳандаҳои ғановат ва гуногунии намудҳо дар ҳар ду реактор зиёд шуданд. Дар Фазаҳои III ва IV, ки бори нитроген баланд шуд, ғановат ва баробарии ҷомеа дар ABGS ба таври назаррас коҳиш ёфта, саҳми нисбии чанд гурӯҳи ҳукмрон афзуд.

Ин маънои гум шудани вазифаи низомро надошт. Баръакс, ABGS ба ҷойи нигоҳ доштани ҷомеаи васеъ ва баробар тақсимшуда, тавассути интихоби микроорганизмҳои муайяне, ки дар шароити стресс фаъолият карда метавонанд, ҷомеаи ҳамгунтар ба вуҷуд овард.

Дар Шакли 5 филумҳои асосии ҳар ду низом Pseudomonadota, Actinomycetota ва Bacteroidota мебошанд; ин гурӯҳҳо тақрибан %70–90-и ҳамаи хондашавиҳои метагеномиро ташкил доданд. Pseudomonadota дар AGS дар се фазаи аввал дар сатҳи тақрибан %38–40 боқӣ монда, дар Фазаи IV то %28,59 коҳиш ёфт. Дар ABGS бошад тадриҷан афзуда, то %39,14 расид. Баландтарин фаровонии Actinomycetota дар ABGS %46,06 гузориш шудааст.

Ҷинсҳои Micropruina ва Propionibacterium дар ABGS дар ҳудуди %8,81–11,53 ва дар AGS дар ҳудуди %5,71–8,87 буданд. Hydrogenophaga, ки бо табдили SMX ва денитрификатсияи аэробӣ алоқаманд аст, дар AGS аз %14,59 то %0,23 коҳиш ёфт, дар ҳоле ки дар ABGS устувортар нигоҳ дошта шуд. Thauera, ки бо денитрификатсия алоқаманд аст, дар ҳар ду реактор кам шуд, аммо коҳиш дар ABGS маҳдудтар буд.

Дар графики миқёсгузории бисёрбуъдаи ғайриметрӣ (NMDS) дар сатҳи намуд намунаҳои ABGS зичтар ва намунаҳои AGS парокандатар гурӯҳбандӣ шуданд. Таҳлили PERMANOVA байни ҷомеаҳо фарқи маънодор нишон дод: R² = 0,37 ва p = 0,027. Арзиши стресси NMDS-и 0,020 нишон медиҳад, ки тасвири дученака фосилаҳои ҷомеаҳоро хуб ифода мекунад.

Генҳои метаболикӣ ба кадом механизмҳои мутобиқшавӣ ишора карданд?

Таснифоти KEGG ва COG нишон доданд, ки дар ҳар ду низом қисми зиёди генҳо ба категорияи метаболизм тааллуқ доранд. Метаболизми карбогидратҳо, метаболизми аминокислотаҳо, метаболизми энергия, ташаккули мембрана ва девори ҳуҷайра ва интиқоли сигнал аз вазифаҳои асосӣ буданд. Дар намунаҳои фазаҳои охири ABGS намояндагии баландтари категорияҳои марбут ба интиқоли сигнал ва биогенези пӯсти ҳуҷайра ҳамчун нигоҳдории танзими ҳуҷайравӣ ва ҷавобҳои муҳофизатӣ тафсир шудааст.

Байни Фазаҳои I–II, ки карбон кам шуд, дар AGS гени hao, ки бо як марҳилаи оксидшавии аммиак алоқаманд аст, %114 афзуд; генҳои денитрификатсия, аз ҷумла nirK, nirS, norB, norC ва nosZ, %5–26 коҳиш ёфтанд. Генҳои manA, galU, glmM, glmU ва gmd, ки бо синтези пешгузаштаҳои полисахарид алоқаманданд, низ %3–12 кам шуданд. Ин тақсимот нишон медиҳад, ки ҳангоми равона шудани карбони маҳдуд ба нигоҳдории ҳуҷайра ва нитрификатсия, денитрификатсия ва синтези EPS маҳдуд шудаанд.

Дар ABGS афзоиши hao бо %72 маҳдудтар буд; фаровонии нисбии ферменти EC 7.2.2.19, ки бо ҳосилшавии ATP алоқаманд аст, зиёда аз ёздаҳ маротиба афзуд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки қобилияти нигоҳдории энергия ҳангоми фишори карбон аз нав ташкил шудааст. Аммо фаровонии ген ченаки мустақими фаъолияти фермент ё ҷараёни воқеии метаболикӣ нест.

Байни Фазаҳои III–IV, ки бори нитроген баланд шуд, дар AGS генҳои nirB ва nirD зиёда аз %53 ва norB %37 афзуданд. rmd, ки бо EPS алоқаманд аст, тақрибан %47 коҳиш ёфт, дар ҳоле ки баъзе ферментҳои метаболизми фосфор ва энергия %46–60 зиёд шуданд. Дар ABGS бошад nirS, norB ва nosZ мутаносибан тақрибан %90, %48 ва %14 афзуданд. Ин афзоиши ҳамзамон бо нигоҳдории мутавозинтари занҷири денитрификатсия аз нитрит то гази нитроген мувофиқат мекунад.

Оё генҳои муқовимати антибиотикӣ кам шуданд?

Не. Хориҷкунии баландтари SMX дар ABGS боиси кам шудани ҳамаи генҳои муқовимати антибиотикӣ нашуд. Дар Шакли 8 таркиби синфҳои васеи ARG дар тамоми фазаҳо нисбатан устувор боқӣ монд. Генҳои муқовимати бисёрдоруӣ %32,0–34,6-и профили умумии ARG ва генҳои муқовимати пептидӣ %14,2–15,4-ро ташкил карданд.

Фарқи асосӣ дар генҳои ҷудогонаи муқовимати сулфонамид мушоҳида шуд. Дар ABGS фаровонии нисбии sul1 аз Фазаи I то Фазаи IV чор маротиба афзуд. Дар AGS sul1 дар Фазаи III ба 4,2 маротибаи арзиши ибтидоӣ расид ва дар Фазаи IV %23,7 коҳиш ёфт. Дар фазаи охир фаровонии sul1 дар ABGS аз AGS %98,6 баландтар, яъне тақрибан ду баробар буд.

Дар муқобил, sul2 ва sul3 дар ABGS нисбат ба AGS мутаносибан %18,7 ва %45,6 пасттар буданд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки низоми алга-бактериявӣ генҳои муқовимати сулфонамидро якҷоя пахш намекунад; соҳибон ва сохторҳои генетикии генҳои гуногуни муқовимат ба таври гуногун интихоб мешаванд.

Таркиби умумии синфҳои унсурҳои генетикии ҳаракаткунанда (mobile genetic element, MGE) танҳо каме тағйир ёфт. Транспозазаҳо %68,0–70,7-и профили MGE, рекомбиназаҳо %19,3–21,6 ва интегразаҳо %8,5–9,6-ро ташкил карданд. Дар муқобил, нишондиҳандаи интегрони синфи 1 intI1 тағйирёбандаи ҳассостар буд.

Дар AGS intI1 аз Фазаи II то Фазаи III 3,5 маротиба афзуд ва дар Фазаи IV %57,4 коҳиш ёфт. Дар ABGS байни Фазаи II ва Фазаи IV 4,2 маротиба афзуд ва дар фазаи охир аз AGS %25,8 баландтар буд. Афзоиши ҳамзамони intI1 ва sul1 дар ABGS ба намунаи муқовимати марбут ба интегронҳо ишора мекунад. Аммо маълумоти фаровонии нисбии метагеномӣ мустақиман исбот намекунад, ки ин генҳо дар як порчаи DNA ҷойгиранд ё интиқоли уфуқии ген рух додааст.

Муносибатҳои байни C/N, EPS ва генҳои муқовимат чӣ гунаанд?

Таҳлили Mantel дар Шакли 9 нишон дод, ки таносуби C/N тағйирёбандаест, ки бо таркиби ҷомеаи бактериявӣ қавитарин робитаи маънодор дорад. Дар муқобил, байни C/N ва матритсаи ARG робитаи мустақими маънодор муайян нашуд. Ин натиҷа бо андеша мувофиқ аст, ки таносуби ғизоӣ метавонад ба генҳои муқовимат бештар ба таври ғайримустақим, тавассути азнавсозии аввалияи ҷомеаи микробӣ, таъсир расонад.

TB-PN, яъне миқдори сафеда дар EPS-и зич пайвастшуда, ягона бахши EPS буд, ки ҳам бо фарқиятҳои ҷомеаи бактериявӣ ва ҳам бо профилҳои ARG робитаи маънодор нишон дод. Аммо коррелятсия исбот намекунад, ки TB-PN сабаби интиқоли генҳои муқовимат аст. Дар таҳқиқот интиқоли ген, тағйироти соҳибони генҳои муқовимат, нигоҳдории биомасса ва саҳми DNA-и берунҳуҷайравӣ аз ҳам ҷудо карда нашудаанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• ABGS дар пасттарин таносуби C/N нисбат ба AGS биомассаи бештарро нигоҳ дошт ва хусусияти беҳтари таҳшиншавӣ нишон дод.
• Дар Фазаи IV хориҷкунии нитрогени умумӣ, фосфори умумӣ ва SMX дар ABGS аз AGS баландтар буд.
• Дар ABGS маводи берунҳуҷайравӣ бештар дар қисми зич пайвастшудаи EPS-и аз полисахарид бой мутамарказ шуд.
• Ҷомеаи микробии ABGS зери бори нитроген ба сохтори ҳамгунтаре гузашт, ки дар он чанд гурӯҳи функсионалии таҳаммулпазир ҳукмрон шуданд.
• Иҷрои тозакунӣ ва генҳои муқовимати антибиотикӣ дар як самт тағйир наёфтанд.
• sul1 ва intI1 дар фазаи охир дар ABGS баландтар, sul2 ва sul3 пасттар буданд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот исбот намекунад

• Исбот нашудааст, ки ABGS дар оби партови воқеии коммуналӣ, беморхона ё саноати дорусозӣ ҳамон иҷроишро медиҳад.
• Нишон дода нашудааст, ки хориҷкунии баландтари SMX хатари муқовимати антибиотикиро кам мекунад.
• Саҳмҳои ҷудогонаи адсорбсия, нигоҳдорӣ дар гранула ва таҷзияи биологӣ дар хориҷкунии SMX муайян нашудаанд.
• Нишон дода нашудааст, ки генҳои intI1 ва sul1 дар як сохтори генетикии ҳаракаткунанда ҷойгиранд.
• Интиқоли уфуқии ген мустақиман чен нашудааст.
• Токсикии аз модели TEST пешгӯишуда бо озмоишҳои организмҳои зинда тасдиқ нашудааст.
• Муваффақияти миқёси пилотӣ ё пурра, хароҷоти дарозмуддати амалиётӣ ва устувории мавсимии саҳроӣ нишон дода нашудаанд.

Нуқтаҳои қавӣ ва маҳдудиятҳои таҳқиқот кадомҳоянд?

Нуқтаи қавии таҳқиқот ин аст, ки он на танҳо сифати оби баромад, балки сохтори гранула, таркиби EPS, маҳсулоти табдили SMX, токсикии пешгӯишуда, ҷомеаи микробӣ, генҳои функсионалӣ, ARG ва MGE-ҳоро дар як хатти вақти таҷрибавӣ арзёбӣ кардааст. Азбаски кам кардани карбон ва зиёд кардани нитроген дар фазаҳои ҷудогона татбиқ шуданд, нишон дода шуд, ки ҳамон коҳиши ададии C/N метавонад тавассути тағйироти гуногуни ғизоӣ таъсирҳои экологии гуногун ба вуҷуд орад.

Маҳдудияти асосӣ он аст, ки таҷриба дар реакторҳои лаборатории 0,8-литрӣ бо оби партови синтетикӣ гузаронида шудааст. Матни асосӣ барои ҳар низом як реактори AGS ва як реактори ABGS-ро тавсиф мекунад; такрорҳои мустақили реакторҳо гузориш нашудаанд. Ченкуниҳои такрорӣ дар вақт ҷойи арзёбии номуайяниро, ки репликатсияи мустақили реакторҳо медиҳад, гирифта наметавонанд.

Консентратсияи воридшавии SMX дар тамоми таҷриба дар 1 mg·L⁻¹ доимӣ нигоҳ дошта шуд. Оби партови воқеӣ бо омехтаи антибиотикҳои гуногун, ҳарорат, рӯшноӣ, pH, шӯрӣ ва моддаҳои ингибиторӣ санҷида нашуд. Синни лой назорат карда нашуд. Илова бар ин, даври муфассали реактор, микроэлементҳо, усулҳои таҳлилӣ ва параметрҳои биоинформатикӣ ба файлҳои иловагӣ ҳавола шудаанд; ин замимаҳо дар версияи боршуда мавҷуд нестанд.

Дар ҳоле ки таҳқиқоти пешина пешниҳод мекарданд, ки ABGS дар шароити собит метавонад дар хориҷкунии антибиотикҳо бартарӣ дошта бошад, ин таҳқиқот санҷид, ки оё ин бартарӣ дар шароити номувозинии ғизоӣ низ то андозае нигоҳ дошта мешавад. Саҳми имрӯзаи он нишон додани зарурати ҳамзамон назорат кардани самаранокии тозакунӣ ва рафтори генҳои муқовимат аст. Талаботи асосии оянда бошад оби партови воқеӣ, миқёси пилотӣ, такрорҳои мустақили реактор, шумораи мутлақи нусхаҳои ген, мутобиқсозии ген-соҳиб ва ченкунии мустақими интиқоли уфуқӣ мебошанд.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Тарҳи таҷрибавӣ

Реакторҳо ва биомассаи ибтидоӣ

• Ду реактори параллели силиндрии фото-пайдарпайи даврӣ истифода шуданд.
• Ҳаҷми самараноки ҳар реактор 0,8 L, диаметраш 6,5 cm ва баландияш 32,0 cm аст.
• Яке аз реакторҳо барои AGS ва дигаре барои ABGS истифода шуд.
• Таносуби ивазшавии ҳаҷм %50, вақти нигоҳдории гидравликӣ 12 соат ва вақти давр 6 соат аст.
• Синни лой назорат карда нашуд.
• Рӯшноӣ бо лампаҳои LED дар режими 12 соат равшанӣ ва 12 соат торикӣ таъмин шуд.
• SMX дар тамоми таҷриба ба оби воридшаванда бо консентратсияи 1 mg·L⁻¹ илова шуд.
• Барои ABGS Chlorella vulgaris FACHB-31 ва AGS-и баркамол дар асоси вазни хушк бо таносуби 1:25 омехта шуданд.
• Култураи микроалга бо зичии 7 × 10⁶ ҳуҷайра·mL⁻¹ истифода шуд.
• Арзиши ибтидоии MLSS 4.610 mg·L⁻¹ ва SVI₅ 57 mL·g⁻¹ дода шудааст.

Усулҳои ченкунӣ ва таҳлил

Намунаҳои метагеномӣ дар охири ҳар фаза гирифта шуда, зуд дар нитрогени моеъ ях карда шуданд ва то экстраксияи DNA дар −80 °C нигоҳ дошта шуданд. DNA бо E.Z.N.A. Soil DNA Kit ҷудо карда шуд. Рақами пешниҳоди NCBI барои маҷмӯи додаҳо SUB16238616 дода шудааст.

Натиҷаҳои асосии ададӣ

Маънои техникии натиҷаҳо

Бартарии асосии ABGS ин нест, ки дар тамоми давраи кор пайваста хориҷкунии баландтар таъмин кардааст. Бартарӣ махсусан дар фазаи охир, ки карбон паст, бори нитроген баланд ва таъсири антибиотик дарозмуддат буд, зоҳир шуд. Гузариши матритсаи гранула ба қисми зич пайвастшуда ва аз полисахарид бой, нигоҳдории баъзе генҳои денитрификатсия ва интихоби таксонҳои ба стресс тобовар бо барқароршавии функсионалӣ ҳамзамон мушоҳида шуданд.

Бо вуҷуди ин, профили муқовимати низом яксамта нест. Дар ҳоле ки sul2 ва sul3 дар ABGS пасттаранд, sul1 ва intI1 баландтаранд. Аз ин рӯ, ҳангоми арзёбии низомҳои биологии тозакунӣ мисли ABGS, бояд на танҳо консентратсияи антибиотик ва параметрҳои анъанавии сифати об, балки нишондиҳандаҳои муқовимат дар сатҳи ген низ назорат шаванд.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот:Unraveling the Functional Stability and Resistance-Gene Dynamics of Algal-Bacterial Granular Sludge in Treating Antibiotic-Containing Wastewater under Stepwise C/N Reduction

Муаллифон ва тартиби онҳо: Peiyuan Zhang; Ting Zhang; Jan Baeyens; Wei Xiong; Gang Xiao; Haijia Su.

Маълумоти муаллифи аввалини баробар: Дар таҳқиқот изҳороти саҳми баробар ё муаллифии аввалини баробар мавҷуд нест.

Муаллифони масъул: Wei Xiong, Gang Xiao ва Haijia Su.

Муассисаҳо:

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, Пекин, Чин.
2. Engineering Laboratory of Low-Carbon Unconventional Water Resources Utilization and Water Quality Assurance; College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin, Чин.
3. Department of Chemical Engineering, KU Leuven, Sint-Katelijne-Waver, Белгия.

DOI: 10.2139/ssrn.7201925. Маълумоти DOI дар саҳифаи унвони матни боршуда навишта нашудааст ва дар сабти расмии SSRN ҷой дорад.

Маҷалла: Аз рӯи ин таҳқиқот номи маҷаллаи ҳамтоёнӣ ё версияи қабулшудаи маҷалла тасдиқ нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN.

Оператори платформа: Elsevier Inc.

Соли нашр: 2026.

Навъи манбаъ ва вазъи ҳамтоёнӣ: Ин таҳқиқот preprint-и таҷрибавӣ аст ва аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст. Натиҷаҳо бояд бо дарназардошти ин маҳдудият арзёбӣ шаванд.

Пайванди расмии манбаъ:https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=7201925

Саҳми муаллифон: Peiyuan Zhang танзими додаҳо, методология, нармафзор, навиштани тарҳи аввал ва визуализатсия; Ting Zhang методология ва нармафзор; Jan Baeyens нармафзор ва машварат; Wei Xiong методология ва тарҳи аввал; Gang Xiao консептуализатсия, захираҳо, баррасӣ-таҳрир, машварат, идоракунии лоиҳа ва маблағгузорӣ; Haijia Su консептуализатсия, баррасӣ-таҳрир, машварат ва маблағгузориро ба уҳда доштаанд.

Ин шарҳи тоҷикӣ бо баррасии матни таҳқиқоти боршуда, Ҷадвали 1, хулосаи графикӣ ва натиҷаҳои таҷрибавии Шаклҳои 1–9 омода шудааст. Ягон натиҷаи илмии берун аз таҳқиқот илова нашудааст. Санҷиши беруна танҳо барои тасдиқи унвон, DOI, платформаи нашр ва шахсияти нашр истифода шудааст.

Маҳдудиятҳои асосии методологии таҳқиқот истифодаи оби партови синтетикӣ, миқёси лаборатории 0,8-литрӣ, зикр нашудани такрорҳои мустақили реактор барои ҳар низом, татбиқи танҳо шароити 1 mg·L⁻¹ SMX, назорат нашудани синни лой, тасдиқ нашудани модели токсикии пешгӯишуда бо озмоиши таҷрибавии токсикӣ ва мавҷуд набудани файлҳои иловагии усул дар версияи боршуда мебошанд. Фаровонии нисбии генҳои метагеномӣ фаъолияти фермент, шумораи мутлақи нусхаҳои ген, ҷойгиршавии генҳо дар як интиқолдиҳанда ё интиқоли уфуқии генро мустақиман исбот намекунад.