納米金屬及其氧化物對污水生物處理系統(tǒng)中微生物的影響

市政污水處理是現(xiàn)代城市不可或缺的重要一環(huán)，污水處理中的常見

方法有物理法、化學(xué)法、生物處理法。其中，生物處理法以其卓越的

經(jīng)濟性、高效性始終在污水處理中扮演著重要角色，同時其在無害化、

資源化方面也有無可比擬的優(yōu)越性。

污水處理中的生物處理法主要是利用微生物代謝反應(yīng)進(jìn)行的一種

水處理方法，廢水生物處理一般是多種細(xì)菌協(xié)同作用的結(jié)果。例如:

Candidantusaccumulibacter是污水處理系統(tǒng)中重要的除磷菌，承擔(dān)著

生物除磷的作用；Zoogloea菌屬被證實在生長過程中可以通過分泌含

有大量陰離子基團的胞外聚合物與某些重金屬離子形成絡(luò)合物，達(dá)到

通過吸附去除重金屬的目的；Bacteroidetes對含碳有機物有很好的降

解作用。

因此，微生物群落的豐度和多樣性使得污水中多數(shù)污染物都能夠被

去除。微生物主要通過自身代謝活動發(fā)揮作用，因此，微生物的活性

影響著生態(tài)系統(tǒng)的運行，對于以微生物為核心的污水生物處理系統(tǒng)的

運行效果至關(guān)重要。然而，微生物的生命活動在受到外界環(huán)境中不利

因素的影響時，正常的代謝活動容易被干擾，相應(yīng)的功能效用就會隨

之下降。

市政污水處理廠是污水進(jìn)入水體前的最后一道屏障，收納了生活廢

水、工業(yè)廢水等多種成分復(fù)雜的混合廢水，其中含有的有毒有害物質(zhì)

勢必會增加污水廠的處理負(fù)荷。如今，隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，納

米金屬及其氧化物應(yīng)用廣泛，AgNPs以其出色的抗菌作用被應(yīng)用在洗

衣機、食品包裝等生活用品中，ZnONPs在塑料添加劑和涂料中被大

量使用，而CeO2NPs則因其良好的儲氧釋氧性能被廣泛應(yīng)用于抗氧

化劑、燃油燃料等領(lǐng)域。納米金屬及其氧化物的大量使用增加了納米

材料在運輸與使用過程中進(jìn)入到自然水體以及污水處理廠的可能性，

進(jìn)而對微生物的生理生化特性以及微生物群落產(chǎn)生難以估計的影響。

目前，常見的納米金屬及其氧化物包括Ag、Ti02、Cu、ZnO、CuO、

AI2O3、CeO2等。截至2014年，每年全球約有8.3X106t的納米材料

通過擴散等行為釋放到環(huán)境中。雖然有報道指出含有AgNPs涂層的紡

織品洗出液中的Ag+濃度數(shù)量級約處于mg/L的水平，0.10mg/L又通

常在實驗室尺度下作為研究納米材料影響的目標(biāo)濃度，但是目前來說,

對于水環(huán)境中納米金屬及其氧化物濃度的精確測量依然是一個難題。

然而，隨著人工納米材料的廣泛應(yīng)用，納米金屬及其氧化物在水體中

的釋放必然將呈現(xiàn)上升趨勢。

由于納米金屬及其氧化物具有特殊的理化特性，其在水環(huán)境中趨向

于團聚，且團聚程度取決于粒徑大小、形狀、濃度、電荷、種類以及

環(huán)境溫度，以團聚形式存在的納米金屬及其氧化物將在一定程度上增

強其在水體中的停留時間，而部分水解形成的納米金屬離子由于尺寸

效應(yīng)，對水中的生物具有更強的毒性。因此，納米金屬及其氧化物作

為新型污染物將會嚴(yán)重影響水環(huán)境生態(tài)安全。

群體感應(yīng)作為細(xì)菌細(xì)胞間的信息調(diào)控行為，影響著細(xì)菌生物膜的形

成，可以調(diào)節(jié)生物膜的厚度及活性。利用信號分子加強群體感應(yīng)行為

來強化特定菌群、優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)與組成，可以增強群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)

定性，完成微生物功能的修復(fù)，從而提高微生物對特定污染物的去除

效率，使得污水處理反應(yīng)器的穩(wěn)定運行成為可能，然而這方面的研究

十分有限。

鑒于納米材料獨特的性能和尺寸，探究處于納米金屬及其氧化物脅

迫中的微生物活性、生理生化特性以及微生物群落等變化的研究顯得

尤為重要，同時，如何減輕甚至修復(fù)納米金屬及其氧化物對污水處理

系統(tǒng)的沖擊影響也迫在眉睫。

因此，為了明確納米金屬及其氧化物對污水處理中微生物性能的影

響，本文從微生物聚集體存在形式的角度出發(fā)，探究納米材料對微生

物特性的影響，分析微生物在不利條件下的應(yīng)對機制，為從群體感應(yīng)

角度深入探究微生物應(yīng)對納米材料等脅迫作用提供重要理論依據(jù)，并

對微生物功能修復(fù)的可能性提出展望。

Parti微生物聚集體主要存在形式

目前，水污染控制的主要技術(shù)手段是生物處理，而在生物處理中承

擔(dān)主要作用的絮體污泥、生物膜以及顆粒污泥就是微生物聚集體的主

要存在形式。這3種微生物聚集體由于存在形式的差異在污水處理過

程中扮演著不同的角色，微生物聚集體存在形式的不同也導(dǎo)致了其結(jié)

構(gòu)、功能與特性的差異，這也表明不同微生物聚集體在應(yīng)對納米金屬

及其氧化物的脅迫時呈現(xiàn)出獨特的表現(xiàn)力及應(yīng)對機制。

L1懸浮絮體污泥

絮體污泥通常出現(xiàn)在傳統(tǒng)活性污泥法工藝中，是活性污泥處理系統(tǒng)

的主體部分。絮體污泥主要由有機和無機兩部分組成，以細(xì)菌為主的

微生物群落組成了有機的一部分，在以細(xì)菌為絮體骨架的微生態(tài)系統(tǒng)

中，交織其中的絲狀菌以及附著的微型動物讓這個群體更加穩(wěn)定。

工程納米顆粒與絮體活性污泥的相互作用在不少文獻(xiàn)中被報道。當(dāng)

絮體污泥受到納米金屬及其氧化物沖擊時"會在污泥沉降性能上做出

直觀響應(yīng)。這種納米金屬及其氧化物暴露造成的污泥沉降性的下降可

能是由于活性污泥中納米材料的沉積以及絮體表面因吸附部分納米

材料而造成的表面斥力的改變。

絮體污泥多孔松散，納米金屬及其氧化物暴露濃度以及暴露時間的

改變共同影響著絮體污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)，懸浮污泥系統(tǒng)通常采用污泥體

積指數(shù)(SVI)來反映納米材料對污泥沉降、凝聚性能以及松散程度的影

響。Gu等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露于l~8mg/L的AgNPs溶液中時，絮體污泥體

系去除率相較于純水體系高30%?58%,表明絮體可通過生物質(zhì)相關(guān)

功能如生物吸附和共沉淀來去除納米金屬及其氧化物。由于絮體污泥

比表面積大，“網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)松散，EPS中嵌有大量細(xì)菌細(xì)胞，有利于

納米材料的吸附和纏結(jié)。這一結(jié)論與Kiser等的發(fā)現(xiàn)一致，共同揭示

了懸浮污泥去除納米材料的機制。

1.2附著生物膜

除活性污泥外，生物膜已成為污水處理的主要處理手段。生物膜由

多種微生物組成，在水的凈化中起著非常重要的作用。附著生物膜主

要應(yīng)用于生物膜法工藝中，是通過膜上微生物吸附、降解污水中有機

污染物進(jìn)行污水處理。微生物需要依托附著介質(zhì)完成掛膜，一般膜厚

2mm,整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)扁平化。

與活性污泥的絮凝結(jié)構(gòu)相比，生物膜具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，包括孔

隙、通道和不規(guī)則的突起。由于微生物聚集體存在形式的差異，在應(yīng)

對相同納米材料的暴露時，表露出不同的響應(yīng)措施，生物膜由于胞外

聚合物的致密保護(hù)以及微生物群落之間的作用，生物膜相較于懸浮污

泥絮體對于納米材料的暴露具有更強的耐受力。Sheng等在去除松散

結(jié)合的胞外聚合物(EPS)后發(fā)現(xiàn)，生物膜的活性較去除前降低，這也證

實了生物膜系統(tǒng)中EPS的保護(hù)作用。

1.3團聚顆粒污泥

顆粒污泥主要包括好氧顆粒污泥與厭氧顆粒污泥，與結(jié)構(gòu)松散、不

規(guī)則的傳統(tǒng)絮狀污泥相比，顆粒污泥呈現(xiàn)不同的表觀結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)上，顆粒污泥可以看作是一種具有三維立體和更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的

特殊生物膜，其中微生物相互連接，嵌入細(xì)胞外基質(zhì)中，不同功能的

微生物種群分布在不同的立體空間。由于獨特的結(jié)構(gòu)，顆粒污泥在泥

水分離效果、耐負(fù)荷沖擊能力、剩余污泥產(chǎn)泥率等方面，具有無可比

擬的優(yōu)越性，也使得好氧顆粒污泥近年來在污水處理中得到更多的關(guān)

注，連同序批式反應(yīng)器(SBRs)被廣泛討論。由于污泥顆粒較大的尺度

與較小的比表面積，吸附納米金屬及其氧化物的能力稍遜于絮體污泥,

因而在抗沖擊、維持系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢。

研究發(fā)現(xiàn)，顆粒污泥在AgNPs中暴露22d依然保持著穩(wěn)定的微生物

活性，同樣條件下，絮體污泥的活性則被嚴(yán)重抑制。這可以解釋為顆

粒污泥中微生物聚集緊密并被密集的EPS包裹，很大程度延緩了內(nèi)部

細(xì)菌與外界的接觸，進(jìn)而部分緩解了納米金屬及其氧化物的毒害作用。

Part2納米金屬及其氧化物對微生物理化特性的影響

納米金屬及其氧化物在生產(chǎn)、運輸、應(yīng)用中會不可避免地泄露到土

壤和水體中，城市污水處理廠作為納米材料在環(huán)境釋放前的最后一道

屏障，進(jìn)到污水廠內(nèi)的納米金屬及其氧化物將對污水生物處理系統(tǒng)中

的微生物產(chǎn)生影響，系統(tǒng)處理性能隨之波動。

在目前的研究中，急性高濃度的納米金屬及其氧化物暴露對微生物

的脅迫被廣泛研究，同時低濃度納米金屬及其氧化物的長期脅迫作用

也被給予了足夠的重視，以期深入而全面地了解納米金屬及其氧化物

對污水處理系統(tǒng)中微生物的作用效果及其影響機理。

2.1微生物在納米金屬及其氧化物脅迫下污染物去除表現(xiàn)

化學(xué)需氧量(COD)是表征水體中有機污染的一項重要指標(biāo)，COD的

去除率被認(rèn)為是衡量廢水處理性能的指標(biāo)之一。徐夢瑩等研究1、

10mg/LCeO2NPs在SBR中作用8h時發(fā)現(xiàn),COD的去除率均達(dá)到95%。

Zheng等研究顆粒污泥時發(fā)現(xiàn)，在50mg/LCuONPs下暴露5d,COD去

除率依然保持穩(wěn)定。有趣的是，林玲玲等在研究7h紫外線照射條件

下，MgONPs暴露對COD去除率的影響時發(fā)現(xiàn)，COD去除效果與暴露

濃度正相關(guān)。在納米材料的暴露中，COD的去除率在短期內(nèi)沒有顯著

變化，然而作為廢水處理性能的另一個指標(biāo)一一脫氮除磷率更容易受

到納米材料的負(fù)面影響。在lmg/LCeO2NPs的短期暴露中，Hou等發(fā)

現(xiàn)，氮磷去除沒有明顯變化。Chen等在研究lmg/L和50mg/LAI2O3NPs

的急性作用時也得出了沒有顯著影響的結(jié)論。然而，Zheng等發(fā)現(xiàn),

急性接觸ZnONPs對廢水養(yǎng)分去除特別是生物除磷產(chǎn)生了負(fù)面影響。

微生物對納米材料不同的急性反應(yīng)與所暴露的納米材料具有不同的

溶解度特性相關(guān)，因為納米金屬及其氧化物對于微生物的毒性作用之

一就是溶解釋放的金屬離子。

、

脫?AMONORNARNIRNORN,OR

氨1有機氫—?NO；N|_?NO.—?NO,—NO.-?NO--N,O-1-N：

過；異井氣化彘1

程蒙性反硝化而

,MM??aBB■?X*??i-'

I.自養(yǎng)硝化菌

氣化作用硝化作用反硝化作用

!>

售

過康礁酸撲—溶解性止磷酸抹SOP)—聚境收鹽

程U聚磷菌二〉

厭氣解磷好乳吸磷

圖1污水處理中菰苗去除過程及關(guān)鍵第作用

在納米金屬及其氧化物的短期作用下，微生物廢水處理性能總體變

化不明顯，然而在較長的納米金屬及其氧化物暴露的時間尺度情況下,

微生物對有機物和氮磷的去除效果呈現(xiàn)顯著的差異性。絮體污泥在

CeO2NPs作用下20d發(fā)現(xiàn)，COD去除率并未造成顯著影響，這一結(jié)論

與Xu等在生物膜70d暴露一致。Chen等在研究lmg/L和

50mg/LAI2O3NPs暴露中發(fā)現(xiàn)，即使在70d的作用下，脫氮除磷率在

低濃度暴露中沒有顯著變化，但是氮的去除在高濃度中被顯著抑制。

張肖靜等在自養(yǎng)反稍化工藝中發(fā)現(xiàn)，lmg/LCuNPs對亞硝化污泥有嚴(yán)

重的抑制作用。而Zheng等在對好氧顆粒污泥進(jìn)行70d的CuNPs暴露

研究時發(fā)現(xiàn)，TN去除率相較于空白值上升5.2%。這也從側(cè)面反映了

顆粒污泥較絮體污泥有更強的抗沖擊性能。也有研究發(fā)現(xiàn)，生物膜長

期暴露于10-50mg/LCeO2NPs時，除磷和脫氮過程雖然都被不同程

度的抑制，但抑制程度與暴露劑量正相關(guān)。

在不同聚集體存在形式中，雖然暴露著不同的納米金屬及其氧化物,

但對于抗沖擊性能，顆粒污泥優(yōu)，生物膜次之，絮體污泥差；同時，

納米金屬及其氧化物對微生物的影響取決于暴露劑量以及暴露時間，

抑制作用與暴露時間與暴露濃度止相關(guān)。

2.2納米金屬及其氧化物脅迫下微生物生化酶系探究

盡管在各種暴露條件下，微生物的處理性能有不同的響應(yīng)，但是生

物脫氮除磷依賴于多種生化反應(yīng)，而這些生化反應(yīng)是由微生物群落中

共有的某些關(guān)鍵細(xì)菌分泌的關(guān)鍵酶催化的。對于每一種細(xì)菌，酶在代

謝活動中都扮演著重要的角色。表1揭示了特征納米金屬及其氧化物

對污水的處理效果及其因素表征。

污染物的去除是由大量微生物種群一起完成的，主要過程有：有機

物降解、脫氮和除磷，去除效果取決于污泥細(xì)菌活性以及相關(guān)酶的代

謝(圖l)o生物脫氮過程由3部分組成，分別是氨化作用、硝化作用、

反硝化作用。除磷的生化階段分為好氧吸磷、厭氧釋磷。而氨單加氧

酶(AMO)、亞硝酸鹽氧化還原酶(NOR)、硝酸鹽還原酶(NAR)、亞硝酸

鹽還原酶(NIR)、聚磷酸鹽水解酶(PPX)、聚磷酸鹽激酶這6種酶被認(rèn)

為是生物脫氮除磷的關(guān)鍵酶。當(dāng)關(guān)鍵酶的基因表達(dá)和催化活性受到抑

制時\污水處理系統(tǒng)則表現(xiàn)為脫氮除磷效率降低，表1所示結(jié)論證實

了這一點。

因此，微生物種常多樣性和穩(wěn)定性的維持有利于細(xì)菌關(guān)鍵酶的持續(xù)

分泌，進(jìn)而能夠達(dá)到穩(wěn)定脫氮除磷的目的。而納米金屬及其氧化物的

暴露通常對微生物群落有抑制作用，具體表現(xiàn)為納米金屬及其氧化物

溶解釋放的納米金屬離子部分吸附在細(xì)胞表面，部分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，對

細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生氧化脅迫作用，造成微生物活性降低、細(xì)胞完整性損壞,

擾亂細(xì)胞功能。

特征納米金摩及其氧化物對于污水的處理效星及其因索表征

濃度之生物聚處理軟果影響因災(zāi)發(fā)任

美

(mg-l.'Kh史體類咂4物M去除，初減去際KfflW制儲姑構(gòu)變化

UMItAV

S化AHAi呢

ARNIS1.012星體\\:'1?一,??

被拇制

至於失

中法群博結(jié)構(gòu)發(fā)生「&大Z變化?但

AuNPr5.0即9：體\\\

而矮的多樣件并修有爻只用Si彩碗

AgNfS0.!1140大M2復(fù)化尢明始欠欠\II

A.、“H

SOP加HU.露R.1>PX、

Id算會攤受到卿

Zn<1.5累體吸收和丁立法PPK活件FT\

Ma

fttlQM?

隆依「加十出曲*?(?化的??

Zn<>NPs50140累體蛛峭沒?！访鱘

抑M度；r.VM沒〃受到委響

10

ZnOXP?31艾生物囊沖ai(篁去除\\

60

以航化?川七

1除偵效里被。第俺鼻能始樹發(fā)4?7@化?/%徉帥

Zn<IMS5小atmh?「帙\31>

10M模有,我影峋

魚

1抑制鶴酸心的XAR.N1RK

Al.OiNIS1<80*體\PA(h葭行及劍影嗎||

SOAW*M

蛻依?外引X■MAMO.6.tw.a木￥匕伍“；)*:物

601032\

的都制和用NORMft的二4修和名悴件受狗4乂影矣

規(guī)道化過程被AMO.NOR算怎「冊單《1而3弒較it青蕓的f

TiO.NfS501心，,休1.i>

WM影響發(fā)種制ii,PAc＜沒，1受到影W

5

T、AftfW?IKrPPK..?■/沈城翁的14?片假/除9他

<<；<>NP、W?l?0，偉，污正除％豉?我抵.11.

Appp的第住的C座

50

將逆?化和反NAR.AMO

10-JB清力卜,降.降低rsaiWTff?

Cc(K\P.8'Itsw硝化過長的加\??MiNIK

80力

MAm

CuNP>

5mg，疑牧化留不加41化活

ZnON12\\\4T

(&SS)粒性

P，

CuMS

.'?unite祝X化忖

Cu<)NP?(8N,H.?W\\化觸性前的制你刪

乳

/r?<>\P<.(RSS>

Part3微生物在納米金屬及其氧化物沖擊下的防御機制

以胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances,EPS)為代表的微生

物分泌的大分子物質(zhì)是決定微生物聚集體表面性質(zhì)的關(guān)鍵物質(zhì)。EPS

覆蓋在微生物表面或填充在聚集體中間，將微生物細(xì)胞包裹、黏結(jié)起

來。對于松散結(jié)構(gòu)中的絮體污泥、稍緊密的生物膜、致密的顆粒污泥，

EPS都在保護(hù)微生物抵抗納米金屬及其氧化物毒性中起到了重要的作

用。然而，與納米材料的相互作用會導(dǎo)致EPS的理化性質(zhì)發(fā)生復(fù)雜變

化，易降低污泥聚集體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通常微生物聚集體結(jié)構(gòu)可分為松散結(jié)合EPSs(LB-EPSs)的外區(qū)、緊密

結(jié)合EPSs(TB-EPSs)的內(nèi)區(qū)和核心細(xì)菌細(xì)胞，以及固體物質(zhì)外溶解的

SMPoHou等通過掃描電鏡(SEM)觀察LB-EPSs,發(fā)現(xiàn)其表面粗糙、呈

蜂窩狀，有利于吸附污染物，能在一定程度上保護(hù)污泥聚集體中的微

生物。

大量研究表明，在納米金屬及其氧化物的急性暴露中，微生物會增

加EPSs的產(chǎn)生，以保護(hù)細(xì)胞免受損傷。

吳楊芳在研究短期活性污泥對CeO2NPs的作用時，觀察到胞內(nèi)

LB-EPS組分的含量較TB-EPS增加。這從側(cè)面證實了，短期納米材料

的毒性作用是從聚集體外部到內(nèi)部的一個過程，LB-EPS在初期會先響

應(yīng)。

然而，在生物膜體系中，Wang等對CeO2NPs慢性暴露的響應(yīng)中發(fā)

現(xiàn)，EPS的含量較空白值有所下降，且隨著暴露濃度的增大，其下降

程度更加顯著。由于EPS是微生物分泌產(chǎn)生，據(jù)此推測，納米材料長

期的毒性作用對微生物已經(jīng)產(chǎn)生了負(fù)面影響，而對應(yīng)微生物中的功能

菌群也被抑制，這與大部分納米材料作用下脫氮除磷效果受到抑制的

結(jié)論相吻合。同時，在Wang等的研究中也提及，雖然EPS總量下降，

但是LB-EPS的含量上升，而TB-EPS呈現(xiàn)相反的規(guī)律。據(jù)此，TB-EPS

含量的下降可以解釋為微生物活性受到抑制，微生物群落豐度降低,

致使產(chǎn)生分泌物量減少；同時，部分TB-EPS脫離并轉(zhuǎn)化為LB-EPS,

造成LB-EPS的上升，這說明，長期納米材料暴露對微生物的作用是

從內(nèi)部主導(dǎo)的。

Gu等在對細(xì)胞進(jìn)行SEM分析時發(fā)現(xiàn)，胞內(nèi)含有Ag+NPs,也證實了

納米材料對于細(xì)胞胞內(nèi)的入侵。同時，污泥沉降性能受到EPS的影響,

結(jié)構(gòu)松散的LB-EPS含量的增加勢必會造成污泥穩(wěn)定性的降