納米金屬及其氧化物對汙水生物處理系統中微生物的影響

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北極星水處理網訊:市政汙水處理是現代城市不可或缺的重要一環，汙水處理中的常見方法有物理法、化學法、生物處理法。其中，生物處理法以其卓越的經濟性、高效性始終在汙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越性。

汙水處理中的生物處理法主要是利用微生物代謝反應進行的一種水處理方法，廢水生物處理一般是多種細菌協同作用的結果。例如：Candidantus accumulibacter是汙水處理系統中重要的除磷菌，承擔著生物除磷的作用；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合物，達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汙水中多數汙染物都能夠被去除。微生物主要通過自身代謝活動發揮作用，因此，微生物的活性影響著生態系統的運行，對於以微生物為核心的汙水生物處理系統的運行效果至關重要。然而，微生物的生命活動在受到外界環境中不利因素的影響時，正常的代謝活動容易被幹擾，相應的功能效用就會隨之下降。

市政汙水處理廠是汙水進入水體前的最後一道屏障，收納了生活廢水、工業廢水等多種成分複雜的混合廢水，其中含有的有毒有害物質勢必會增加汙水廠的處理負荷。如今，隨著納米技術的迅速發展，納米金屬及其氧化物應用廣泛，AgNPs以其出色的抗菌作用被應用在洗衣機、食品包裝等生活用品中，ZnONPs在塑料添加劑和塗料中被大量使用，而CeO2NPs則因其良好的儲氧釋氧性能被廣泛應用於抗氧化劑、燃油燃料等領域。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入到自然水體以及汙水處理廠的可能性，進而對微生物的生理生化特性以及微生物群落產生難以估計的影響。

目前，常見的納米金屬及其氧化物包括Ag、TiO2、Cu、ZnO、CuO、Al2O3、CeO2等。截至2014年，每年全球約有8.3×106 t的納米材料通過擴散等行為釋放到環境中。雖然有報導指出含有AgNPs塗層的紡織品洗出液中的Ag+濃度數量級約處於mg/L的水平，0.10 mg/L又通常在實驗室尺度下作為研究納米材料影響的目標濃度，但是目前來說，對於水環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用，納米金屬及其氧化物在水體中的釋放必然將呈現上升趨勢。

由於納米金屬及其氧化物具有特殊的理化特性，其在水環境中趨向於團聚，且團聚程度取決於粒徑大小、形狀、濃度、電荷、種類以及環境溫度，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於尺寸效應，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汙染物將會嚴重影響水環境生態安全。

群體感應作為細菌細胞間的信息調控行為，影響著細菌生物膜的形成，可以調節生物膜的厚度及活性。利用信號分子加強群體感應行為來強化特定菌群、優化微生物群落結構與組成，可以增強群落結構穩定性，完成微生物功能的修復，從而提高微生物對特定汙染物的去除效率，使得汙水處理反應器的穩定運行成為可能，然而這方面的研究十分有限。

鑑於納米材料獨特的性能和尺寸，探究處於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，如何減輕甚至修復納米金屬及其氧化物對汙水處理系統的衝擊影響也迫在眉睫。

因此，為了明確納米金屬及其氧化物對汙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，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對機制，為從群體感應角度深入探究微生物應對納米材料等脅迫作用提供重要理論依據，並對微生物功能修復的可能性提出展望。

Part 1 微生物聚集體主要存在形式

目前，水汙染控制的主要技術手段是生物處理，而在生物處理中承擔主要作用的絮體汙泥、生物膜以及顆粒汙泥就是微生物聚集體的主要存在形式。這3種微生物聚集體由於存在形式的差異在汙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致了其結構、功能與特性的差異，這也表明不同微生物聚集體在應對納米金屬及其氧化物的脅迫時呈現出獨特的表現力及應對機制。

1.1 懸浮絮體汙泥

絮體汙泥通常出現在傳統活性汙泥法工藝中，是活性汙泥處理系統的主體部分。絮體汙泥主要由有機和無機兩部分組成，以細菌為主的微生物群落組成了有機的一部分，在以細菌為絮體骨架的微生態系統中，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定。

工程納米顆粒與絮體活性汙泥的相互作用在不少文獻中被報導。當絮體汙泥受到納米金屬及其氧化物衝擊時，會在汙泥沉降性能上做出直觀響應。這種納米金屬及其氧化物暴露造成的汙泥沉降性的下降可能是由於活性汙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。

絮體汙泥多孔鬆散，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汙泥的形態結構，懸浮汙泥系統通常採用汙泥體積指數(SVI)來反映納米材料對汙泥沉降、凝聚性能以及鬆散程度的影響。Gu等發現，當暴露於1～8 mg/L的AgNPs溶液中時，絮體汙泥體系去除率相較於純水體系高30%～58%，表明絮體可通過生物質相關功能如生物吸附和共沉澱來去除納米金屬及其氧化物。由於絮體汙泥比表面積大，「網狀」結構鬆散，EPS中嵌有大量細菌細胞，有利於納米材料的吸附和纏結。這一結論與Kiser等的發現一致，共同揭示了懸浮汙泥去除納米材料的機制。

1.2 附著生物膜

除活性汙泥外，生物膜已成為汙水處理的主要處理手段。生物膜由多種微生物組成，在水的淨化中起著非常重要的作用。附著生物膜主要應用於生物膜法工藝中，是通過膜上微生物吸附、降解汙水中有機汙染物進行汙水處理。微生物需要依託附著介質完成掛膜，一般膜厚2 mm，整體結構呈現扁平化。

與活性汙泥的絮凝結構相比，生物膜具有複雜的三維結構，包括孔隙、通道和不規則的突起。由於微生物聚集體存在形式的差異，在應對相同納米材料的暴露時，表露出不同的響應措施，生物膜由於胞外聚合物的緻密保護以及微生物群落之間的作用，生物膜相較於懸浮汙泥絮體對於納米材料的暴露具有更強的耐受力。Sheng等在去除鬆散結合的胞外聚合物(EPS)後發現，生物膜的活性較去除前降低，這也證實了生物膜系統中EPS的保護作用。

1.3 團聚顆粒汙泥

顆粒汙泥主要包括好氧顆粒汙泥與厭氧顆粒汙泥，與結構鬆散、不規則的傳統絮狀汙泥相比，顆粒汙泥呈現不同的表觀結構。

在結構上，顆粒汙泥可以看作是一種具有三維立體和更複雜結構的特殊生物膜，其中微生物相互連接，嵌入細胞外基質中，不同功能的微生物種群分布在不同的立體空間。由於獨特的結構，顆粒汙泥在泥水分離效果、耐負荷衝擊能力、剩餘汙泥產泥率等方面，具有無可比擬的優越性，也使得好氧顆粒汙泥近年來在汙水處理中得到更多的關注，連同序批式反應器(SBRs)被廣泛討論。由於汙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於絮體汙泥，因而在抗衝擊、維持系統穩定性方面具有顯著優勢。

研究發現，顆粒汙泥在AgNPs中暴露22 d依然保持著穩定的微生物活性，同樣條件下，絮體汙泥的活性則被嚴重抑制。這可以解釋為顆粒汙泥中微生物聚集緊密並被密集的EPS包裹，很大程度延緩了內部細菌與外界的接觸，進而部分緩解了納米金屬及其氧化物的毒害作用。

Part 2 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、運輸、應用中會不可避免地洩露到土壤和水體中，城市汙水處理廠作為納米材料在環境釋放前的最後一道屏障，進到汙水廠內的納米金屬及其氧化物將對汙水生物處理系統中的微生物產生影響，系統處理性能隨之波動。

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汙水處理系統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汙染物去除表現

化學需氧量(COD)是表徵水體中有機汙染的一項重要指標，COD的去除率被認為是衡量廢水處理性能的指標之一。徐夢瑩等研究1、10 mg/L CeO2NPs在SBR中作用8 h時發現，COD的去除率均達到95%。Zheng等研究顆粒汙泥時發現，在50 mg/L CuONPs下暴露5 d，COD去除率依然保持穩定。有趣的是，林玲玲等在研究7 h紫外線照射條件下，MgONPs暴露對COD去除率的影響時發現，COD去除效果與暴露濃度正相關。在納米材料的暴露中，COD的去除率在短期內沒有顯著變化，然而作為廢水處理性能的另一個指標——脫氮除磷率更容易受到納米材料的負面影響。在1 mg/L CeO2NPs的短期暴露中，Hou等發現，氮磷去除沒有明顯變化。Chen等在研究1 mg/L和50 mg/L Al2O3NPs的急性作用時也得出了沒有顯著影響的結論。然而，Zheng等發現，急性接觸 ZnONPs對廢水養分去除特別是生物除磷產生了負面影響。微生物對納米材料不同的急性反應與所暴露的納米材料具有不同的溶解度特性相關，因為納米金屬及其氧化物對於微生物的毒性作用之一就是溶解釋放的金屬離子。

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顯著的差異性。絮體汙泥在CeO2NPs 作用下20 d發現，COD去除率並未造成顯著影響，這一結論與Xu等在生物膜70 d暴露一致。Chen等在研究1 mg/L和50 mg/L Al2O3NPs暴露中發現，即使在70 d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。張肖靜等在自養反硝化工藝中發現，1 mg/L CuNPs對亞硝化汙泥有嚴重的抑制作用。而Zheng等在對好氧顆粒汙泥進行70 d的CuNPs暴露研究時發現，TN去除率相較於空白值上升5.2%。這也從側面反映了顆粒汙泥較絮體汙泥有更強的抗衝擊性能。也有研究發現，生物膜長期暴露於10～50 mg/L CeO2NPs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。

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，但對於抗衝擊性能，顆粒汙泥最優，生物膜次之，絮體汙泥最差；同時，納米金屬及其氧化物對微生物的影響取決於暴露劑量以及暴露時間，抑制作用與暴露時間與暴露濃度正相關。

2.2 納米金屬及其氧化物脅迫下微生物生化酶系探究

儘管在各種暴露條件下，微生物的處理性能有不同的響應，但是生物脫氮除磷依賴於多種生化反應，而這些生化反應是由微生物群落中共有的某些關鍵細菌分泌的關鍵酶催化的。對於每一種細菌，酶在代謝活動中都扮演著重要的角色。表1揭示了特徵納米金屬及其氧化物對汙水的處理效果及其因素表徵。

汙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，去除效果取決於汙泥細菌活性以及相關酶的代謝(圖1)。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(PPK)這6種酶被認為是生物脫氮除磷的關鍵酶。當關鍵酶的基因表達和催化活性受到抑制時，汙水處理系統則表現為脫氮除磷效率降低，表1所示結論證實了這一點。

因此，微生物種群多樣性和穩定性的維持有利於細菌關鍵酶的持續分泌，進而能夠達到穩定脫氮除磷的目的。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胞表面，部分進入細胞內，對細胞誘導產生氧化脅迫作用，造成微生物活性降低、細胞完整性損壞，擾亂細胞功能。

Part 3 微生物在納米金屬及其氧化物衝擊下的防禦機制

以胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)為代表的微生物分泌的大分子物質是決定微生物聚集體表面性質的關鍵物質。EPS覆蓋在微生物表面或填充在聚集體中間，將微生物細胞包裹、黏結起來。對於鬆散結構中的絮體汙泥、稍緊密的生物膜、緻密的顆粒汙泥，EPS都在保護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致EPS的理化性質發生複雜變化，易降低汙泥聚集體系統的穩定性。

通常微生物聚集體結構可分為鬆散結合EPSs (LB-EPSs)的外區、緊密結合EPSs (TB-EPSs)的內區和核心細菌細胞，以及固體物質外溶解的SMP。Hou等通過掃描電鏡(SEM)觀察LB-EPSs，發現其表面粗糙、呈蜂窩狀，有利於吸附汙染物，能在一定程度上保護汙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的產生，以保護細胞免受損傷。

吳楊芳在研究短期活性汙泥對CeO2NPs的作用時，觀察到胞內LB-EPS組分的含量較TB-EPS增加。這從側面證實了，短期納米材料的毒性作用是從聚集體外部到內部的一個過程，LB-EPS在初期會最先響應。

然而，在生物膜體系中，Wang等對CeO2NPs慢性暴露的響應中發現，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。由於EPS是微生物分泌產生，據此推測，納米材料長期的毒性作用對微生物已經產生了負面影響，而對應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呈現相反的規律。據此，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，致使產生分泌物量減少；同時，部分TB-EPS脫離並轉化為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部主導的。

Gu等在對細胞進行SEM分析時發現，胞內含有Ag+NPs，也證實了納米材料對於細胞胞內的入侵。同時，汙泥沉降性能受到EPS的影響，結構鬆散的LB-EPS含量的增加勢必會造成汙泥穩定性的降低與粒徑的膨脹，Zheng等的研究印證了這個推論。

根據統一理論的觀點，EPS和SMP之間存在轉化關係，溶解的EPS(S-EPS)被稱為SMP，而SMP中與微生物內源呼吸相關聯的微生物產物(BAP)則源於EPS的水解。據此可以推測，在長期納米材料的暴露下，EPS含量的降低受多種因素的影響，一是微生物活性降低，分泌被抑制；二是EPS結構逐漸蓬鬆，最終解體，水解成部分SMP。目前，研究者大多著眼於EPS分層組分在納米材料長期暴露中的變化，而SMP與EPS之間互相轉化的統一機理缺乏討論。

Part 4 微生物群落結構變化及生物恢復探究

微生物種群的多樣性和穩定性對實現生物脫氮除磷具有重要作用，廢水處理性能的下降主要是由於微生物群落的變遷和活性的抑制。Zheng等發現，TiO2NPs和ZnONPs的存在降低了活性汙泥的微生物多樣性，其中氨氧化細菌如亞硝酸單胞菌的豐度降低較為明顯，然而Candidatus、Accumulibacter phosphatis 以及Rhodocyclaceae bacterium作為典型的多磷酸鹽積累生物(PAOs)在暴露中並沒有觀察到抑制現象，這一結論與長期納米金屬及其氧化物作用下的除磷效果並沒有受到顯著抑制的現象相吻合。

由於納米材料在不同時間尺度上的暴露對微生物在表觀與機理層面的影響存在顯著差異，納米材料對微生物的負面影響需要較長時間的累積才會顯現。然而在工程實際中，與長期影響的控制相比，納米材料短期暴露的解除更具有預先發現和恢復受抑制微生物活性的可行性。

研究發現，一些細菌產生的群體感應(QS)信號分子可以促進微生物群落中細胞與細胞的通信。其中，N-乙醯-高絲氨酸內酯(N-acyl-homoserines, AHL)被認為是最主要的脂肪類衍生物信號分子，也是在生物膜細胞之間起主要信息傳遞作用的信號分子。由於特定菌株產生的AHL可以激活該菌株的群體感應，又能同時抑制其他菌株的群體感應體系來提高競爭性，這使得提高脫氮除磷菌群在總群落中的競爭性有了理論依據，藉此利用細胞的群體感應現象提高優勢菌株，優化微生物群落，進而提升廢水處理性能成為可能。遺憾的是，在納米金屬及其氧化物暴露條件下，對於微生物群體感應變化機制的研究十分稀少，利用AHL來調控細菌群體感應抵禦侵害的研究仍屬空白。

Part 5 前景與建議

目前，對納米材料的研究已經進入了一個全新的階段，在已經幾乎明晰納米金屬及其氧化物對活性汙泥的作用機制時，後續的研究將從更加深入的角度全面地了解納米材料的暴露在環境行為中的具體表現以及作用效應，給出的建議如下。

(1)儘管目前的研究中，充分考慮了微生物在納米金屬及其氧化物脅迫下的長期累積效應，但是都只是停留在時間尺度較小的周期內，暴露的時間尺度只局限於季度周期，而現實中的洩露危害可能是緩慢、持久的，關於這方面的研究目前十分缺乏。

(2)雖然已有文獻研究了多種納米材料的混合作用，但是納米材料與其他微汙染物的耦合作用對汙水處理系統的影響研究十分匱乏，需充分考慮進廠水複雜的成分有利於全面評估納米材料的存在對環境的危險性，使納米金屬及其氧化物在環境行為中變遷的研究更加全面和具體。

(3)目前，在納米金屬及其氧化物脅迫作用下，對汙染物暴露解除後微生物性能修復的研究非常有限。由於從微生物群落變遷角度探究群體感應現象在微生物群落中的作用十分必要，這對於重塑微生物活性和豐度以此優化群落結構，提高微生物群落在危險條件下的抵抗機制有重要意義。

原標題:萬事屋 | 納米金屬及其氧化物對汙水生物處理系統中微生物的影響

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