北極星水處理網訊:納米技術是一門高新技術學科，納米材料因其特殊的性質使其在醫療、塗料、顏料等方面應用越來越多，在水處理方面的研究和應用也得到更多的關注。然而在研究和應用納米材料的同時，納米材料在特定條件下所釋放的納米粒子可能會進入排水管網，並隨著汙水進入工業或城市汙水處理系統，可能對汙水和汙泥處理產生影響，繼而對人類健康和周圍環境造成影響。Battin T.J.，Gottschalk F.，Kiser M.A.，Kaegi R.，Ganesh R.，JarvieH.P.等研究表明TiO2 NPs、ZnO NPs、Ag NPs、Cu NPs、和SiO2 NPS等納米粒子已經被發現存在於地表水以及城市汙水處理系統中。納米粒子對汙水處理過程的影響規律和機制、納米粒子的環境影響等問題，仍未得到普遍的共識。為了尋找納米材料對汙水生物處理過程的影響，筆者利用多位研究者的研究成果，通過比較不同納米材料作用下汙水生物處理的效果、微生物菌群和微生物代謝產物的變化，分析納米材料對汙水生物處理過程的影響機制。
1、納米材料對汙水生物處理過程效果的影響
納米材料一般不會對汙水生物處理過程效果產生短期影響，但是長期投加則會對汙水脫氮除磷產生較大影響，並且不同的納米材料對汙水處理過程效果的影響各不相同。
研究發現Ag NPs對汙水有機物降解和生物除磷效果影響不大。ZhihuaLiang等則通過MLE處理系統研究表明，與Ag+相比，Ag NPs對COD去除沒有較大影響。YinguangChen等研究表明無論Ag NPs濃度為多少都不會對強化生物除磷(EBPR)系統產生影響。但是其對脫氮處理效果的影響研究結果不盡相同。張汝嘉考察發現AgNPs會抑制硝化反應，使氨氮去除率降低。而Linlin Hou等研究了人工汙水處理過程中Ag NPs的去除和其對COD和氨氮去除效果的影響。研究表明，最大投劑量的Ag NPs(0.5mg/L)不會對COD和氨氮去除效果有很大影響;而氨氮的去除效果在試驗初期下降，隨後又迅速恢復。向汙水處理系統中投加某些納米金屬則會提高脫氮除磷的效果。席宏波等研究發現Fe NPs可以吸附水中PO43-，增加投加量能增大對PO43-的吸附。Yinguang Chen等發現Cu NPs會加快反硝化速率，減少N2O產生，從而提高了脫氮效率。
2、納米材料對微生物菌群的影響
汙水生物處理系統的微生物群落由細菌、真菌、原生動物、後生動物和輪蟲等構成，它們之間存在著相互制約、相互依存的關係，並通過這種關係實現有機物的淨化。納米材料可能通過對微生物的不同作用來改變微生物的群落結構，從而影響汙水生物處理的效率。
張汝嘉考察了Ag NPs對氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌的抑制作用。通過電鏡發現Ag NPs會附著在細菌胞外聚合物上，破壞細胞膜，進而使細胞死亡，從而抑制硝化反應，使氨氮去除率降低。Ana García等研究表明四種納米金屬及金屬氧化物(CeO2、TiO2、Au、Ag)對汙水處理中反硝化異樣菌、氨氧化細菌和嗜熱、嗜中溫厭氧細菌的抑制影響較大。而納米粒子對微生物菌種的影響與納米粒子的尺寸有密切關係。Tyler S. Radniecki等研究表明尺寸較小的Ag NPs會抑制汙水處理中的亞硝化細菌的生長。Xiaohua Fang等就從形態學研究了25nm和200nm的納米ZnO、CeO2和TiO2對N.europaea的影響，通過TEM對細胞尺寸進行比較，發現25nm和200nm的納米ZnO和TiO2以及200nm的納米CeO2會使細胞尺寸變小。
3、納米材料對微生物代謝行為的影響
3.1 納米材料對關鍵酶活性的影響
許多金屬微量元素是酶的組分，或是酶的激活劑。例如，鐵、鉬、銅等是脫氮過程中亞硝酸鹽氧化還原酶(NXR/NOR)、亞硝酸還原酶(NIR)和氧化亞氮還原酶的主要成分之一。因此，投加適量的金屬能夠促進微生物活性，從而提高活性汙泥系統脫氮除磷效率。
喬楠等以納米Fe3O4負載好氧反硝化菌處理生活廢水，發現納米Fe3O4對菌株的負載有助於提高其對廢水的處理效果，且Fe3O4的加入量越大，固定化菌對廢水的處理效果越好。這可能是因為部分Fe3O4被溶解，形成了Fe3+，而鐵離子能夠參與電子傳遞作用與酶促反應激活劑作用，增強生物代謝反應活性，提高生物脫氮除磷效率。Yinguang Chen等發現Cu NPs釋放的Cu2+會促進反硝化過程中NIR、NO-R(一氧化氮還原酶)、N2O-R的活性，加快反硝化速率，從而提高了脫氮效率。當向系統中投加5 mg/L Cu NPs時，N2O-R活性達到最大。
但是Xiong Zheng等發現長期投加三種納米金屬氧化物(Al2O3、SiO2、TiO2)，氨氮、亞硝氮含量不斷增加，硝氮含量和TN去除率急劇下降，而磷的去除效果不受影響。這是由於它們會抑制AMO(氨單加氧酶)、NOR、NAR和NIR活性，但都不會對PPX(磷酸鹽酶)和PPK(多聚磷酸鹽激酶)活性產生不良影響。同時Xiong Zheng等還發現1mg/L，10mg/L和50mg/LZnO NPs不僅會抑制脫氮關鍵酶，還會降低PPX和PPK活性，這與其對脫氮除磷效果的影響相一致;70天後，TN去除率由81.5%降至75.6%和70.8%，出水磷含量由檢測不出到10.3 mg/L和16.5 mg/L。Christina L. Arnaout和Claudia K. Gunsch發現投加Ag NPs會抑制AMO和HAO(羥氨氧化還原酶)，主要是因為Ag+或活性氧(ROS)的產生。
Yinguang Chen等研究比較了Ag NPs和Ag+(0-5 mg/L)對ADK(腺苷酸激酶)、PPX和PPK的影響。研究結果表明AgNPs不會對除磷關鍵酶產生影響;而當Ag+存在時，ADK、PPX活性會降低而PPK活性未改變。
3.2 納米材料對胞內貯存物的影響
活性汙泥胞內貯存物是指微生物在碳、氮營養失衡的情況下，作為碳源和能源貯存在其體內的一種高分子聚合物，主要包括聚-β羥基烷酸脂(PHA)、糖原和多聚磷酸鹽等。活性汙泥胞內貯存物與廢水生物脫氮除磷系統的關係非常密切。
Xiong Zheng，Yinguang Chen等研究發現1mg/L和50 mg/L納米TiO2、Al2O3、SiO2都不會影響PHA和糖原的轉化，這與三種納米金屬氧化物對汙水脫氮除磷沒有影響的結論相一致。而無論AgNPs濃度為多少都不會對PHA和糖原轉化產生影響，繼而也不會對除磷產生影響。由此看出，納米材料可能不會對活性汙泥胞內貯存物的組分和含量產生影響。
3.3 納米材料對胞外聚合物的影響
胞外聚合物(EPS)是存在於細胞外及微生物聚集體外，主要由微生物分泌或大分子細胞溶解、水解產生的一種高分子量的化合物，通常含有蛋白質、多糖、腐殖質和DNA等。其吸附特性、生物降解性能、親水性/疏水性等對廢水中汙染物的去除、汙泥的處理、活性汙泥絮體結構以及沉降性能有重要影響。EPS可以通過和多價金屬離子形成離子架橋與細胞結合，因此金屬離子的濃度會影響EPS含量。Wilén等就發現EPS提取的總量與金屬離子的濃度有關，而納米金屬作為特殊的金屬材料，其釋放的納米粒子對EPS的產生有著更加重要的影響。
Hui Mu等研究了汙水處理中厭氧顆粒汙泥(AGS)對ZnO NPs的耐受效應。研究發現10 mg/g-TSS和50 mg/g-TSS ZnONPs並沒有影響AGS中EPS組分及含量，而隨著ZnO NPs劑量增加至200 mg/g-TSS，EPS含量降低，其中蛋白質、DNA、腐殖酸、脂類含量降低，而多糖含量不受影響。
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