專業(yè)英語+二氧化鈦+英文文獻(xiàn)+翻譯

1、二氧化鈦納米顆粒對廢水脫氮除磷的效果以及對活性污泥中細(xì)菌群落改變的長期影響熊正1 陳銀光* 吳瑞2同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 污染控制與資源再生國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國上海市四平路1239號，200092摘要：二氧化鈦納米顆粒TiO2NPs在很多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用引起了人們對其在環(huán)境中的潛在影響問題的關(guān)注。然而，人們在TiO2NPs對生物脫氮除磷以及活性污泥中細(xì)菌群落影響的領(lǐng)域的調(diào)查研究確是很少的。本實(shí)驗(yàn)是針對TiO2NPs在厭氧序批式反應(yīng)器處于低溶解氧0.150.50mg/L環(huán)境下對于生物營養(yǎng)物質(zhì)去除率的影響的評價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)，150mg/L濃度的TiO2NPs在與廢水經(jīng)過短期接觸1天的情況下，對水

2、體脫氮除磷不具有明顯的效果。然而，研究觀察顯示，50mg/L濃度高于其在環(huán)境中的相關(guān)濃度的TiO2NPs卻使水體總氮的去除率出現(xiàn)明顯的下降，在與廢水經(jīng)過長期接觸反應(yīng)70天后，總氮的去除率從80.3%降到24.4%，反之，生物除磷效率卻沒有受到影響。變性梯度凝膠電泳圖譜顯示50mg/L濃度的TiO2NPs明顯減少了活性污泥中的微生物種群多樣性。熒光原位雜交分析結(jié)果說明，大量的硝化細(xì)菌，尤其是氨氧化菌在TiO2NPs與廢水充分接觸反應(yīng)后出現(xiàn)急劇死亡，這也就是氨氧化菌急劇退化死亡的主要原因。進(jìn)一步的研究顯示，50mg/L濃度的TiO2NPs在與廢水長期充分接觸之后抑制了氨單氧酶和亞硝酸鹽氧化復(fù)原酶的

3、活性，但是卻對外切聚磷酸酶和多聚磷酸鹽激酶沒有明顯的影響。同時(shí)，TiO2NPs對于細(xì)菌細(xì)胞中的聚羥基脂肪酸酯和糖原的轉(zhuǎn)變的影響也與實(shí)驗(yàn)所觀察到的生物脫氮除磷的影響規(guī)律保持一致。引言納米材料因其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)而被廣泛的應(yīng)用在大量的工業(yè)生產(chǎn)和消費(fèi)產(chǎn)品中。1特別是TiO2NPs被廣泛的應(yīng)用在了催化劑、遮光劑和水處理工藝中。2這些TiO2NPs的廣泛應(yīng)用無疑會(huì)在環(huán)境中產(chǎn)生殘留。最近，人們在土壤、地表水、排污廢水以及城市污泥中均發(fā)現(xiàn)有TiO2NPs的存在。3,4這些現(xiàn)象使得TiO2NPs對環(huán)境的潛在影響逐漸為人們所關(guān)注。盡管TiO2NPs目前在環(huán)境中的預(yù)估濃度只處于ug/L級，4,5但是隨著它們在

4、大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用，TiO2NPs在環(huán)境中的殘留會(huì)持續(xù)增加。結(jié)果現(xiàn)在許多項(xiàng)研究都在致力于調(diào)查研究TiO2NPs在處于mg/L級時(shí)對有機(jī)體，比方人體細(xì)胞6、斑馬魚7、海洋浮游生物8以及微生物9等的毒害作用。例如，研究證明，0.14mg/L濃度的Ag NPs就會(huì)對硝化細(xì)菌的呼吸作用產(chǎn)生抑制作用10，但是10mg/L濃度的Cu NPs卻不會(huì)對氨氧化菌的呼吸作用產(chǎn)生抑制作用11。以前的研究工作都是針對納米材料對細(xì)菌呼吸作用的影響的研究。近期的研究說明，ZnO NPs可以對活性污泥產(chǎn)生顯著影響12。但是其他的納米材料卻不會(huì)對活性污泥中的微生物產(chǎn)生有利的影響。盡管有數(shù)據(jù)顯示，在未經(jīng)處理的廢水中發(fā)現(xiàn)0.

5、13mg/L的Ti存在13，但是TiO2NPs對于廢水脫氮除磷效率的潛在影響仍然是未知的?，F(xiàn)今人們對TiO2NPs的毒害作用大部分是來源于對有機(jī)體模型的研究。西蒙德克爾等人認(rèn)為TiO2NPs在500mg/L的濃度下與耐金屬貪銅菌接觸反應(yīng)24h后仍對其沒有影響，與枯草桿菌接觸6h后對其生長也沒有任何影響。9不過這些實(shí)驗(yàn)都是TiO2NPs與受試體在短期通常為124h接觸反應(yīng)后得到的，這樣只能表現(xiàn)出TiO2NPs對于細(xì)胞活性和細(xì)菌模型生長的急性影響。延長接觸反應(yīng)時(shí)間3個(gè)月可以觀察出TiO2NPs對人體角質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生一些不利影響，例如減弱細(xì)胞線粒體的活性或者失去正常的細(xì)胞形態(tài)，但是同樣濃度下的TiO2N

6、Ps在短時(shí)間的接觸反應(yīng)下不會(huì)表達(dá)出對角質(zhì)細(xì)胞的影響6。但是只片面的考慮納米材料的急性影響對于研究納米材料對環(huán)境的潛在危害是不足的。因此評估TiO2NPs對生物脫氮除磷的影響需要從長期接觸反應(yīng)和短期接觸反應(yīng)兩種情況來調(diào)查研究。眾所周知，活性污泥法處理廢水脫氮除磷工藝是靠硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌來脫氮，靠好氧菌和厭氧菌來除磷15,16。因此，要實(shí)現(xiàn)高效生物脫氮除磷效率，微生物種群的多樣性和穩(wěn)定的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)起著重要的作用。然而，到目前為止，TiO2NPs的長期接觸暴露是否會(huì)影響活性污泥中的細(xì)菌群落仍然是未知的。這項(xiàng)研究的目的是：1評價(jià)TiO2NPs對廢水脫氮除磷效果的影響；2通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和變性梯

7、度凝膠電泳相結(jié)合的方法PCRDGGE來分析經(jīng)過長時(shí)間暴露接觸TiO2NPs后，活性污泥中微生物群落的變化情況；3探索TiO2NPs對細(xì)胞內(nèi)聚羥基脂肪酸酯PHA和糖原的轉(zhuǎn)變的作用，以及對一些可以去除生物營養(yǎng)物質(zhì)的關(guān)鍵酶活性的影響，例如氨單氧酶AMO，亞硝酸鹽氧化復(fù)原酶NOR，硝酸鹽復(fù)原酶NAR，亞硝酸鹽復(fù)原酶NIR，外切聚磷酸酶PPX和聚磷酸銨激酶PPK。本文采用厭氧低溶解氧DO：0.15-0.50mg/L的廢水處理工藝來實(shí)現(xiàn)生物營養(yǎng)物的去除，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)可以節(jié)省能源，減少氧氣供應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的生物營養(yǎng)物質(zhì)去除率。材料和方法納米顆粒懸浮液的制備：這項(xiàng)研究中用到的市售二氧化鈦納米粒子，在通過配備有旋

8、轉(zhuǎn)陽極和銅氪輻射源的X射線衍射器XRD檢測分析后被認(rèn)定是純銳鈦礦圖S1，輔助信息SI。在華氏攝氏度77K下，通過微粒學(xué)三星3000測試儀并采用比外表積氮吸附的方法，可以測出TiO2NPs的比外表積為106±8 m2/g。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，為了產(chǎn)生100mg/L的納米顆粒懸浮物，需在25攝氏度、250W和40KHz的條件下，將100mg的TiO2NPs采用聲波降解法放入1L的超純水中到達(dá)一個(gè)小時(shí)。據(jù)西格瑪奧瑞奇報(bào)道，雖然TiO2NPs的顆粒尺寸小于25納米，但在納米顆粒懸浮物中，通過通過莫爾文授權(quán)的動(dòng)態(tài)光閃射分析，顆粒的原始尺寸是在70至90納米的范圍內(nèi)定義的。SBRs的建立和長期分析

9、在這個(gè)研究中，TiO2NPs的環(huán)境相關(guān)濃度為1mg/L。同時(shí)50mg/L濃度的TiO2NPs的潛在影響也需要調(diào)查研究，因?yàn)榇笠?guī)模的生產(chǎn)，TiO2NPs在環(huán)境的殘留也許不斷增加 4,13 。為了推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，三個(gè)SBRs用來容納1L的人工合成廢水和1L的從一個(gè)原有的已超過100天且已到達(dá)了穩(wěn)定移除生物營養(yǎng)的SBR中獲得的接種污泥大約80%的氮和90%的磷被移除。 然后，SBR1和SBR2分別提供40ml和2000ml的TiO2 NPs懸浮液密度為100mg/l，而SBR3不提供TiO2 NPs作為參照。最后，去除離子的水加入至容器中，使每個(gè)SBR的反應(yīng)體積到達(dá)4L。每個(gè)SBR分為一式三份，并覆蓋鋁箔

10、以防止可能的光線影響，同時(shí)維持在21±1度達(dá)三個(gè)小時(shí)。此條件每天循環(huán)3次。伴隨著1小時(shí)的沉降、10分鐘的減壓和140分鐘的閑置時(shí)段，每一個(gè)循環(huán)又包含1.5小時(shí)的厭氧環(huán)境階段和3小時(shí)的低溶解氧階段。操作時(shí)間從TiO2 NPs加入時(shí)開始算起。在每一個(gè)反應(yīng)器中計(jì)算TiO2的總濃度后，由于排放物和泥土因素，SBR1和SBR2中的TiO2 NPs濃度可能會(huì)逐漸降低，因此每兩天需要補(bǔ)充一定量的TiO2 NPs以恢復(fù)到最初的濃度值。在每一次循環(huán)的前15分鐘內(nèi)，SBRs 由3L的人工合成廢水組成包含1.1ml醋酸、2.9ml氮水、1.4ml磷水、10ml濃縮水和2ml微量元素，以到達(dá)最初的COD、

11、NH4+-N和各自大約300、25和10mg/L的SOP濃度。 由氮水、磷水濃縮水和微量元素組成的混合物在國際制單位中有細(xì)化。通過添加4M NaOH和4M HCl，PH影響值需調(diào)整到7.5。在低溶解氧階段，空氣用一個(gè)ON/OFF控制的在線檢測器間歇的提供，以保證溶解氧維持在0.15 and 0.50 mg/L之間。在低溶解氧階段的末尾前，大約22天左右，泥土被消耗用來保持固體停留時(shí)間。降沉階段之后3L的上層清液被排出。為了沉降、解壓和閑置階段，所有的SBRs用電磁攪拌器不斷的混合。在所有SBRs的廢水中，NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP的濃度直到氮和磷的移除到達(dá)相對穩(wěn)定后才能定

12、量。大約70天圖1 在不同TiO2NPs濃度條件下長期作用對ANH4+-N空符號和NO3_-N實(shí)符號 BNO2_-N空符號和SOP實(shí)符號廢水濃度的影響 所有一式三份測量量的標(biāo)準(zhǔn)差小于21%經(jīng)過短時(shí)間和長時(shí)間的暴露后，一個(gè)循環(huán)中氮和磷轉(zhuǎn)化量的調(diào)查這個(gè)實(shí)驗(yàn)分別在第1天短時(shí)間暴露和第70天長時(shí)間暴露進(jìn)行，以此來評價(jià)TiO2在氮和磷轉(zhuǎn)化在短時(shí)間和長時(shí)間兩方面的各自效果。首先，4L的人工合成廢水按照氮和磷均等的分量來懸浮SBR1、SBR2和SBR3中的活性泥土。但在此之前，需用0.9%的NaCl溶液對SBRs中的活性泥土沖洗三次。其他所有的專業(yè)條件應(yīng)與在SBRs部分描述的條件相同。在厭氧和低溶解氧階段，

13、需要測量的變化量包括：NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N、SOP、PHA、糖原；需要測量的活性包括：AMO、 NOR、 NAR 、NIR 、PPX和 PPK。在活躍階段關(guān)于細(xì)菌群落的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的變性梯度凝膠電泳分析活性階段的細(xì)菌基因組DNA根據(jù)我們先前所述19首先進(jìn)行提取。簡單來說，2ml的混合物用離心機(jī)別離，再用緩沖液沖洗三遍緩沖液的成分為8%的蔗糖，5%的聚乙二醇辛基苯基醚，50mM乙二胺四乙酸和50mM三羥甲基氨基甲烷，pH=8.0，再用360L緩沖液重新懸浮。在加入40L的熔接酵素溶液50 mg/mL之后，然后在37攝氏度下保溫10分鐘。接著加入20L的10%SDS和2L蛋白

14、酶鉀20 mg/mL，再在37攝氏度下保溫60分鐘。再然后，加入50L的5M NaCl和50L10%的CTBA后，在65攝氏度下保溫10分鐘。最后單獨(dú)地，0.5ml酚-氯仿-異戊基酒精25:24:1和0.5ml氯仿-異戊基酒精24:1作用于另外的DNA。然后，在4攝氏度和1個(gè)小時(shí)的條件下，0.5 mL of 3 M 乙酸鈉pH=5.2和1ml乙醇作用于沉淀DNA，然后在12000g條件下離心十分鐘。結(jié)束后，用500L70%的乙醇沖洗微粒。最后，在50L的緩沖液中重新懸浮。萃取出來的DNA用1%的以溴化乙錠做染色分析的瓊脂電泳來檢測，然后以此作為模板DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)充。根據(jù)文獻(xiàn)20，提取出的D

15、NA可變V3區(qū)域中，16S核糖體DNA用引物華氏341度進(jìn)行擴(kuò)大。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增在一個(gè)總體積25L包含了10ng模板DNA的空間中進(jìn)行。該空間是一個(gè)利用埃普多夫擴(kuò)增梯度的，具有1 U Ex聚合酶的1×EX庫爾德反應(yīng)緩沖區(qū)。這個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目由最初的變性階段組成。該階段的步驟為94攝氏度下持續(xù)5分鐘，然后該溫度下持續(xù)30秒的30次循環(huán)，58攝氏度持續(xù)30秒的高溫退火和72攝氏度下持續(xù)30秒的延展，最后是該溫度下持續(xù)10分鐘的延展。用一個(gè)一維代碼突變檢測系統(tǒng)BioRad，在恒定電壓80V、60攝氏度持續(xù)15小時(shí)的條件下，在30%到60%變性劑梯度范圍的1×TAE緩沖區(qū)內(nèi)，PCR的

16、產(chǎn)物能夠在8%聚丙烯酰胺凝膠的作用下能夠產(chǎn)生電泳。然后就會(huì)出現(xiàn)顯著的分支從基因上別離出來，接著回收DNA的清除處理被放大、去除并克隆到pMD19-T向量上，同時(shí)通過一個(gè)叫ABIPRISM 3730的自動(dòng)化DNA定序器使其變得有序。通過這一研究得到的序列符合基因數(shù)據(jù)庫編號從JF449961到JF449971部分，并且最接近用BLAST程序搜索到的序列。分析方法NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N總氮、SOP、混合物懸浮固體MLSS和懸浮固體濃度MLVSS的決定量是依照一定的標(biāo)準(zhǔn)方法21得到的。PHA包括PHB、PHV和PH2MV和糖原是根據(jù)我們現(xiàn)場所示的理論19來測量的。AMO、 NOR、

17、NAR、NIR、 PPX、 PPK、 TiO2 NPs、TiO2 NPs分解、LDH分解、FISH和SEM的分析具體見SI。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析所有的實(shí)驗(yàn)都是分為三份，并且方差分析方法用于測試結(jié)果的重要性并且p < 0.05并認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的重要性。圖2 在不同濃度TiO2 NPs短時(shí)間空符號和長時(shí)間實(shí)符號作用下，一個(gè)循環(huán)過程中(A) NH4+-N, (B) NO2_-N, (C) NO3_-N and (D) SOP的變化所有一式三份測量量的標(biāo)準(zhǔn)差小于10%結(jié)果和討論TiO2 NPs對廢水脫氮除磷的效果從表1可以看出，當(dāng)廢水中含有1mg/LTiO2 NPs時(shí)SBR1，NH4+-N、NO2_-N

18、、NO3_-N和SOP的濃度隨著外置時(shí)間的增加是保持相對穩(wěn)定的。這一結(jié)果和不含有TiO2 NPs且外置超過70天的廢水受控SBR類似。在SBR1和受控SBR中，TN移除的平均效果分別為79.4%和80.3%，這一結(jié)果沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。而兩個(gè)SBR都顯示磷去除量大于99%。圖1B這些結(jié)果預(yù)示著TiO2 NPs現(xiàn)有的環(huán)境濃度1mg/L對于脫氮除磷沒有負(fù)面影響。然而，當(dāng)活性污泥置于SBR2中50 mg/L的TiO2 NPs溶液里去時(shí)，隨著外置時(shí)間逐漸到16天，NH4+-N的濃度也顯著的從不定量增大到大約17.5mg/L圖1A。外置70天以后，SBR2中NO2_-N和NO3_-N的濃度分別在大約0.

19、68和0.73 mg/L。SBR2中TN移除的效果是24.4%，這一結(jié)果明顯的低于受控SBR中的80.3%。不過SBR2中幾乎所有的磷都被去除了圖1B，這意味著在外置時(shí)間較長時(shí)，50mg/L的TiO2 NPs沒有影響廢水中磷的去除。在厭氧和低溶解氧條件下，短時(shí)間和長時(shí)間外置后，TiO2 NPs對于NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP轉(zhuǎn)變的影響有待更深入的調(diào)查。正如圖2中看到的，在短時(shí)間外置后1天，NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP的轉(zhuǎn)變相比TiO2 NPs濃度分別為0、1和50mg/L時(shí)(p > 0.05)，并無明顯的不同。這意味著1和50mg/L TiO2 N

20、Ps的存在對于脫氮去鱗并無迅速的效果。相似地，文獻(xiàn)中有報(bào)道100mg/L TiO2 NPs對于人來表皮干細(xì)胞并沒有迅速的效果6。其他毒物學(xué)的研究也指出在外置6個(gè)小時(shí)后，500 mg/LTiO2 NPs對于耐金屬貪銅菌和枯草桿菌的生存和發(fā)展是無毒的9,14。在長時(shí)間外置后70天，和沒有TiO2 NPs的相比，無論是在厭氧還是低溶解氧條件下，1mg/LTiO2 NPs的存在對于NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP的轉(zhuǎn)變都沒有影響。然而，在低溶解氧條件下外置較長時(shí)間后圖2A，可以發(fā)現(xiàn)50mg/L的TiO2 NPs對于氨的氧化產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用。平均除去NH4+-N的效率到達(dá)據(jù)觀察在30.

21、8%，這一結(jié)果顯著低于受控SBR中的大于99%。由于氨氧化的抑制，相應(yīng)的污水中NO3_-N的濃度從5.5mg/L減少到0.8mg/L。然而，厭氧環(huán)境下磷的流失以及低溶解氧環(huán)境下磷的吸收和移除這一變化不受500mg/LTiO2 NPs存在的影響。圖2D圖3 長時(shí)間放置后，兩種SBRs中細(xì)菌群落DGGE輪廓。L1和L2分別代表SBR250mg/L TiO2 NPs條件下和受控SBR無TiO2 NPs中的活性污泥。1至11的細(xì)節(jié)信息代表見表1表1 DGGE鏈和它們最相關(guān)的序列長時(shí)間的受作用于TiO2 NPs，活性污泥中細(xì)菌環(huán)境轉(zhuǎn)變文獻(xiàn)記載，一些納米材料，如ZnO NPs的抑制效果會(huì)導(dǎo)致金屬離子的流失

22、12。然而，盡管存在50mg/L的TiO2 NPs，在這一研究中也沒檢測到鈦離子。一貫地，Kiser等人也指出：污水中的鈦預(yù)計(jì)將在固相遷移中單獨(dú)產(chǎn)生，而不是存在于離子狀態(tài)，因?yàn)槎趸伒娜芙舛确浅５?3。眾所周知，生物多樣性的維持和微生物群落的平衡對于污水處理廠凈化氮和磷非常重要15,20。因此，出于50mg/LTiO2 NPs導(dǎo)致的氨凈化的嚴(yán)重減弱，通過PCRDGGE分析，微生物群落的分布正在被探究。圖3受控SBR中的活性污泥顯示出較高的細(xì)菌多樣性。根據(jù)表1中DGGE剖面細(xì)節(jié)信息，受控SBR中包含了典型的氨氧化型細(xì)菌AOB第三行，和硝化菌群相關(guān)和亞硝酸氧化細(xì)菌NOB第11行，和硝化螺菌群相關(guān)

23、。這些微生物主要作用于硝酸銨的氧化22。也就是說，能夠發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌隸屬于Candidatus Accumulibacter phosphatis菌群第5和第8行。放線菌第7行和嗜水氣單胞菌屬第9行通常報(bào)導(dǎo)能夠有助于污水中磷的進(jìn)化23-25。然而如圖3中描述，50mg/LTiO2 NPs明顯地減少了活性污泥中微生物的多樣性并在長時(shí)間外置后導(dǎo)致細(xì)菌群落的轉(zhuǎn)變。最近，一些研究人員觀察出TiO2 NPs能夠改變土壤中細(xì)菌的構(gòu)成并在外置60天后減少微生物的總類26。應(yīng)當(dāng)引起注意的是，由于50mg/LTiO2 NPs的存在，活性污泥中的硝化菌群第3行被清除了。在早前的研究中，TiO2 NPs對于氮油橄欖的

24、單獨(dú)培育是有毒的27，這也許就解釋了在50mg/LTiO2 NPs的長期作用下，活性泥中硝化菌群消失的原因。有趣的是，在存在50mg/LTiO2 NPs時(shí)，可以觀察到養(yǎng)單胞菌群落第4行。這種微生物被證明能夠忍受高金屬污染并能產(chǎn)生反硝化28、29。另外，在50mg/LTiO2 NPs 條件下，Candidatus Accumulibacter phosphatis菌群第5和第8行和紅環(huán)菌群落被發(fā)現(xiàn)是顯性的多聚合脂微生物PAO。更進(jìn)一步地，運(yùn)用FISH分析來調(diào)查活性污泥中硝化細(xì)菌AOB和NOB的數(shù)量變化。在受控SBR中，AOB和NOB占比分別可達(dá)總生物量的8%和6%，然而長時(shí)間外置于50mg/LT

25、iO2 NPs中時(shí)，其占比分別只到達(dá)1%和3%圖S2、S1。和其他異養(yǎng)生物相比，自養(yǎng)AOB總是被認(rèn)為生長的非常緩慢并且極端易受大量抑制劑的影響30。這一研究顯示長時(shí)間受50mg/LTiO2 NPs作用，會(huì)顯著的減少硝化細(xì)菌的豐度，尤其是AOB這部分。這也許是氨氧化受抑制的主要原因，因而降低了除氮的效率。同時(shí)，F(xiàn)ISH分析的結(jié)果顯示出：在長期外置于50mg/LTiO2 NPs中時(shí)，PAO的豐度可到達(dá)總生物量的49%，這和受控SBR中的結(jié)果類似到達(dá)總生物量的46%圖S2、S1。圖4 50mg/LTiO2 NPs的長時(shí)間作用AMO、NOR、NAR、NIR、PPX和PPK活性的影響 星號代表受控SBR

26、統(tǒng)計(jì)學(xué)的不同(p < 0.05) 誤差線代表一式三份測量的標(biāo)準(zhǔn)差長期放置于TiO2 NPs中，對于脫氮除磷關(guān)鍵酶活性和相關(guān)中間產(chǎn)物的作用從污水中脫氮除磷需依賴于成功的硝化作用，脫氮作用和磷的吸收和移除。這些過程與脫氮除磷相關(guān)的關(guān)鍵酶活性有關(guān)圖S3、S1。通常，自養(yǎng)AOB利用AMO來催化氨的氧化，并且亞硝酸鹽隨后的氧化也是NOB利用NOR的結(jié)果31。脫氮主要由NAR何NIR催化32。然而，磷的轉(zhuǎn)變和PPX及PPK有關(guān)33。如圖4中所示，長時(shí)間作用下，50mg/LTiO2 NPs對AOB和NOB的活性有顯著的抑制作用(p < 0.05)，這也許是氨氧化嚴(yán)重惡化的原因之一。然而，研究發(fā)現(xiàn)

27、長期置于50mg/LTiO2 NPs中，PPX和PPK的活性不受影響。這和有TiO2 NPs存在時(shí)，磷去除的類似結(jié)果一致。在生物磷去除系統(tǒng)中，已有報(bào)道：水解的多磷酸鹽引起厭氧階段SOP的釋放，這一過程伴隨著PHA的合成及糖原消耗16。在隨后的低溶解氧階段，PHA被消耗用來為磷的吸收供應(yīng)能量，并且糖原同時(shí)得到補(bǔ)充。因此，廢水中磷的去除與細(xì)胞內(nèi)PHA及糖原的厭氧和低溶解氧轉(zhuǎn)化有關(guān)。長時(shí)間置于厭氧PHA綜合體中以及在50mg/LTiO2 NPs作用下，糖原的合成與分解分別到達(dá)3.20和2.21mmol-C/g-揮發(fā)性懸浮固體。這和受控SBR中的結(jié)果一致(3.16 和2.25 mmol-C/g-揮發(fā)性

28、懸浮固體)。在低溶解氧階段，相應(yīng)的PHA消耗和糖原補(bǔ)充分別為3.19和2.18 mmol-C/g-揮發(fā)性懸浮固體，然而在受控SBR中則分別為3.13和2.29 mmol-C/g-揮發(fā)性懸浮固體。這一結(jié)果預(yù)示著，長期放置于50mg/LTiO2 NPs中，無論是厭氧或低溶解氧階段，都不會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)PHA及糖原的轉(zhuǎn)化。這也和觀察到的生物磷去除無影響相一致。長期放置后，TiO2 NPs對于活動(dòng)污泥外表完整性的作用先前的研究已經(jīng)外表，TiO2 NPs可能會(huì)引起細(xì)菌細(xì)胞膜9和人體細(xì)胞34的氧化性破壞。然而，通過SEM分析發(fā)現(xiàn)活性污泥的外表構(gòu)造在50mg/LTiO2 NPs的長期作用下沒有被破壞，在1mg/

29、LTiO2 NPs的條件下也做了同樣的觀察圖S4、S1。另外，LDH實(shí)驗(yàn)也顯示在TiO2 NPs長期作用下，沒有可測得的細(xì)胞滲透產(chǎn)生圖S5、S1。這就確認(rèn)了活性污泥的外表完整性。普遍的常識是活性污泥包含了大量的胞外聚合物EPS，這也典型的說明大量微生物保持在一起35。在這一研究中，胞外聚合物被活性污泥所隱藏也許保護(hù)了活性污泥的外表完整性以防止受TiO2 NPs長時(shí)間作用的影響。根據(jù)上面的調(diào)查，盡管TiO2 NPs對污水的脫氮除磷沒有確切的影響，但因?yàn)榘毖趸膰?yán)重惡化，導(dǎo)致50mg/LTiO2 NPs的長時(shí)間對氮的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了顯著的抑制作用。這一抑制影響的主要原因發(fā)現(xiàn)與AOB的迅速減少以及AMO和

30、NOR活性的嚴(yán)重受阻有關(guān)。然而，據(jù)觀察和磷轉(zhuǎn)化有關(guān)的PPX和PPK活性以及細(xì)胞內(nèi)PHA和糖原的轉(zhuǎn)化是不受影響的。這與TiO2 NPs對于磷的轉(zhuǎn)化沒有可觀效果是一致的。對于我們的知識最有益的是，這是第一次研究TiO2 NPs對廢水脫氮除磷的效果以及對活性污泥中細(xì)菌群落改變的潛在影響。相關(guān)說明支撐信息額外的分析方法，表S1和圖S1至S5。這一材料通過互聯(lián)網(wǎng)是免費(fèi)獲取的。作者信息相應(yīng)作者 : +86 21 65981263; : +86 21 65986313;郵箱:yg2chenyahoo .特別感謝這一論文得到了污染控制和資源再用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支撐。參考文獻(xiàn)1 Nel, A; Xia, T.;

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