纳米金属及其氧化物对污水生物处理系统中微生物的影响

市政污水处理是现代城市不可或缺的重要一环，污水处理中的常见方法有物理法、化学法、生物处理法。其中，生物处理法以其卓越的经济性、高效性始终在污水处理中扮演着重要角色，同时其在无害化、资源化方面也有无可比拟的优越性。

污水处理中的生物处理法主要是利用微生物代谢反应进行的一种水处理方法，废水生物处理一般是多种细菌协同作用的结果。例如：Candidantus accumulibacter是污水处理系统中重要的除磷菌，承担着生物除磷的作用；Zoogloea菌属被证实在生长过程中可以通过分泌含有大量阴离子基团的胞外聚合物与某些重金属离子形成络合物，达到通过吸附去除重金属的目的；Bacteroidetes对含碳有机物有很好的降解作用。

因此，微生物群落的丰度和多样性使得污水中多数污染物都能够被去除。微生物主要通过自身代谢活动发挥作用，因此，微生物的活性影响着生态系统的运行，对于以微生物为核心的污水生物处理系统的运行效果至关重要。然而，微生物的生命活动在受到外界环境中不利因素的影响时，正常的代谢活动容易被干扰，相应的功能效用就会随之下降。

市政污水处理厂是污水进入水体前的最后一道屏障，收纳了生活废水、工业废水等多种成分复杂的混合废水，其中含有的有毒有害物质势必会增加污水厂的处理负荷。如今，随着纳米技术的迅速发展，纳米金属及其氧化物应用广泛，AgNPs以其出色的抗菌作用被应用在洗衣机、食品包装等生活用品中，ZnONPs在塑料添加剂和涂料中被大量使用，而CeO2NPs则因其良好的储氧释氧性能被广泛应用于抗氧化剂、燃油燃料等领域。纳米金属及其氧化物的大量使用增加了纳米材料在运输与使用过程中进入到自然水体以及污水处理厂的可能性，进而对微生物的生理生化特性以及微生物群落产生难以估计的影响。

目前，常见的纳米金属及其氧化物包括Ag、TiO₂、Cu、ZnO、CuO、Al₂O₃、CeO₂等。截至2014年，每年全球约有8.3×106 t的纳米材料通过扩散等行为释放到环境中。虽然有报道指出含有AgNPs涂层的纺织品洗出液中的Ag⁺浓度数量级约处于mg/L的水平，0.10 mg/L又通常在实验室尺度下作为研究纳米材料影响的目标浓度，但是目前来说，对于水环境中纳米金属及其氧化物浓度的精确测量依然是一个难题。然而，随着人工纳米材料的广泛应用，纳米金属及其氧化物在水体中的释放必然将呈现上升趋势。

由于纳米金属及其氧化物具有特殊的理化特性，其在水环境中趋向于团聚，且团聚程度取决于粒径大小、形状、浓度、电荷、种类以及环境温度，以团聚形式存在的纳米金属及其氧化物将在一定程度上增强其在水体中的停留时间，而部分水解形成的纳米金属离子由于尺寸效应，对水中的生物具有更强的毒性。因此，纳米金属及其氧化物作为新型污染物将会严重影响水环境生态安全。

群体感应作为细菌细胞间的信息调控行为，影响着细菌生物膜的形成，可以调节生物膜的厚度及活性。利用信号分子加强群体感应行为来强化特定菌群、优化微生物群落结构与组成，可以增强群落结构稳定性，完成微生物功能的修复，从而提高微生物对特定污染物的去除效率，使得污水处理反应器的稳定运行成为可能，然而这方面的研究十分有限。

鉴于纳米材料独特的性能和尺寸，探究处于纳米金属及其氧化物胁迫中的微生物活性、生理生化特性以及微生物群落等变化的研究显得尤为重要，同时，如何减轻甚至修复纳米金属及其氧化物对污水处理系统的冲击影响也迫在眉睫。

因此，为了明确纳米金属及其氧化物对污水处理中微生物性能的影响，本文从微生物聚集体存在形式的角度出发，探究纳米材料对微生物特性的影响，分析微生物在不利条件下的应对机制，为从群体感应角度深入探究微生物应对纳米材料等胁迫作用提供重要理论依据，并对微生物功能修复的可能性提出展望。

Part 1 微生物聚集体主要存在形式

目前，水污染控制的主要技术手段是生物处理，而在生物处理中承担主要作用的絮体污泥、生物膜以及颗粒污泥就是微生物聚集体的主要存在形式。这3种微生物聚集体由于存在形式的差异在污水处理过程中扮演着不同的角色，微生物聚集体存在形式的不同也导致了其结构、功能与特性的差异，这也表明不同微生物聚集体在应对纳米金属及其氧化物的胁迫时呈现出独特的表现力及应对机制。

1.1 悬浮絮体污泥

絮体污泥通常出现在传统活性污泥法工艺中，是活性污泥处理系统的主体部分。絮体污泥主要由有机和无机两部分组成，以细菌为主的微生物群落组成了有机的一部分，在以细菌为絮体骨架的微生态系统中，交织其中的丝状菌以及附着的微型动物让这个群体更加稳定。

工程纳米颗粒与絮体活性污泥的相互作用在不少文献中被报道。当絮体污泥受到纳米金属及其氧化物冲击时，会在污泥沉降性能上做出直观响应。这种纳米金属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纳米材料的沉积以及絮体表面因吸附部分纳米材料而造成的表面斥力的改变。

絮体污泥多孔松散，纳米金属及其氧化物暴露浓度以及暴露时间的改变共同影响着絮体污泥的形态结构，悬浮污泥系统通常采用污泥体积指数(SVI)来反映纳米材料对污泥沉降、凝聚性能以及松散程度的影响。Gu等发现，当暴露于1～8 mg/L的AgNPs溶液中时，絮体污泥体系去除率相较于纯水体系高30%～58%，表明絮体可通过生物质相关功能如生物吸附和共沉淀来去除纳米金属及其氧化物。由于絮体污泥比表面积大，“网状”结构松散，EPS中嵌有大量细菌细胞，有利于纳米材料的吸附和缠结。这一结论与Kiser等的发现一致，共同揭示了悬浮污泥去除纳米材料的机制。

1.2 附着生物膜

除活性污泥外，生物膜已成为污水处理的主要处理手段。生物膜由多种微生物组成，在水的净化中起着非常重要的作用。附着生物膜主要应用于生物膜法工艺中，是通过膜上微生物吸附、降解污水中有机污染物进行污水处理。微生物需要依托附着介质完成挂膜，一般膜厚2 mm，整体结构呈现扁平化。

与活性污泥的絮凝结构相比，生物膜具有复杂的三维结构，包括孔隙、通道和不规则的突起。由于微生物聚集体存在形式的差异，在应对相同纳米材料的暴露时，表露出不同的响应措施，生物膜由于胞外聚合物的致密保护以及微生物群落之间的作用，生物膜相较于悬浮污泥絮体对于纳米材料的暴露具有更强的耐受力。Sheng等在去除松散结合的胞外聚合物(EPS)后发现，生物膜的活性较去除前降低，这也证实了生物膜系统中EPS的保护作用。

1.3 团聚颗粒污泥

颗粒污泥主要包括好氧颗粒污泥与厌氧颗粒污泥，与结构松散、不规则的传统絮状污泥相比，颗粒污泥呈现不同的表观结构。

在结构上，颗粒污泥可以看作是一种具有三维立体和更复杂结构的特殊生物膜，其中微生物相互连接，嵌入细胞外基质中，不同功能的微生物种群分布在不同的立体空间。由于独特的结构，颗粒污泥在泥水分离效果、耐负荷冲击能力、剩余污泥产泥率等方面，具有无可比拟的优越性，也使得好氧颗粒污泥近年来在污水处理中得到更多的关注，连同序批式反应器(SBRs)被广泛讨论。由于污泥颗粒较大的尺度与较小的比表面积，吸附纳米金属及其氧化物的能力稍逊于絮体污泥，因而在抗冲击、维持系统稳定性方面具有显著优势。

研究发现，颗粒污泥在AgNPs中暴露22 d依然保持着稳定的微生物活性，同样条件下，絮体污泥的活性则被严重抑制。这可以解释为颗粒污泥中微生物聚集紧密并被密集的EPS包裹，很大程度延缓了内部细菌与外界的接触，进而部分缓解了纳米金属及其氧化物的毒害作用。

Part 2 纳米金属及其氧化物对微生物理化特性的影响

纳米金属及其氧化物在生产、运输、应用中会不可避免地泄露到土壤和水体中，城市污水处理厂作为纳米材料在环境释放前的最后一道屏障，进到污水厂内的纳米金属及其氧化物将对污水生物处理系统中的微生物产生影响，系统处理性能随之波动。

在目前的研究中，急性高浓度的纳米金属及其氧化物暴露对微生物的胁迫被广泛研究，同时低浓度纳米金属及其氧化物的长期胁迫作用也被给予了足够的重视，以期深入而全面地了解纳米金属及其氧化物对污水处理系统中微生物的作用效果及其影响机理。

2.1 微生物在纳米金属及其氧化物胁迫下污染物去除表现

化学需氧量(COD)是表征水体中有机污染的一项重要指标，COD的去除率被认为是衡量废水处理性能的指标之一。徐梦莹等研究1、10 mg/L CeO2NPs在SBR中作用8 h时发现，COD的去除率均达到95%。Zheng等研究颗粒污泥时发现，在50 mg/L CuONPs下暴露5 d，COD去除率依然保持稳定。有趣的是，林玲玲等在研究7 h紫外线照射条件下，MgONPs暴露对COD去除率的影响时发现，COD去除效果与暴露浓度正相关。在纳米材料的暴露中，COD的去除率在短期内没有显著变化，然而作为废水处理性能的另一个指标——脱氮除磷率更容易受到纳米材料的负面影响。在1 mg/L CeO2NPs的短期暴露中，Hou等发现，氮磷去除没有明显变化。Chen等在研究1 mg/L和50 mg/L Al2O3NPs的急性作用时也得出了没有显著影响的结论。然而，Zheng等发现，急性接触 ZnONPs对废水养分去除特别是生物除磷产生了负面影响。微生物对纳米材料不同的急性反应与所暴露的纳米材料具有不同的溶解度特性相关，因为纳米金属及其氧化物对于微生物的毒性作用之一就是溶解释放的金属离子。

在纳米金属及其氧化物的短期作用下，微生物废水处理性能总体变化不明显，然而在较长的纳米金属及其氧化物暴露的时间尺度情况下，微生物对有机物和氮磷的去除效果呈现显著的差异性。絮体污泥在CeO2NPs 作用下20 d发现，COD去除率并未造成显著影响，这一结论与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暴露中发现，即使在70 d的作用下，脱氮除磷率在低浓度暴露中没有显著变化，但是氮的去除在高浓度中被显著抑制。张肖静等在自养反硝化工艺中发现，1 mg/L CuNPs对亚硝化污泥有严重的抑制作用。而Zheng等在对好氧颗粒污泥进行70 d的CuNPs暴露研究时发现，TN去除率相较于空白值上升5.2%。这也从侧面反映了颗粒污泥较絮体污泥有更强的抗冲击性能。也有研究发现，生物膜长期暴露于10～50 mg/L CeO2NPs时，除磷和脱氮过程虽然都被不同程度的抑制，但抑制程度与暴露剂量正相关。

在不同聚集体存在形式中，虽然暴露着不同的纳米金属及其氧化物，但对于抗冲击性能，颗粒污泥最优，生物膜次之，絮体污泥最差；同时，纳米金属及其氧化物对微生物的影响取决于暴露剂量以及暴露时间，抑制作用与暴露时间与暴露浓度正相关。

2.2 纳米金属及其氧化物胁迫下微生物生化酶系探究

尽管在各种暴露条件下，微生物的处理性能有不同的响应，但是生物脱氮除磷依赖于多种生化反应，而这些生化反应是由微生物群落中共有的某些关键细菌分泌的关键酶催化的。对于每一种细菌，酶在代谢活动中都扮演着重要的角色。表1揭示了特征纳米金属及其氧化物对污水的处理效果及其因素表征。

污染物的去除是由大量微生物种群一起完成的，主要过程有：有机物降解、脱氮和除磷，去除效果取决于污泥细菌活性以及相关酶的代谢(图1)。生物脱氮过程由3部分组成，分别是氨化作用、硝化作用、反硝化作用。除磷的生化阶段分为好氧吸磷、厌氧释磷。而氨单加氧酶(AMO)、亚硝酸盐氧化还原酶(NOR)、硝酸盐还原酶(NAR)、亚硝酸盐还原酶(NIR)、聚磷酸盐水解酶(PPX)、聚磷酸盐激酶(PPK)这6种酶被认为是生物脱氮除磷的关键酶。当关键酶的基因表达和催化活性受到抑制时，污水处理系统则表现为脱氮除磷效率降低，表1所示结论证实了这一点。

因此，微生物种群多样性和稳定性的维持有利于细菌关键酶的持续分泌，进而能够达到稳定脱氮除磷的目的。而纳米金属及其氧化物的暴露通常对微生物群落有抑制作用，具体表现为纳米金属及其氧化物溶解释放的纳米金属离子部分吸附在细胞表面，部分进入细胞内，对细胞诱导产生氧化胁迫作用，造成微生物活性降低、细胞完整性损坏，扰乱细胞功能。

Part 3 微生物在纳米金属及其氧化物冲击下的防御机制

以胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)为代表的微生物分泌的大分子物质是决定微生物聚集体表面性质的关键物质。EPS覆盖在微生物表面或填充在聚集体中间，将微生物细胞包裹、黏结起来。对于松散结构中的絮体污泥、稍紧密的生物膜、致密的颗粒污泥，EPS都在保护微生物抵抗纳米金属及其氧化物毒性中起到了重要的作用。然而，与纳米材料的相互作用会导致EPS的理化性质发生复杂变化，易降低污泥聚集体系统的稳定性。

通常微生物聚集体结构可分为松散结合EPSs (LB-EPSs)的外区、紧密结合EPSs (TB-EPSs)的内区和核心细菌细胞，以及固体物质外溶解的SMP。Hou等通过扫描电镜(SEM)观察LB-EPSs，发现其表面粗糙、呈蜂窝状，有利于吸附污染物，能在一定程度上保护污泥聚集体中的微生物。

大量研究表明，在纳米金属及其氧化物的急性暴露中，微生物会增加EPSs的产生，以保护细胞免受损伤。

吴杨芳在研究短期活性污泥对CeO2NPs的作用时，观察到胞内LB-EPS组分的含量较TB-EPS增加。这从侧面证实了，短期纳米材料的毒性作用是从聚集体外部到内部的一个过程，LB-EPS在初期会最先响应。

然而，在生物膜体系中，Wang等对CeO2NPs慢性暴露的响应中发现，EPS的含量较空白值有所下降，且随着暴露浓度的增大，其下降程度更加显著。由于EPS是微生物分泌产生，据此推测，纳米材料长期的毒性作用对微生物已经产生了负面影响，而对应微生物中的功能菌群也被抑制，这与大部分纳米材料作用下脱氮除磷效果受到抑制的结论相吻合。同时，在Wang等的研究中也提及，虽然EPS总量下降，但是LB-EPS的含量上升，而TB-EPS呈现相反的规律。据此，TB-EPS含量的下降可以解释为微生物活性受到抑制，微生物群落丰度降低，致使产生分泌物量减少；同时，部分TB-EPS脱离并转化为LB-EPS，造成LB-EPS的上升，这说明，长期纳米材料暴露对微生物的作用是从内部主导的。

Gu等在对细胞进行SEM分析时发现，胞内含有Ag+NPs，也证实了纳米材料对于细胞胞内的入侵。同时，污泥沉降性能受到EPS的影响，结构松散的LB-EPS含量的增加势必会造成污泥稳定性的降低与粒径的膨胀，Zheng等的研究印证了这个推论。

根据统一理论的观点，EPS和SMP之间存在转化关系，溶解的EPS(S-EPS)被称为SMP，而SMP中与微生物内源呼吸相关联的微生物产物(BAP)则源于EPS的水解。据此可以推测，在长期纳米材料的暴露下，EPS含量的降低受多种因素的影响，一是微生物活性降低，分泌被抑制；二是EPS结构逐渐蓬松，最终解体，水解成部分SMP。目前，研究者大多着眼于EPS分层组分在纳米材料长期暴露中的变化，而SMP与EPS之间互相转化的统一机理缺乏讨论。

Part 4 微生物群落结构变化及生物恢复探究

微生物种群的多样性和稳定性对实现生物脱氮除磷具有重要作用，废水处理性能的下降主要是由于微生物群落的变迁和活性的抑制。Zheng等发现，TiO2NPs和ZnONPs的存在降低了活性污泥的微生物多样性，其中氨氧化细菌如亚硝酸单胞菌的丰度降低较为明显，然而Candidatus、Accumulibacter phosphatis 以及Rhodocyclaceae bacterium作为典型的多磷酸盐积累生物(PAOs)在暴露中并没有观察到抑制现象，这一结论与长期纳米金属及其氧化物作用下的除磷效果并没有受到显著抑制的现象相吻合。

由于纳米材料在不同时间尺度上的暴露对微生物在表观与机理层面的影响存在显著差异，纳米材料对微生物的负面影响需要较长时间的累积才会显现。然而在工程实际中，与长期影响的控制相比，纳米材料短期暴露的解除更具有预先发现和恢复受抑制微生物活性的可行性。

研究发现，一些细菌产生的群体感应(QS)信号分子可以促进微生物群落中细胞与细胞的通信。其中，N-乙酰-高丝氨酸内酯(N-acyl-homoserines, AHL)被认为是最主要的脂肪类衍生物信号分子，也是在生物膜细胞之间起主要信息传递作用的信号分子。由于特定菌株产生的AHL可以激活该菌株的群体感应，又能同时抑制其他菌株的群体感应体系来提高竞争性，这使得提高脱氮除磷菌群在总群落中的竞争性有了理论依据，借此利用细胞的群体感应现象提高优势菌株，优化微生物群落，进而提升废水处理性能成为可能。遗憾的是，在纳米金属及其氧化物暴露条件下，对于微生物群体感应变化机制的研究十分稀少，利用AHL来调控细菌群体感应抵御侵害的研究仍属空白。

Part 5 前景与建议

目前，对纳米材料的研究已经进入了一个全新的阶段，在已经几乎明晰纳米金属及其氧化物对活性污泥的作用机制时，后续的研究将从更加深入的角度全面地了解纳米材料的暴露在环境行为中的具体表现以及作用效应，给出的建议如下。

(1)尽管目前的研究中，充分考虑了微生物在纳米金属及其氧化物胁迫下的长期累积效应，但是都只是停留在时间尺度较小的周期内，暴露的时间尺度只局限于季度周期，而现实中的泄露危害可能是缓慢、持久的，关于这方面的研究目前十分缺乏。

(2)虽然已有文献研究了多种纳米材料的混合作用，但是纳米材料与其他微污染物的耦合作用对污水处理系统的影响研究十分匮乏，需充分考虑进厂水复杂的成分有利于全面评估纳米材料的存在对环境的危险性，使纳米金属及其氧化物在环境行为中变迁的研究更加全面和具体。

(3)目前，在纳米金属及其氧化物胁迫作用下，对污染物暴露解除后微生物性能修复的研究非常有限。由于从微生物群落变迁角度探究群体感应现象在微生物群落中的作用十分必要，这对于重塑微生物活性和丰度以此优化群落结构，提高微生物群落在危险条件下的抵抗机制有重要意义。