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二氧化钛纳米颗粒对废水脱氮除磷的效果以及对活性污泥中细菌群落改变的长期影响熊正 1陈银光*吴瑞 2同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源再生国家重点实验室,中国上海市四平路 1239 号, 200092 摘要: 二氧化钛纳米颗粒( TiO 2 NPs )在很多领域的广泛应用引起了人们对其在环境中的潜在影响问题的关注。然而, 人们在 TiO 2 NPs 对生物脱氮除磷以及活性污泥中细菌群落影响的领域的调查研究确是很少的。本实验是针对 TiO 2 NPs 在厌氧序批式反应器处于低溶解氧( — )环境下对于生物营养物质去除率的影响的评价。研究发现, 1— 50mg/L 浓度的 TiO 2 NPs 在与废水经过短期接触( 1天)的情况下,对水体脱氮除磷不具有明显的效果。然而,研究观察显示, 50mg/L 浓度(高于其在环境中的相关浓度)的 TiO 2 NPs 却使水体总氮的去除率出现明显的下降,在与废水经过长期接触反应( 70天)后,总氮的去除率从 % 降到 % ,反之,生物除磷效率却没有受到影响。变性梯度凝胶电泳图谱显示 50mg/L 浓度的 TiO 2 NPs 明显减少了活性污泥中的微生物种群多样性。荧光原位杂交分析结果表明,大量的硝化细菌,尤其是氨氧化菌在 TiO 2 NPs 与废水充分接触反应后出现急剧死亡,这也就是氨氧化菌急剧退化死亡的主要原因。进一步的研究显示, 50mg/L 浓度的 TiO 2 NPs 在与废水长期充分接触之后抑制了氨单氧酶和亚***盐氧化还原酶的活性,但是却对外切聚磷酸酶和多聚磷酸盐激酶没有明显的影响。同时, TiO 2 NPs 对于细菌细胞中的聚羟基脂肪酸酯和糖原的转变的影响也与实验所观察到的生物脱氮除磷的影响规律保持一致。引言纳米材料因其特殊的物理和化学性质而被广泛的应用在大量的工业生产和消费产品中。[1]特别是 TiO 2 NPs 被广泛的应用在了催化剂、遮光剂和水处理工艺中。[2]这些 TiO 2 NPs 的广泛应用无疑会在环境中产生残留。最近,人们在土壤、地表水、排污废水以及城市污泥中均发现有 TiO 2 NPs 的存在。[3,4] 这些现象使得 TiO 2 NPs 对环境的潜在影响逐渐为人们所关注。尽管 TiO 2 NPs 目前在环境中的预估浓度只处于 ug/L 级, [4,5] 但是随着它们在大规模产品生产中的应用, TiO 2 NPs 在环境中的残留会持续增加。结果现在许多项研究都在致力于调查研究 TiO 2 NPs 在处于 mg/L 级时对有机体,比如人体细胞[6]、斑马鱼[7]、海洋浮游生物[8]以及微生物[9]等的毒害作用。例如,研究证明, 浓度的 Ag NPs 就会对硝化细菌的呼吸作用产生抑制作用[10] ,但是 10mg/L 浓度的 Cu NPs 却不会对氨氧化菌的呼吸作用产生抑制作用[11] 。以前的研究工作都是针对纳米材料对细菌呼吸作用的影响的研究。近期的研究表明, ZnO NPs 可以对活性污泥产生显著影响[12] 。但是其他的纳米材料却不会对活性污泥中的微生物产生有利的影响。尽管有数据显示,在未经处理的废水中发现 — 3mg/L 的 Ti存在[13] ,但是 TiO 2 NPs 对于废水脱氮除磷效率的潜在影响仍然是未知的。现今人们对 TiO 2 NPs 的毒害作用大部分是来源于对有机体模型的研究。西蒙德克尔等人认为 TiO 2 NPs 在 500mg/L 的浓度下与耐金属贪铜菌接触反应 24h 后仍对其没有影响,与枯草杆菌接触 6h后对其生长也没有任何影响。[9]不过这些实验都是 TiO 2 NPs 与受试体在短期(通常为 1—24h )接触反应后得到的,这样只能表现出 TiO 2 NPs 对于细胞活性和细菌模型生长的急性影响。延长接触反应时间( 3 个月)可以观察出 TiO 2 NPs 对人体角质细胞产生一些不利影响,例如减弱细胞线粒体的活性或者失去正常的细胞形态,但是同样浓度下的 TiO 2 NPs 在短时间的接触反应下不会体现出对角质细胞的影响[6]。但是只片面的考虑纳米材料的急性影响对于研究纳米材料对环境的潜在危害是不足的。因此评估 TiO 2 NPs 对生物脱氮除磷的影响需要从长期接触反应和短期接触反应两种情况来调查研究。众所周知,活性污泥法处理废水脱氮除磷工艺是靠硝化细菌和反硝化细菌来脱氮,靠好氧菌和厌氧菌来除磷[15,16] 。因此, 要实现高效生物脱氮除磷效率,微生物种群的多样性和稳定的细菌群落结构起着重要的作用。然而,到目前为止, TiO 2 NPs 的长期接触暴露是否会影响活性污泥中的细菌群落仍然是未知的。这项研究的目的是:(1)评价 TiO 2 NPs 对废水脱氮除磷效果的影响;