2022年专业英语与二氧化钛与英文文献与翻译.doc

二氧化钛纳米颗粒对废水脱氮除磷效果以及对活性污泥中细菌群落变化长期影响
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,中华人民共和国上海市四平路1239号,92
摘要:二氧化钛纳米颗粒(TiO2NPs)在诸多领域广泛应用引起了人们对其在环境中潜在影响问题关注。然而,人们在TiO2NPs对生物脱氮除磷以及活性污泥中细菌群落影响领域调查研究确是很少。本实验是针对TiO2NPs在厌氧序批式反映器处在低溶解氧(0.15—0.50mg/L)环境下对于生物营养物质去除率影响评价。研究发现,1—50mg/L浓度TiO2NPs在与废水通过短期接触(1天)状况下,对水体脱氮除磷不具备明显效果。然而,研究观测显示,50mg/L浓度(高于其在环境中有关浓度)TiO2NPs却使水体总氮去除率浮现明显下降,在与废水通过长期接触反映(70天)后,总氮去除率从80.3%降到24.4%,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TiO2NPs明显减少了活性污泥中微生物种群多样性。荧光原位杂交分析成果表白,大量硝化细菌,特别是氨氧化菌在TiO2NPs与废水充分接触反映后浮现急剧死亡,这也就是氨氧化菌急剧退化死亡重要因素。进一步研究显示,50mg/L浓度TiO2NPs在与废水长期充分接触之后抑制了氨单氧酶和亚硝酸盐氧化还原酶活性,但是却对外切聚磷酸酶和多聚磷酸盐激酶没有明显影响。同步,TiO2NPs对于细菌细胞中聚羟基脂肪酸酯和糖原转变影响也与实验所观测到生物脱氮除磷影响规律保持一致。
引言
纳米材料因其特殊物理和化学性质而被广泛应用在大量工业生产和消费产品中。[1]特别是TiO2NPs被广泛应用在了催化剂、遮光剂和水解决工艺中。[2]这些TiO2NPs广泛应用无疑会在环境中产生残留。近来,人们在土壤、地表水、排污废水以及都市污泥中均发既有TiO2NPs存在。[3,4]这些现象使得TiO2NPs对环境潜在影响逐渐为人们所关注。尽管TiO2NPs当前在环境中预估浓度只处在ug/L级,[4,5]但是随着它们在大规模产品生产中应用,TiO2NPs在环境中残留会持续增长。成果当前许多项研究都在致力于调查研究TiO2NPs在处在mg/L级时对有机体,例如人体细胞[6]、斑马鱼[7]、海洋浮游生物[8]以及微生物[9]等毒害作用。例如,研究证明,0.14mg/L浓度Ag NPs就会对硝化细菌呼吸作用产生抑制作用[10],但是10mg/L浓度Cu NPs却不会对氨氧化菌呼吸作用产生抑制作用[11]。此前研究工作都是针对纳米材料对细菌呼吸作用影响研究。近期研究表白,ZnO NPs可以对活性污泥产生明显影响[12]。但是其她纳米材料却不会对活性污泥中微生物产生有利影响。尽管有数据显示,在未经解决废水中发现0.1—3mg/LTi存在[13],但是TiO2NPs对于废水脱氮除磷效率潜在影响依然是未知。
现今人们对TiO2NPs毒害作用大某些是来源于对有机体模型研究。西蒙德克尔等人以为TiO2NPs在500mg/L浓度下与耐金属贪铜菌接触反映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]但是这些实验都是TiO2NPs与受试体在短期(普通为1—24h)接触反映后得到,这样只能体现出TiO2NPs对于细胞活性和细菌模型生长急性影响。延长接触反映时间(3个月)可以观测出TiO2NPs对人体角质细胞产生某些不利影响,例如削弱细胞线粒体活性或者失去正常细胞形态,但是同样浓度下TiO2NPs在短时间接触反映下不会体现出对角质细胞影响[6]。但是只片面考虑纳米材料急性影响对于研究纳米材料对环境潜在危害是局限性。因而评估TiO2NPs对生物脱氮除磷影响需要从长期接触反映和短期接触反映两种状况来调查研究。
众所周知,活性污泥法解决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]。因而,要实现高效生物脱氮除磷效率,微生物种群多样性和稳定细菌群落构造起着重要作用。然而,到当前为止,TiO2NPs长期接触暴露与否会影响活性污泥中细菌群落依然是未知。
这项研究目是:(1)评价TiO2NPs对废水脱氮除磷效果影响;(2)通过聚合酶链式反映和变性梯度凝胶电泳相结合办法(PCRDGGE)来分析通过长时间暴露接触TiO2NPs后,活性污泥中微生物群落变化状况;(3)摸索TiO2NPs对细胞内聚羟基脂肪酸酯(PHA)和糖原转变作用,以及对某些可以去除生物营养物质核心酶活性影响,例如氨单氧酶(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),外切聚磷酸酶(PPX)和聚磷酸铵激酶(PPK)。本文采用厌氧低溶解氧(DO:0.15-0.50mg/L)废水解决工艺来实现生物营养物去除,由于这项技术可以节约能源,减少氧气供应同步实现高生物营养物质去除率。
材料和办法
纳米颗粒悬浮液制备:这项研究中用到市售二氧化钛纳米粒子(),在通过配备有旋转阳极和铜氪辐射源X射线衍射器(XRD)检测分析后被认定是纯锐钛矿(图S1,辅助信息(SI))。在华氏摄氏度77K下,通过微粒学三星3000测试仪并采用比表面积氮吸附办法,可以测出TiO2NPs比表面积为106±8 m2/g。依照有关文献记载,为了产生100mg/L纳米颗粒悬浮物,需在25摄氏度、250W和40KHz条件下,将100mgTiO2NPs采用声波降解法放入1L超纯水中达到一种小时。据西格玛奥瑞奇报道,虽然TiO2NPs颗粒尺寸不大于25纳米,但在纳米颗粒悬浮物中,通过通过莫尔文授权动态光闪射分析,颗粒原始尺寸是在70至90纳米范畴内定义。
SBRs建立和长期分析
在这个研究中,TiO2NPs环境有关浓度为1mg/L。同步50mg/L浓度TiO2NPs潜在影响也需要调查研究,由于大规模生产,TiO2NPs在环境残留也许不断增长 [4,13] 。为了推动实验,三个SBRs用来容纳1L人工合成废水和1L从一种原有已超过100天且已达到了稳定移除生物营养SBR中获得接种污泥(大概80%氮和90%磷被移除)。 然后,SBR1和SBR2分别提供40ml和mlTiO2 NPs悬浮液(密度为100mg/l),而SBR3不提供TiO2 NPs作为参照。最后,去除离子水加入至容器中,使每个SBR反映体积达到4L。每个SBR分为一式三份,并覆盖铝箔以避免也许光线影响,同步维持在21±1度达三个小时。此条件每天循环3次。随着着1小时沉降、10分钟减压和140分钟闲置时段,每一种循环又包括1.5小时厌氧环境阶段和3小时低溶解氧阶段。操作时间从TiO2 NPs加入时开始算起。在每一种反映器中计算TiO2总浓度后,由于排放物和泥土因素,SBR1和SBR2中TiO2 NPs浓度也许会逐渐减少,因而每两天需要补充一定量TiO2 NPs以恢复到最初浓度值。
在每一次循环前15分钟内,SBRs 由3L人工合成废水构成(包括1.1ml醋酸、2.9ml氮水、1.4ml磷水、10ml浓缩水和2ml微量元素),以达到最初COD、 NH4+-N和各自大概300、25和10mg/LSOP浓度。 由氮水、磷水浓缩水和微量元素构成混合物在国际制单位中有细化。通过添加4M NaOH和4M HCl,PH影响值需调节到7.5。在低溶解氧阶段,空气用一种ON/OFF控制在线检测器间歇提供,以保证溶解氧维持在0.15 and 0.50 mg/L之间。在低溶解氧阶段末尾前,大概22天左右,泥土被耗费用来保持固体停留时间。降沉阶段之后3L上层清液被排出。为了沉降、解压和闲置阶段,所有SBRs用电磁搅拌器不断混合。在所有SBRs废水中,NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP浓度直到氮和磷移除达到相对稳定后才干定量。(大概70天)

图1 在不同TiO2NPs浓度条件下长期作用对(A)NH4+-N(空符号)和NO3_-N(实符号) (B)NO2_-N(空符号)和SOP(实符号)废水浓度影响
所有一式三份测量量原则差不大于21%
通过短时间和长时间暴露后,一种循环中氮和磷转化量调查
这个实验分别在第1天(短时间暴露)和第70天(长时间暴露)进行,以此来评价TiO2在氮和磷转化在短时间和长时间两方面各自效果。一方面,4L人工合成废水按照氮和磷均等分量来悬浮SBR1、SBR2和SBR3中活性泥土。但在此之前,需用0.9%NaCl溶液对SBRs中活性泥土冲洗三次。其她所有专业条件应与在SBRs某些描述条件相似。在厌氧和低溶解氧阶段,需要测量变化量涉及:NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N、SOP、PHA、糖原;需要测量活性涉及:AMO、 NOR、 NAR 、NIR 、PPX和 PPK。
在活跃阶段关于细菌群落聚合酶链式反映变性梯度凝胶电泳分析
活性阶段细菌基因组DNA依照我们先前所述19一方面进行提取。简朴来说,2ml混合物用离心机分离,再用缓冲液冲洗三遍(缓冲液成分为8%蔗糖,5%聚乙二醇辛基苯基醚,50mM乙二胺四乙酸和50mM三羟甲基氨基甲烷,pH=8.0),再用360μL缓冲液重新悬浮。在加入40μL熔接酵素溶液(50 mg/mL)之后,然后在37摄氏度下保温10分钟。接着加入20μL10%SDS和2μL蛋白酶钾(20 mg/mL),再在37摄氏度下保温60分钟。再然后,加入50μL5M NaCl
和50μL10%CTBA后,在65摄氏度下保温10分钟。最后单独地,0.5ml酚-氯仿-异戊基酒精(25:24:1)和0.5ml氯仿-异戊基酒精(24:1)作用于此外DNA。然后,在4摄氏度和1个小时条件下,0.5 mL of 3 M 乙酸钠(pH=5.2)和1ml乙醇作用于沉淀DNA,然后在1g条件下离心十分钟。结束后,用500μL70%乙醇冲洗微粒。最后,在50μL缓冲液中重新悬浮。萃取出来DNA用1%以溴化乙锭做染色分析琼脂电泳来检测,然后以此作为模板DNA进行PCR扩充。
依照文献20,提取出DNA可变V3区域中,16S核糖体DNA用引物华氏341度进行扩大。聚合酶链式反映扩增在一种总体积25μL包括了10ng模板DNA空间中进行。该空间是一种运用埃普多夫扩增梯度,具备1 U Ex聚合酶1×EX库尔德反映缓冲区。这个应用项目由最初变性阶段构成。该阶段环节为94摄氏度下持续5分钟,然后该温度下持续30秒30次循环,58摄氏度持续30秒高温退火和72摄氏度下持续30秒延展,最后是该温度下持续10分钟延展。用一种一维代码突变检测系统(BioRad),在恒定电压80V、60摄氏度持续15小时条件下,在30%到60%变性剂梯度范畴1×TAE缓冲区内,PCR产物可以在8%聚丙烯酰胺凝胶作用下可以产生电泳。然后就会浮现明显分支从基因上分离出来,接着回收DNA清除解决被放大、去除并克隆到pMD19-T向量上,同步通过一种叫ABIPRISM 3730自动化DNA定序器使其变得有序。通过这一研究得到序列符合基因数据库编号从JF449961到JF449971某些,并且最接近用BLAST程序搜索到序列。
分析办法
NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N(总氮)、SOP、混合物悬浮固体(MLSS)和悬浮固体浓度(MLVSS)决定量是依照一定原则办法21得到。PHA(涉及PHB、PHV和PH2MV)和糖原是依照我们现场合示理论19来测量。AMO、 NOR、 NAR、NIR、 PPX、 PPK、 TiO2 NPs、TiO2 NPs分解、LDH分解、FISH和SEM分析详细见SI。
记录学分析
所有实验都是分为三份,并且方差分析办法用于测试成果重要性并且p < 0.05并以为具备记录学上重要性。

图2 在不同浓度TiO2 NPs短时间(空符号)和长时间(实符号)作用下,一种循环过程中
(A) NH4+-N, (B) NO2_-N, (C) NO3_-N and (D) SOP变化
所有一式三份测量量原则差不大于10%
成果和讨论
TiO2 NPs对废水脱氮除磷效果
从表1可以看出,当废水中具有1mg/LTiO2 NPs时(SBR1),NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP浓度随着外置时间增长是保持相对稳定。这一成果和不具有TiO2 NPs且外置超过70天废水(受控SBR)类似。在SBR1和受控SBR中,TN移除平均效果分别为79.4%和80.3%,这一成果没有记录学上差别。而两个SBR都显示磷去除量不不大于99%。(图1B)这些成果预示着TiO2 NPs既有环境浓度(1mg/L)对于脱氮除磷没有负面影响。然而,当活性污泥置于SBR2中50 mg/LTiO2 NPs溶液里去时,随着外置时间逐渐到16天,NH4+-N浓度也明显从不定量增大到大概17.5mg/L(图1A)。外置70天后来,SBR2中NO2_-N和NO3_-N浓度分别在大概0.68和0.73 mg/L。SBR2中TN移除效果是24.4%,这一成果明显低于受控SBR中80.3%。但是SBR2中几乎所有磷都被去除了(图1B),这意味着在外置时间较长时,50mg/LTiO2 NPs没有影响废水中磷去除。
在厌氧和低溶解氧条件下,短时间和长时间外置后,TiO2 NPs对于NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP转变影响有待更进一步调查。正如图2中看到,在短时间外置后(1天),NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP转变相比TiO2 NPs浓度分别为0、1和50mg/L时(p > 0.05),并无明显不同。这意味着1和50mg/L TiO2 NPs存在对于脱氮去鳞并无迅速效果。相似地,文献中有报道100mg/L TiO2 NPs对于人来表皮干细胞并没有迅速效果6。其她毒物学研究也指出在外置6个小时后,500 mg/LTiO2 NPs对于耐金属贪铜菌和枯草杆菌生存和发展是无毒9,14。
在长时间外置后(70天),和没有TiO2 NPs相比,无论是在厌氧还是低溶解氧条件下,1mg/LTiO2 NPs存在对于NH4+-N、NO2_-N、NO3_-N和SOP转变都没有影响。然而,在低溶解氧条件下外置较长时间后(图2A),可以发现50mg/LTiO2 NPs对于氨氧化产生严重抑制作用。平均除去NH4+-N效率达到据观测在30.8%,这一成果明显低于受控SBR中不不大于99%。由于氨氧化抑制,相应污水中NO3_-N浓度从5.5mg/L减少到0.8mg/L。然而,厌氧环境下磷流失以及低溶解氧环境下磷吸取和移除这一变化不受500mg/LTiO2 NPs存在影响。(图2D)

图3 长时间放置后,两种SBRs中细菌群落DGGE轮廓。L1和L2分别代表SBR2(50mg/L TiO2 NPs条件下)和受控SBR(无TiO2 NPs)中活性污泥。1至11细节信息代表见表1

表1 DGGE链和它们最有关序列

长时间受作用于TiO2 NPs,活性污泥中细菌环境转变
文献记载,某些纳米材料,如ZnO NPs抑制效果会导致金属离子流失12。
然而,尽管存在50mg/LTiO2 NPs,在这一研究中也没检测到钛离子。一贯地,Kiser等人也指出:污水中钛预测将在固相迁移中单独产生,而不是存在于离子状态,由于二氧化钛溶解度非常低13。众所周知,生物多样性维持和微生物群落平衡对于污水解决厂净化氮和磷非常重要15,20。因而,出于50mg/LTiO2 NPs导致氨净化严重削弱,通过PCRDGGE分析,微生物群落分布正在被探究。图3受控SBR中活性污泥显示出较高细菌多样性。依照表1中DGGE剖面细节信息,受控SBR中包括了典型氨氧化型细菌(AOB)(第三行,和硝化菌群有关)和亚硝酸氧化细菌(NOB)(第11行,和硝化螺菌群有关)。这些微生物重要作用于硝酸铵氧化22。也就是说,可以发现某些细菌从属于Candidatus Accumulibacter phosphatis菌群(第5和第8行)。放线菌(第7行)和嗜水气单胞菌属(第9行)普通报导可以有助于污水中磷进化23-25。
然而如图3中描述,50mg/LTiO2 NPs明显地减少了活性污泥中微生物多样性并在长时间外置后导致细菌群落转变。近来,某些研究人员观测出TiO2 NPs可以变化土壤中细菌构成并在外置60天后减少微生物总类26。应当引起注意是,由于50mg/LTiO2 NPs存在,活性污泥中硝化菌群(第3行)被清除了。在早前研究中,TiO2 NPs对于氮油橄榄单独哺育是有毒27,这也许就解释了在50mg/LTiO2 NPs长期作用下,活性泥中硝化菌群消失因素。有趣是,在存在50mg/LTiO2 NPs时,可以观测到养单胞菌群落(第4行)。这种微生物被证明可以忍受高金属污染并能产生反硝化28、29。此外,在50mg/LTiO2 NPs 条件下,Candidatus Accumulibacter phosphatis菌群(第5和第8行)和红环菌群落被发现是显性多聚合脂微生物(PAO)。
更进一步地,运用FISH分析来调查活性污泥中硝化细菌(AOB和NOB)数量变化。在受控SBR中,AOB和NOB占比分别可达总生物量8%和6%,然而长时间外置于50mg/LTiO2 NPs中时,其占比分别只达到1%和3%(图S2、S1)。和其她异养生物相比,自养AOB总是被以为生长非常缓慢并且极端易受大量抑制剂影响30。这一研究显示长时间受50mg/LTiO2 NPs作用,会明显减少硝化细菌丰度,特别是AOB这某些。这也许是氨氧化受抑制重要因素,因而减少了除氮效率。同步,FISH分析成果显示出:在长期外置于50mg/LTiO2 NPs中时,PAO丰度可达到总生物量49%,这和受控SBR中成果类似(达到总生物量46%)(图S2、S1)。

图4 50mg/LTiO2 NPs长时间作用AMO、NOR、NAR、NIR、PPX和PPK活性影响
星号代表受控SBR记录学不同(p < 0.05)
误差线代表一式三份测量原则差
长期放置于TiO2 NPs中,对于脱氮除磷核心酶活性和有关中间产物作用
从污水中脱氮除磷需依赖于成功硝化作用,脱氮作用和磷吸取和移除。这些过程与脱氮除磷有关核心酶活性关于(图S3、S1)。普通,自养AOB运用AMO来催化氨氧化,并且亚硝酸盐随后氧化也是NOB运用NOR成果31。脱氮重要由NAR何NIR催化32。然而,磷转变和PPX及PPK关于33。如图4中所示,长时间作用下,50mg/LTiO2 NPs对AOB和NOB活性有明显抑制作用(p < 0.05),这也许是氨氧化严重恶化因素之一。然而,研究发现长期置于50mg/LTiO2 NPs中,PPX和PPK活性不受影响。这和有TiO2 NPs存在时,磷去除类似成果一致。
在生物磷去除系统中,已有报道:水解多磷酸盐引起厌氧阶段SOP释放,这一过程随着着PHA合成及糖原消耗16。在随后低溶解氧阶段,PHA被消耗用来为磷吸取供应能量,并且糖原同步得到补充。因而,废水中磷去除与细胞内PHA及糖原厌氧和低溶解氧转化关于。长时间置于厌氧PHA综合体中以及在50mg/LTiO2 NPs作用下,糖原合成与分解分别达到3.20和2.21mmol-C/g-挥发性悬浮固体。这和受控SBR中成果一致(3.16 和2.25 mmol-C/g-挥发性悬浮固体)。在低溶解氧阶段,相应PHA消耗和糖原补充分别为3.19和2.18 mmol-C/g-挥发性悬浮固体,然而在受控SBR中则分别为3.13和2.29 mmol-C/g-挥发性悬浮固体。这一成果预示着,长期放置于50mg/LTiO2 NPs中,无论是厌氧或低溶解氧阶段,都不会影响细胞内PHA及糖原转化。这也和观测到生物磷去除无影响相一致。
长期放置后,TiO2 NPs对于活动污泥表面完整性作用
先前研究已经表面,TiO2 NPs也许会引起细菌细胞膜9和人体细胞34氧化性破坏。然而,通过SEM分析发现活性污泥表面构造在50mg/LTiO2 NPs长期作用下没有被破坏,在1mg/LTiO2 NPs条件下也做了同样观测(图S4、S1)。此外,LDH实验也显示在TiO2 NPs长期作用下,没有可测得细胞渗入产生(图S5、S1)。这就确认了活性污泥表面完整性。普遍常识是活性污泥包括了大量胞外聚合物(EPS),这也典型阐明大量微生物保持在一起35。在这一研究中,胞外聚合物被活性污泥所隐藏也许保护了活性污泥表面完整性以避免受TiO2 NPs长时间作用影响。
依照上面调查,尽管TiO2 NPs对污水脱氮除磷没有确切影响,但由于氨氧化严重恶化,导致50mg/LTiO2 NPs长时间对氮转化产生了明显抑制作用。这一抑制影响重要因素发现与AOB迅速减少以及AMO和NOR活性严重受阻关于。然而,据观测和磷转化关于PPX和PPK活性以及细胞内PHA和糖原转化是不受影响。这与TiO2 NPs对于磷转化没有可观效果是一致。对于我们知识最有益是,这是第一次研究TiO2 NPs对废水脱氮除磷效果以及对活性污泥中细菌群落变化潜在影响。
有关阐明
支撑信息
额外分析办法,表S1和图S1至S5。这一材料通过互联网是免费获取。
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特别感谢
这一论文得到了污染控制和资源再用国家重点实验室支撑。
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