典型纳米污染物和重金属复合胁迫抑制污水生物脱氮的机制解析.pdf

第49卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.49 No.8Aug.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT典型纳米污染物和重金属复合胁迫抑制典型纳米污染物和重金属复合胁迫抑制污水生物脱氮的机制解析污水生物脱氮的机制解析王秋利，蒙小俊（安康学院旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000）摘摘 要要:为明确金属纳米颗粒与重金属复合胁迫对活性污泥生物脱氮的影响，通过改变进水纳米Ag和Cu的浓度，探究了两者复合胁迫对生物脱氮的影响并揭示相关机制。结果表明，纳米Ag和Cu复合胁迫影影响生物脱氮性能，且与纳米Ag和Cu的暴露浓度有关。2.0 mg/L纳米Ag复合15.0 mg/L Cu组内COD和TN去除率下降至61.5%68.9%和61.6%62.3%，低于纳米Ag或Cu单独影响。此外，复合胁迫降低了污泥沉降性和有机质的含量并促进了胞外聚合物（EPS）的合成，EPS最大值高达125.6128.5 mg/g，其中蛋白质和多糖的含量均显著增加。微生物群落结构受到纳米Ag和Cu污染而发生改变，并降低了Proteobacteria、Bacteroidetes和Nitrospirae的相对丰度。脱氮功能基因分析证实纳米Ag和Cu复合污染降低了生物脱氮相关机制。研究结果为金属纳米颗粒与重金属复合污染下生物脱氮技术提供了一定的数据支撑和理论依据。关键词关键词:复合污染;生物脱氮;污泥特征;胞外聚合物;微生物群落特征开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:X703.1 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)08-0104-006经济快速发展导致大量金属纳米材料和个人药物/护理品广泛生产与使用。材料不稳定及药物代谢必然被大量释放到环境尤其水环境，给生态安全造成潜在威胁。污水处理厂作为污染物进入环境水体的中转站，成为了最大的污染排放源1。纳米Ag和Cu常在污水厂内被检测到。研究证实纳米Ag抗菌特点能影响污水生物除碳、脱氮及除磷2-3。ALITO等4研究证实0.2 mg/L纳米Ag导致SBR内COD去除效率由99%下降至71%。ZHANG等研究表明纳米Ag暴露浓度等于或低于0.1 mg/L对生物除碳影响不明显5。YIN等6探究Cu（II）冲击负荷对混合生物膜脱氮反应器性能的影响，2.0 mg和5.0 mg对氨氮的去除无影响，但抑制了总氮（TN）去除。Cu和双氯芬酸对污泥活性和硝化酶的活性具有协同抑制作用7。实际污水内同时存在纳米材料和金属化合物，然而到目前为止关于纳米金属材料和重金属对污水生物脱氮的复合影响至今鲜有报道。且纳米金属材料和重金属复合胁迫下微生物的变化及关键功能基因的表达也不清楚。基于此，本工作以实际废水为探究对象，构建实验室规模的序批式反应器，选取纳米Ag和Cu为典型污染物，通过控制进水纳米Ag和Cu的浓度，探究了纳米材料和重金属复合胁迫对SBR生物脱氮的影响行为，解析了纳米材料和重金属在生物脱氮系统内的转化规律，分析了复合胁迫下生物脱氮系统微生物群落结构的响应机制。本研究结果丰度了纳米材料和重金属复合胁迫的影响行为，并为高效生物脱氮提供了一定的理论依据和技术支撑。1 材料与方法材料与方法1.1实验材料实验材料实验接种污泥源于安康某城镇污水处理厂二沉池，污泥取回后经纱网过滤去掉大颗粒物和杂质后备用。实验用水为某学校家属院生活污水蓄水池，取回后的污水经过滤去掉杂质后置于水箱内待用。接DOI:10.16796/ki.10003770.2023.08.020收稿日期：2022-12-09基金项目：陕西省科技厅青年基金项目（2021JQ-835）；陕西省教育厅专项（2013JK0891，21JK0464）；陕西省院士专家工作站作者简介：王秋利（1978），男，讲师，研究方向为水污染防治；电子邮件：种污泥的主要特征及实验用水的水质见表1。实验所用纳米 Ag 为硼氢化钠还原 AgNO3，并用聚乙烯醇作为分散剂制备出粒径约为10 nm的纳米Ag颗粒。实验所用Cu2+为1.0 mol/L的CuCl2溶液。上述药剂均购买于上海某生物试剂公司。1.2反应器运行与实验设置反应器运行与实验设置实验所用的SBR有效工作容积为3.0 L，高径比为5 2。SBR内置机械反应器，运行时控制转速为80100 r/min。SBR的运行模式如下 快速进水、好氧（150 min）、缺氧（210 min）、沉淀出水（30 min）、闲置（210 min）。SBR内接种物和实验废水的体积比为 3/7，待驯化 10 个污泥龄后接种物对 COD 和 TN的去除率分别高达90%和70%以上。水力停留时间控制为8 h。此外，向四个SBR内投加不同剂量的纳米 Ag和 Cu探究符合污染对 SBR的影响。纳米Ag和Cu的暴露浓度见表2。每日定期于好氧末期排62.5 mL的泥水混合物以控制污泥停留时间为12 d。缺氧期空过控制机械搅拌器保证泥水完全混合，转速控制在100150 r/min。进水初始pH通过人工添加2.0 mol/L的氢氧化钠或氯化氢控制7.00.5，而生物处理过程不调控pH。整个反应过程在室温为2025 空调房内进行。1.3分析方法分析方法COD采用重铬酸钾法测定；TN和NH4+-N采用多参数水质分析仪测定；VSS和TSS采用重量灼烧法测定；SVI采用30 min沉降时间测定法；关键酶氨单加氧酶（AMO）、亚硝酸盐氧化还原酶（NOR）、聚磷酸酶外切酶（PPX）和聚磷酸激酶（PPK）活性的测定参见文献 8；EPS提取采用阳离子树脂法，蛋白质（PN）和多糖（PS）的测定分别采用福林酚法和蒽酮比色法；微生物群落测定采用 Illumina MiSeq 测序技术，样品送往上海某生物信息测定公司测定。2 结果与讨论结果与讨论2.1纳纳米米Ag和和Cu复合污染对复合污染对SBR处理处理效能的影响效能的影响图1为纳米Ag和Cu复合胁迫对SBR处理实际低C/N污水过程中COD去除率的影响。在R1内，整个运行阶段 COD 去除率基本维持在 91.3%94.8%。在R2内，130 d，出水COD的去除率与R1大致相似，说明 2.0 mg/L Cu暴露对 COD的去除影响不明显，这与之前的文献报道大致相似9。然而当Cu暴露浓度提高至15.0 mg/L时，COD的去除效率下降至 80.3%82.6%，说明高浓度 Cu已抑制活性污泥对COD的去除。在R3内，纳米Ag处于低暴露含量，130 d内，COD的去除率大致为89.5%92.3%，略低于R1，说明低浓度Ag和Cu复合污染已对COD的消耗产生抑制。在90120 d时，COD的去除率下降至 71.6%75.4%，显著低于同时期 R1和R2。在R4内，纳米Ag的暴露浓度高达2.0 mg/L，在 130 d 内，出水 COD 去除率为 83.4%92.3%，略低于同时期R3，说明高浓度纳米Ag对COD的消耗影响较大。在 Ag 和 Cu 均处于暴露高浓度时，COD的去除率下降至61.5%68.9%，远低于其他时期。高浓度Ag和Cu暴露不利于微生物对有机质的利用从而降低了COD的去除。图2为纳米Ag和Cu复合胁迫下出水TN及其去率的变化规律。在R1内，出水TN质量浓度大致为 10.713.5 mg/L，对应去除率约 75.4%79.2%，说明SBR对TN具有良好的去除。在R2内，无纳米Ag暴露，130 d内，出水TN大致与R1相似，说明表1实验所用接种物和污水的主要特征 Tab.1Main characteristics of inoculum and sewage used in the experiment表2纳米Ag和Cu2+的暴露浓度及周期Tab.2Exposure concentration and cycle of nano Ag and Cu02040608010012050556065707580859095100COD去除率/%时间/d R1 R2 R3 R4 图1纳米Ag和Cu复合胁迫下COD去除效率的变化Fig.1Change of COD removal efficiency under combined stress of Nano Ag and Cu104王秋利等，典型纳米污染物和重金属复合胁迫抑制污水生物脱氮的机制解析种污泥的主要特征及实验用水的水质见表1。实验所用纳米 Ag 为硼氢化钠还原 AgNO3，并用聚乙烯醇作为分散剂制备出粒径约为10 nm的纳米Ag颗粒。实验所用Cu2+为1.0 mol/L的CuCl2溶液。上述药剂均购买于上海某生物试剂公司。1.2反应器运行与实验设置反应器运行与实验设置实验所用的SBR有效工作容积为3.0 L，高径比为5 2。SBR内置机械反应器，运行时控制转速为80100 r/min。SBR的运行模式如下 快速进水、好氧（150 min）、缺氧（210 min）、沉淀出水（30 min）、闲置（210 min）。SBR内接种物和实验废水的体积比为 3/7，待驯化 10 个污泥龄后接种物对 COD 和 TN的去除率分别高达90%和70%以上。水力停留时间控制为8 h。此外，向四个SBR内投加不同剂量的纳米 Ag和 Cu探究符合污染对 SBR的影响。纳米Ag和Cu的暴露浓度见表2。每日定期于好氧末期排62.5 mL的泥水混合物以控制污泥停留时间为12 d。缺氧期空过控制机械搅拌器保证泥水完全混合，转速控制在100150 r/min。进水初始pH通过人工添加2.0 mol/L的氢氧化钠或氯化氢控制7.00.5，而生物处理过程不调控pH。整个反应过程在室温为2025 空调房内进行。1.3分析方法分析方法COD采用重铬酸钾法测定；TN和NH4+-N采用多参数水质分析仪测定；VSS和TSS采用重量灼烧法测定；SVI采用30 min沉降时间测定法；关键酶氨单加氧酶（AMO）、亚硝酸盐氧化还原酶（NOR）、聚磷酸酶外切酶（PPX）和聚磷酸激酶（PPK）活性的测定参见文献 8；EPS提取采用阳离子树脂法，蛋白质（PN）和多糖（PS）的测定分别采用福林酚法和蒽酮比色法；微生物群落测定采用 Illumina MiSeq 测序技术，样品送往上海某生物信息测定公司测定。2 结果与讨论结果与讨论2.1纳纳米米Ag和和Cu复合污染对复合污染对SBR处理处理效能的影响效能的影响图1为纳米Ag和Cu复合胁迫对SBR处理实际低C/N污水过程中COD去除率的影响。在R1内，整个运行阶段 COD 去除率基本维持在 91.3%94.8%。在R2内，130 d，出水COD的去除率与R1大致相似，说明 2.0 mg/L Cu暴露对 COD的去除影响不明显，这与之前的文献报道大致相似9。然而当Cu暴露浓度提高至15.0 mg/L时，COD的去除效率下降至 80.3%82.6%，说明高浓度 Cu已抑制活性污泥对COD的去除。在R3内，纳米Ag处于低暴露含量，130 d内，COD的去除率大致为89.5%92.3%，略低于R1，说明低浓度Ag和Cu复合污染已对COD的消耗产生抑制。在90120 d时，COD的去除率下降至 71.6%75.4%，显著低于同时期 R1和R2。在R4内，纳米Ag的暴露浓度高达2.0 mg/L，在 130 d 内，出水 COD 去除率为 83.4%92.3%，略低于同时期R3，说明高浓度纳米Ag对COD的消耗影响较大。在 Ag 和 Cu 均处于暴露高浓度时，COD的去除率下降至61.5%68.9%，远低于其他时期。高浓度Ag和Cu暴露不利于微生物对有机质的利用从而降低了COD的去除。图2为纳米Ag和Cu复合胁迫下出水TN及其去率的变化规律。在R1内，出水TN质量浓度大致为 10.713.5 mg/L，对应去除率约 75.4%79.2%，说明SBR对TN具有良好的去除。在R2内，无纳米Ag暴露，130 d内，出水TN大致与R1相似，说明表1实验所用接种物和污水的主要特征 Tab.1Main characteristics of inoculum and sewage used in the experiment指标pH（TSS）/（mg L-1）（VSS）/（mg L-1）COD/（mg L-1）（NH4+-N）/（mg L-1）（TP）/（mg L-1）接种污泥6.90.14 8001303 4201215 200360/实验用水7.20.1/23616400.66.30.2表2纳米Ag和Cu2+的暴露浓度及周期Tab.2Exposure concentration and cycle of nano Ag and Cu反应器R1R2R3R4（Ag）/（mg L-1）000.52.0（Cu2+）/（mg L-1）130 d02.02.02.03160 d05.05.05.06190 d010.010.010.091120 d015.015.015.002040608010012050556065707580859095100COD去除率/%时间/d R1 R2 R3 R4 图1纳米Ag和Cu复合胁迫下COD去除效率的变化Fig.1Change of COD removal efficiency under combined stress of Nano Ag and Cu105第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术低浓度Cu对TN的去除无明显影响。HE等报道00.1 mg/L Cu2+对生物脱氮菌株Y-10除铵无显著影响10。在3160 d，Cu的暴露浓度提高至5.0 mg/L，此阶段出水 TN 略有升高至 12.713.9 mg/L，对应TN 的去除率下降至 72.6%74.5%。当 Cu 的暴露浓度为15.0 mg/L时，出水TN质量浓度进一步提高至 16.717.8 mg/L，对应去除率下降至 64.3%66.5%，说明高浓度Cu能降低TN去除。在R3内，131 d，出水 TN略低于 R2，说明低浓度纳米 Ag和Cu复合胁迫已对TN的去除产生抑制。随Cu的暴露浓度升高，出水TN不断升高，TN的去除效率降低。在R4内，纳米Ag的暴露浓度为2.0 mg/L，在130 d时，出水TN质量浓度为12.213.1 mg/L，低于同期的R3，说明高浓度Ag对生物脱氮产生一定抑制。CAO等在人工湿地脱氮系统内考察了纳米Ag对生物脱氮的影响，同样发现低浓度纳米Ag对生物脱氮影响不明显，然而当纳米Ag的暴露浓度提高至2.0 mg/L时，氨氮去除率降低，且抑制了amoA和 nxrA 基因的表达11。在 91120 d 时，出水 TN质量浓度升高至18.719.2 mg/L，对应去除效率低至 61.6%62.3%，达到本研究最低值。高浓度 Ag和高浓度Cu复合胁迫显著抑制了生物脱氮。2.2纳纳米米Ag和和Cu复合污染对活性污泥特征的影响复合污染对活性污泥特征的影响活性污泥特征的变化同样会受纳米Ag和Cu复合污染的影响。图3展示了各反应器内SVI、VSS和EPS含量变化。R1内SVI大致为96.8112.3 mL/g，污泥絮体结构稳定、沉降性能良好。R2内，无纳米Ag暴露，而随着Cu离子暴露浓度提升，SVI逐渐升高，尤其当 Cu 的浓度为 15.0 mg/L 时，SVI 提高至146.8 mL/g，略有污泥膨胀，污泥沉降性变差。在R3内，130 d，低浓度Ag和Cu复合污染下，SVI大致为 115.3128.6 mL/g，略高于 R2，说明相较于单独Cu暴露，低浓度Ag和Cu复合污染降低了污泥沉降性，但未引发污泥膨胀。在91120 d内，SVI提高至 164.3175.9 mL/g，显著高于同期 R1和 R2但低于R4，说明低浓度Ag和高浓度Cu复合胁迫能导致污泥沉降性变差，污泥膨胀。在R4内，即使Cu浓度为2.0 mg/L，SVI已高达124.6 mL/g，当Cu的暴露浓度提高至15.0 mg/L时，SVI已高达194.6 ml/g，表明已发生严重地污泥膨胀。上述实验结果证实纳米Ag和Cu复合胁迫会降低污泥沉降性。Ag或者Cu为活性污泥内微生物具有一定抑制作用，导致丝状02040608010012010111213141516171819202122 出水TN 去除率R1 R2 R3 R4 时间/d(TN)/(mgL-1)50556065707580去除率/%图2纳米Ag和Cu复合胁迫出水TN及去除效率的变化Fig.2Changes in TN and removal efficiency of effluent under combined stress of nano Ag and Cu020406080100120100120140160180200SVI/(mLg-1)时间/d R1 R2 R3 R4（a）SVI0204060801001202.22.42.62.83.03.23.43.6(TSS)/(gL-1)时间/d R1 R2 R3 R4（b）TSS0204060801001208090100110120130EPS/(mgg-1)时间/d R1 R2 R3 R4（c）EPS图3纳米Ag和Cu复合污染对活性污泥特征的变化规律 Fig.3Change law of activated sludge characteristics caused by nano Ag and Cu composite pollution菌在竞争中占优势。高浓度 Ag 对污泥沉降性具有显著影响，活性污泥沉降性变差会导致部分污泥流失，活性污泥内 VSS 含量降低，微生物代谢活性受限。图 3（b）展示了纳米 Ag 和 Cu 复合污染下 VSS浓度的变化，R1内VSS较稳定大致为3.23.5 g/L。低浓度纳米Ag和Cu复合污染对VSS影响不明显，然而当 Ag 或者 Cu 任一污染物处于高暴露剂量，VSS均大量降低，这与Ag或Cu对微生物的抑制相关。一方面，高剂量有机物会降低活性污泥内微生物繁殖代谢从而降低污泥浓度。另一方面，高浓度Ag或Cu暴露导致污泥膨胀，部分污泥因沉降不彻底而随排水流失。EPS是活性污泥的重要组成部分，其为微生物分泌并包裹微生物的一类大分子聚合物12。EPS占污泥内有机质的 50%60%，其主要成分为 PN 和PS。本工作同样探究了纳米Ag和Cu复合污染活性污泥EPS含量及组分的变化。如图3（c）所示，R1内EPS含量大致为 81.384.9 mg/g，含量始终处于稳定。在R2内，Cu暴露含量低于2.0 mg/L时，EPS含量与R1相似，但Cu暴露含量超过10.0 mg/L，EPS含量急剧升高，尤其当 Cu 暴露含量为 15.0 mg/L 时，EPS含量升高至94.6 mg/g。研究证实EPS具有抵抗外界恶劣环境的作用，高剂量污染物Cu暴露刺激了微生物大量分泌EPS。在R3内，131 d，EPS含量增加不显著，说明低剂量纳米Ag和Cu复合污染对微生物刺激有限，尚未导致大量EPS分泌。低剂量Cu是维持微生物代谢尤其是关键酶表达的重要微量元素。然而在R3和R4的90120 d，EPS分泌量剧 增，分 别 提 高 至 112.3118.6 mg/g 和 125.6128.5 mg/g，上述实验结果证实高浓度纳米Ag和Cu复合污染对活性污泥产生严重的抑制，进而刺激微生物分泌大量EPS。EPS 内 PN 和 PS的含量同样受到复合纳米 Ag和Cu污染的影响，且他们的含量变化与纳米Ag和Cu的暴露含量密切相关。如图4所示，PN和PS的含量均随纳米Ag和Cu的暴露浓度增加而增加，尤其在R4内90120 d高浓度纳米Ag和Cu暴露期，PN 和 PS 的含量分别提高至 54.9、30.2 mg/g，较 R1分别提高了12.6、5.6 mg/g。2.3纳米纳米Ag和和Cu复合污染对关键酶活性的影响复合污染对关键酶活性的影响污水生物脱氮除磷过程与关键酶的活性密切相关。表3展示了不同阶段与生物脱氮除磷相关关键酶活性对纳米Ag和Cu复合污染的响应。AMO和NOR的活性与生物脱氮相关，而PPX和PPK的活性与厌氧释磷和好氧吸磷相关。在R1内不论50 d还是100 d，AMO、NOR、PPX和PPK的活性均较高，而当Ag或者Cu暴露时，上述四种关键酶活性出现不同程度下降。尤其在100 d时，纳米Ag或Cu的暴露浓度较高，生物脱氮除磷关键酶抑制显著。在 R4内，100 d 时，AMO、NOR、PPX、PPK 的活性分别下降至 0.018、0.076、0.015、0.211 mol/g，显著低于对照组R1。上述实验结果证实纳米Ag或Cu的暴露能抑制生物脱氮处理，且两者共同暴露对生物脱氮处理的抑制更加强烈。图4纳米Ag和Cu复合污染对EPS组分的影响 Fig.4Effect of nano Ag and Cu composite pollution on EPS components表3纳米Ag和Cu复合污染下SBR内关键酶活性比较/（mol/g）Tab.3Comparison of key enzyme activities in SBR under combined pollution of nano Ag and Cu/（mol/g）106王秋利等，典型纳米污染物和重金属复合胁迫抑制污水生物脱氮的机制解析菌在竞争中占优势。高浓度 Ag 对污泥沉降性具有显著影响，活性污泥沉降性变差会导致部分污泥流失，活性污泥内 VSS 含量降低，微生物代谢活性受限。图 3（b）展示了纳米 Ag 和 Cu 复合污染下 VSS浓度的变化，R1内VSS较稳定大致为3.23.5 g/L。低浓度纳米Ag和Cu复合污染对VSS影响不明显，然而当 Ag 或者 Cu 任一污染物处于高暴露剂量，VSS均大量降低，这与Ag或Cu对微生物的抑制相关。一方面，高剂量有机物会降低活性污泥内微生物繁殖代谢从而降低污泥浓度。另一方面，高浓度Ag或Cu暴露导致污泥膨胀，部分污泥因沉降不彻底而随排水流失。EPS是活性污泥的重要组成部分，其为微生物分泌并包裹微生物的一类大分子聚合物12。EPS占污泥内有机质的 50%60%，其主要成分为 PN 和PS。本工作同样探究了纳米Ag和Cu复合污染活性污泥EPS含量及组分的变化。如图3（c）所示，R1内EPS含量大致为 81.384.9 mg/g，含量始终处于稳定。在R2内，Cu暴露含量低于2.0 mg/L时，EPS含量与R1相似，但Cu暴露含量超过10.0 mg/L，EPS含量急剧升高，尤其当 Cu 暴露含量为 15.0 mg/L 时，EPS含量升高至94.6 mg/g。研究证实EPS具有抵抗外界恶劣环境的作用，高剂量污染物Cu暴露刺激了微生物大量分泌EPS。在R3内，131 d，EPS含量增加不显著，说明低剂量纳米Ag和Cu复合污染对微生物刺激有限，尚未导致大量EPS分泌。低剂量Cu是维持微生物代谢尤其是关键酶表达的重要微量元素。然而在R3和R4的90120 d，EPS分泌量剧 增，分 别 提 高 至 112.3118.6 mg/g 和 125.6128.5 mg/g，上述实验结果证实高浓度纳米Ag和Cu复合污染对活性污泥产生严重的抑制，进而刺激微生物分泌大量EPS。EPS 内 PN 和 PS的含量同样受到复合纳米 Ag和Cu污染的影响，且他们的含量变化与纳米Ag和Cu的暴露含量密切相关。如图4所示，PN和PS的含量均随纳米Ag和Cu的暴露浓度增加而增加，尤其在R4内90120 d高浓度纳米Ag和Cu暴露期，PN 和 PS 的含量分别提高至 54.9、30.2 mg/g，较 R1分别提高了12.6、5.6 mg/g。2.3纳米纳米Ag和和Cu复合污染对关键酶活性的影响复合污染对关键酶活性的影响污水生物脱氮除磷过程与关键酶的活性密切相关。表3展示了不同阶段与生物脱氮除磷相关关键酶活性对纳米Ag和Cu复合污染的响应。AMO和NOR的活性与生物脱氮相关，而PPX和PPK的活性与厌氧释磷和好氧吸磷相关。在R1内不论50 d还是100 d，AMO、NOR、PPX和PPK的活性均较高，而当Ag或者Cu暴露时，上述四种关键酶活性出现不同程度下降。尤其在100 d时，纳米Ag或Cu的暴露浓度较高，生物脱氮除磷关键酶抑制显著。在 R4内，100 d 时，AMO、NOR、PPX、PPK 的活性分别下降至 0.018、0.076、0.015、0.211 mol/g，显著低于对照组R1。上述实验结果证实纳米Ag或Cu的暴露能抑制生物脱氮处理，且两者共同暴露对生物脱氮处理的抑制更加强烈。0102030405060PN/(mgg-1)时间/d R1 R2 R3 R4205080110（a）PN05101520253035PS含量/(mgg-1)时间/d R1 R2 R3 R4205080110（b）PS图4纳米Ag和Cu复合污染对EPS组分的影响 Fig.4Effect of nano Ag and Cu composite pollution on EPS components表3纳米Ag和Cu复合污染下SBR内关键酶活性比较/（mol/g）Tab.3Comparison of key enzyme activities in SBR under combined pollution of nano Ag and Cu/（mol/g）反应器R1R2R3R450 dAMOa0.0250.0230.0210.019NOR0.0850.0820.0810.079PPX0.0250.0240.0220.018PPK0.2640.2570.2310.228100 dAMO0.0250.0210.0200.018NOR0.0840.0810.0780.076PPX0.0280.0210.0190.015PPK0.2640.2470.2270.211107第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术2.5纳纳米米Ag和和Cu复合污染对微生物群落的影响复合污染对微生物群落的影响图5比较了不同纳米Ag或Cu暴露为SBR内微生物群落特征的影响。Proteobacteria（变形菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）和Firmicutes（厚壁菌门）是各反应器内主要为门级别微生物，三者占比高达49.4%59.4%，占比最高的是 Proteobacteria，R1 内占比 32.3%，而 R2R4 内占比分别下降至 31.2%，30.5%和 30.2%。研究表明 Proteobacteria是市政和工业废水中最常见的微生物菌群，包含多种具有分解有机物和脱氮除磷能力的微生物菌属13。高浓度纳米 Ag 和 Cu 单独暴露或共同暴露均降低了Proteobacteria的相对丰度，这一定程度解释了R2R4内有机物和氮去除率下降。此外纳米 Ag和 Cu复合胁迫还降低了 Bacteroidetes的相对丰度，尤其在R4内，Bacteroidetes的相对丰度下降至15.6%，低于R1内的18.6%。，Bacteroidetes已被证实具有降解糖类和蛋白质等有机物的能力14，高浓度纳米 Ag和Cu复合胁迫下Bacteroidetes的相对丰度下降，在一定程度上降低了有机质的生物去除。Nitrospirae（硝化螺旋菌门）在R1内相对丰度为7.5%，而 当 高 浓 度 Cu 或 者 Ag 单 独 暴 露 时，Nitrospirae的占比分别下降至6.4%和6.2%，而当高浓度纳米 Ag 和 Cu 共同暴露时，Nitrospira 下降至5.3%，低于其他组别。研究证实Nitrospirae是典型的硝化细菌，对生物脱氮具有较高的贡献15。高浓度纳米Ag和Cu复合污染减少了活性污泥内能降解有机质和负责生物脱氮微生物的相对丰度，进而导致COD和TN去除效率下降。生物脱氮过程与反硝化功能基因的丰度相关。表4进一步展示了各反应器内与反硝化相关功能基因的丰度变化。nirK 和 nirS 在反硝化过程中可将NO2-N 转化 NO，因此 nirK和 nirS的丰度对反硝化具有重要影响。在R4内nirK和nirS相对分度分别为 0.018 和 0.076，显著低于 R1 内的 0.025 和 0.084，说明高浓度高浓度纳米 Ag和 Cu共同暴露降低了NO2-N转化NO。narG为硝酸盐还原酶，对NO3-N生物转化具有重要作用，nosZ为氧化亚氮还原酶，可实现N2O催化还原N2。在R4内，narG和nosZ的丰度同样低于另外三组。与生物脱氮相关功能基因收到纳米Ag和Cu的抑制也是R4组别内生物脱氮效率较低的重要原因。3 结结 论论1）纳米 Ag 和 Cu 复合污染影响了生物脱氮性能，且与纳米 Ag和 Cu的暴露浓度有关。2.0 mg/L纳米 Ag复合 15.0 mg/L Cu组内 COD和 TN去除效率下降至61.5%68.9%和61.6%62.3%。2）纳米Ag和Cu复合污染能降低活性污泥沉降性和有机质含量，并刺激增加EPS含量。高含量纳米Ag和Cu复合胁迫下EPS最大值125.6128.5 mg/g，PN和PS增加至54.9 mg/g和30.2 mg/g。3）纳米Ag和Cu复合污染降低了生物脱氮关键酶活性并降低了与 COD 和氮去除相关微生物（Proteobacteria、Bacteroidetes 和 Nitrospirae）的相对丰度，降低了生物脱氮关键功能基因的表达。参考文献：1WIEST L,GOSSET A,FILDIER A,et al.Occurrence and removal of emerging pollutants in urban sewage treatment plants using LC-QToF-MS suspect screening and quantificationJ.Science of the Total Environment,2021,774:145779.2曹曼曼,王飞,周北海,等.人工纳米颗粒对微型藻类的毒性效应及其机制J.环境化学,2021,40(08):2332-2344.3刘容麟,王红涛,祁彧.四环素与纳米银复合胁迫对营养盐去除的影响及机制探究J.水处理技术,2022,48(07):67-72.4ALITO C L,GUNSCH C K.Assessing the effects of silver nanoparticles on biological nutrient removal in bench-scale activated sludge sequencing batch reactorsJ.Environmental Science&Technology,2014,48(2):970-976.5ZHANG C,LIANG Z,HU Z.Bacterial response to a continuous long-term exposure of silver nanoparticles at sub-ppm silver concentrations in a membrane bioreactor activated sludge systemJ.Water Research,2014,50:350-358.6YIN J,XU H,SHEN D,et al.Effect of Cu(II)shock loads on 020406080100相对丰度/%反应器 Others Nitrospirae Chlorobi Saccharibacteria Acidobacteria Chloroflexi Firmicutes Bacteroidetes ProteobacteriaR1R2R3R4 图5不同组别内微生物群落门级别的比较Fig.5Comparison of microbiota levels in different groups表4不同处理组内反硝化功能基因的丰度比较Tab.4Comparison of the abundance of denitrification function genes in different treatment groups反应器R1R2R3R450 dnirKa0.0250.0230.0210.019nirS0.0850.0820.0810.079narG0.0250.0240.0220.018nosZ0.2640.2570.2310.228100 dnirKa0.0250.0210.0200.018nirS0.0840.0810.0780.076narG0.0280.0210.0190.015nosZ0.2640.2470.2270.211108王秋利等，典型纳米污染物和重金属复合胁迫抑制污水生物脱氮的机制解析shortcut biological nitrogen removal in a hybrid biofilm nitrogen removal reactorJ.Biodegradation,2015,26(3):211-222.7WANG Y,WANG Z,YANG H,et al.Acute impacts of mixed heavy metals and diclofenac on sludge activity and enzyme activity involved with biological nitrogen removalJ.Environmental Science:Water Research&Technology,2021,7(10):1852-1860.8邹媚.全氟辛酸对污水脱氮除磷和污泥厌氧消化的影响及其机理研究D.湘潭:湘潭大学,2021.9ONG S A,LIM P E,SENG C E,et al.Effects of Cu(II)and Cd(II)on the performance of sequencing batch reactor treatment systemJ.Process Biochemistry,2005,40(1):453-460.10 HE T,XIE D,NI J,et al.Investigating the effect of copper and magnesium ions on nitrogen removal capacity of pure cultures by modified non-competitive inhibition modelJ.Ecotoxicology and Environmental Safety,2019,170:479-487.11 CAO C,HUANG J,YAN C,et al.Impacts of Ag and Ag2S nanoparticles on the nitrogen removal within vertical flow constructed wetlands treating secondary effluentJ.Science of The Total Environment,2021,777:145171.12 张凡,张宝军,辛瑞瑞.曝气方式对好氧颗粒污泥处理城市低C/N废水的探究J.水处理技术,2021,47(06):49-53.13 SMERILLI A,OREFICE I,CORATO F,et al.Photoprotective and antioxidant responses to light spectrum and intensity variations in the coastal diatom S keletonema marinoiJ.Environmental Microbiology,2017,19(2):611-627.14 ZHANG L,SHEN Z,FANG W,et al.Composition of bacterial communities in municipal wastewater