納米顆粒對厭氧氨氧化污泥毒性效應與作用機制研究進展

王殿惠

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧沈陽110168)

納米材料是指三維空間中至少有一維處在100 nm以下的人造材料，具有獨特的物理化學性質，如小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等，被廣泛應用于生產和生活的各個領域。AgNPs因高導電性和熱導性、化學穩定性和非線性光學行為，在墨水、微電子和醫學成像領域具有重要價值[1]。具有光學、催化和半導體特性的ZnONPs和CuONPs，在催化、油漆、涂料和傳感器中也有廣泛的應用[2]；CuNPs由于其優異的光學和電子性能，被廣泛應用于橡膠、發電站、燃料電池等領域[3]。TiO2NPs因其光學、催化和抗菌性能，廣泛應用于催化劑、化妝品、油漆和塑料中[4]。磁鐵礦NPs(MHNPs)和磁鐵礦NPs(MNNPs)是去除重金屬最有前景的材料[5]。

然而納米材料的大量使用會對環境造成潛在的危害，特別是進入污水處理廠中。城市污水中的NPs水平在μg/L至mg/L范圍內，NPs可能積聚在污泥中，然后部分釋放到污泥消化池中[6]。因此，越來越多的研究人員關注NPs對污水處理廠生物處理中的功能微生物的不利影響。由于獨特的物理化學性質，功能性細菌和NPs之間的相互作用可能是復雜的，包括相關的，目前仍未完全了解。

1 納米顆粒的作用機制

納米顆粒在葡萄糖發酵、產甲烷、氨氧化、亞硝酸鹽氧化、反硝化和除磷過程中對功能微生物有不同的作用。NPs對微生物的影響包括底物利用、酶活性、膜完整性、氧化應激、毒性離子釋放、轉錄調控和群落結構。

NPs對人體動物以及微生物的潛在影響也引起了廣泛關注。有研究發現，NiONPs可以誘導細胞毒性，并激活參與人類炎癥的細胞。NPs可以通過在大鼠的肺中直接釋放細胞內的趨化因子來募集嗜酸性粒細胞[8]。ZnONPs對污泥厭氧消化的水解和甲烷化步驟產生抑制作用；熒光原位雜交研究表明，較高濃度的ZnO納米粒降低了蛋白酶和輔酶的活性，降低了產甲烷菌的豐度[9]。添加10和50 mg/L ZnONPs會使總氮去除率明顯下降，相應的出水磷濃度增加，表明較高濃度的ZnONPs會導致正常除磷損失[10]。

Yu等[11]研究N.europaea暴露于3種常用的NPs(TiO2、CeO2和ZnO)及其二組分混合物6 h后的反應，表明CeO2與TiO2聯合作用對細胞產生拮抗毒性，而CeO2和ZnO的共存誘導了協同的細胞毒性。Choi等[12]研究發現AgNPs與TiO2NPs共存會對硝化耗氧速率的脅迫產生協同效應，但與ZnONPs共存時則會產生拮抗效應。這些發現表明，不同類型的NPs的共存可能對微生物產生協同或拮抗效應。這可能是由于不同種類的NPs在水中易相互吸附或結合，并改變各自的物理化學性質，從而導致其對活性污泥系統產生聯合脅迫效應。目前關于不同種類NPs對活性污泥系統的聯合脅迫影響研究較少。

2 納米顆粒對厭氧氨氧化細菌的毒性效應

NPs在Anammox系統內存在5種行為：①溶解，NPs外部的金屬及金屬氧化物會與OH-發生反應，利于NPs溶解；②胞外吸附，Anammox細菌分泌的EPS含有大量的官能團，如氨基、羧基，提供了結合位點，釋放出的金屬離子也會由于靜電引力吸附在EPS；③腐蝕，EPS與細胞膜分離后，NPs發生氧化還原反應直接作用于細胞膜或金屬離子間接破壞膜成分；④跨膜傳遞，當金屬離子過量時，會被非特異性金屬轉運系統的膜金屬蛋白轉運到細胞內；⑤胞內積累，NPs與金屬離子進入細胞內會破壞蛋白質結構和功能，抑制關鍵酶活性，降低厭氧氨氧化細菌的代謝。

2.1 溶出金屬離子

NPs自身釋放的金屬離子會對細胞造成毒害。低濃度下，NPs的抑制與釋放的金屬離子有關，在細胞外如銅離子過多的異常條件下膜金屬蛋白會通過細胞質膜轉運離子，這些膜金屬蛋白在正常情況下會轉運非抑制性金屬如鈣、鎂，銅離子的內化就會引起關鍵酶的代謝紊亂，導致中間產物積累，Anammox細菌活性受到抑制，EPS產量減少。

Xu等[14]運用UASB反應器進行了連續流實驗，研究了NiONPs脅迫下系統脫氮性能，結果表明NiONPs(<10 mg/L)利于AnammoxUASB反應器系統運行，這是由于低濃度的Ni2+是微生物必須的一種營養元素。10～60 mg/L NiONPs對Anammox顆粒有抑制作用。隨著NiONPs的增加，CandidatusKuenenia仍為優勢菌種，其豐度變化與脫氮性能相似。與NiONPs相比，Ni2+水平與Candidatus Kuenenia的豐度呈較高的負相關。Zhang等[15]發現CuONPs、ZnONPs和AgNPs達到50 mg/g懸浮固體(SS)不影響Anammox活性。CuONPs的無毒可能與CuONPs的溶解能力較低有關，而CuNPs的毒性則部分歸因于其較高的溶解能力。Zheng[16]研究了AgNPs對厭氧氨氧化細菌長期暴露的影響，結果顯示濃度低于50 mg/L的AgNPs顆粒對脫氮性能和相對豐度沒有不利影響，低濃度的AgNPs甚至會增加細菌群落的多樣性和相對豐度。AgNPs的毒性機制完全歸因于其釋放的有毒Ag+，Ag+通過與蛋白質的巰基結合來破壞蛋白質功能，并通過損害膜的通透性來誘導細胞溶解和死亡。通過批量實驗，計算得出Ag+水平導致對Anammox活性抑制50%為11.52±0.49 mg/L[17]，因此實驗進水中0.22±0.04 mg/L的Ag+不會抑制Anammox顆粒的活性或影響細胞膜的完整性。

2.2 細胞膜損傷

NPs具有較大的比表面積，能夠充分地與細胞膜接觸反應，損傷細胞膜，但NPs與膜反應較復雜，可能改變脂肪酸成分或者通過物理方法增加膜的通透性，或者通過氧化還原破壞膜等。

細胞外乳酸脫氫酶水平被描述為膜完整性的指標[18]，乳酸脫氫酶水平越高，細胞受損越嚴重。在NPs超過EPS結合能力后，更多的NPs到達細胞膜表面甚至會進入細胞內。

Zhang等[15]認為NPs誘導的細胞膜損傷是NPs毒性的重要原因。在CuONPs、ZnONPs和AgNPs下，沒有觀察到細胞外乳酸脫氫酶(LDH)的顯著增加。然而，在12.5 mg/gSS CuNPs下檢測到乳酸脫氫酶顯著增加，在更高的負荷下，這一現象極其顯著。Zhang等[19]發現暴露于5 mg/g懸浮固體(SS)的CuNPs使Anammox活性降低至47.1%±8.5%，并刺激細胞外LDH的釋放，LDH水平升高至110.5%±3.4%。細胞外N2H4濃度增加16倍，但未引起明顯的ROS積累。

2.3 氧化應激

NPs誘導氧化損傷自身產生ROS，對細胞內脂質、蛋白質有毒，降低亞硝酸鹽還原酶的活性，抑制胞外多糖的產生。此外，光的存在是納米顆粒產生ROS的先決條件，有研究表明無光無氧的厭氧氨氧化系統不會產生ROS。

Zhang等[20]認為光照是MONPs誘導產生活性氧的先決條件，氧的參與也是產生ROS的另一個必要因素。對于厭氧和黑暗厭氧氨氧化系統，MONPs可能不會對厭氧氨氧化細胞造成氧化損傷。Zhao等[21]在實驗中觀察到細胞內ROS的產生隨著ZnONPs濃度的升高而顯著增加，降低Anammox細菌的生存力。ROS生成的增加可歸因于ZnONPs和釋放的Zn2+。由于ZnONPs的電子性質，ROS也可以在納米粒子表面產生[22]。此外，釋放的Zn2+也可以被帶負電的細菌細胞壁吸收，從而導致ROS的產生[23]。

2.4 活性抑制

進入細胞內的NPs引起細胞的氧化應激行為導致蛋白質轉錄翻譯受阻。此外，進入細胞的NPs會與蛋白質、DNA相互作用。

Zhang等[20]也發現暴露于MONPs后，參與厭氧氨氧化代謝的3種關鍵酶的活性受到不同程度的影響?？偟膩碚f，Al2O3NPs或TiO2NPs的存在具有積極作用，而SiO2NPs具有消極作用。此外，CeO2NPs對NXR和HDH的活性產生了消極影響。盡管如此，厭氧氨氧化是一種偶聯反應，對酶活性的輕微差異影響可能不會明顯干擾厭氧氨氧化的性能。

3 結語與展望

為評估納米顆粒對污水處理微生物的潛在危害，目前針對厭氧氨氧化系統內不同NPs對厭氧氨氧化污泥的毒性機制研究逐漸豐富。然而，納米顆粒對整體微生物群落結構和功能及長期影響方面的實驗仍然較少。此外，由于環境中納米材料種類眾多，不同類型納米顆粒物對微生物的毒性有較大區別。即使同種納米顆粒也會因粒徑、pH等外界因素變化，導致其性質和顆粒穩定性存在差別。因此，此后的研究應更加關注納米顆粒對厭氧氨氧化菌的長期影響，以及多種納米顆粒對厭氧氨氧化菌的復合脅迫作用。