Processing math: 100%

纳米银对SBRs脱氮效率的影响及外源AHLs的调控作用

李金璞, 唐珠, 杨新萍. 纳米银对SBRs脱氮效率的影响及外源AHLs的调控作用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2944-2953. doi: 10.12030/j.cjee.202104088
引用本文: 李金璞, 唐珠, 杨新萍. 纳米银对SBRs脱氮效率的影响及外源AHLs的调控作用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2944-2953. doi: 10.12030/j.cjee.202104088
LI Jinpu, TANG Zhu, YANG Xinping. Effects of silver nanoparticles on nitrogen removal of SBRs and the regulation of exogenous AHLs[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2944-2953. doi: 10.12030/j.cjee.202104088
Citation: LI Jinpu, TANG Zhu, YANG Xinping. Effects of silver nanoparticles on nitrogen removal of SBRs and the regulation of exogenous AHLs[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2944-2953. doi: 10.12030/j.cjee.202104088

纳米银对SBRs脱氮效率的影响及外源AHLs的调控作用

    作者简介: 李金璞(1995—),女,硕士研究生。研究方向:水污染控制工程。E-mail:ljinpu@163.com
    通讯作者: 杨新萍(1972—),女,博士,教授。研究方向:水污染控制工程。E-mail:xpyang@njau.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金项目(31870489)
  • 中图分类号: X703.1

Effects of silver nanoparticles on nitrogen removal of SBRs and the regulation of exogenous AHLs

    Corresponding author: YANG Xinping, xpyang@njau.edu.cn
  • 摘要: 进入市政污水处理设施的纳米银颗粒(silver nanoparticles,AgNPs)是影响活性污泥污水处理系统中微生物活性的因素。为探究AgNPs对活性污泥污水处理系统脱氮效率的影响,以序批式反应器作为模拟活性污泥污水处理系统,研究了进水中分别添加不同浓度AgNPs(10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs)、Ag+(3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+)时对反应器脱氮性能的影响。实验结果表明:AgNPs及其溶解释放的Ag+分别抑制了活性污泥微生物的硝化和反硝化作用,降低了反应器对总氮的去除率;Illumina Miseq高通量测序结果表明,AgNPs和Ag+影响了活性污泥中硝化细菌和反硝化细菌的相对丰度;与对照相比,在10 mg·L−1 AgNPs胁迫下,活性污泥微生物分泌酰基高丝氨酸内酯类(acyl homeserine lactones,AHLs)信号分子的数量和种类均有变化;向受10 mg·L−1 AgNPs胁迫的活性污泥系统外源添加混合AHLs,5 d后,总氮平均去除率由69.41%提高至93.04%,并在添加AHLs后的5~10 d内维持着较高的总氮去除效率。外源添加AHLs可能是一种提高AgNPs胁迫下活性污泥污水处理系统生物脱氮效率的有效调控措施。
  • 重金属污染场地,指长期进行矿产冶炼、电镀加工、不锈钢生产、仪表机械制造等产业的重金属企业厂区,因没有采取严格规范的环保措施[1],产生废气沉降、废液灌溉和废弃物堆积[2]等,从而直接或间接污染土壤的工业场地,直接或间接造成的被重金属元素污染土壤的工矿业场地。重金属污染具有隐蔽性强、潜伏期长、污染后果严重等特点[3]。据2014年发布的《全国污染土壤调查状况公报》[4](简称公报),我国土壤的总超标率达到了16.1%。其中,工矿业废弃地的土壤环境问题突出,比较典型且污染严重的地块类型有3种:重污染企业用地的招标点位占调查总数的36.3%;工业废弃地的超标点位占调查总数的34.9%;工业园区的超标点位占调查总数的29.4%。土壤污染主要由无机污染物造成。该公报列举了铜、汞、镍、镉、铬、砷、铅、锌8种重金属元素作为无机污染物,并对其进行了详细说明。

    随着我国“退二进三”的城市化发展及产业结构升级,城市的工业污染场地引起人们关注,其中重金属是主要污染源,影响周边居民健康,制约土地资源的二次利用[5]。近年来,我国针对重金属污染场地的污染修复技术发展日渐成熟,基于已有的技术研究,董家麟[6]以国内外大量文献综合分析各项技术的优缺点及应用范围;宋立杰等[7]介绍且分析了各项修复技术的实施方法;晁文彪[8]通过研究专利技术对重金属污染修复技术的发展趋势作出了展望。但目前大多数研究聚焦于重金属污染土壤的整体技术发展现状,单独对场地修复技术进行研究的综述类文献较少。本研究对重金属污染场地修复技术专利(简称专利)进行了计量分析,探究各项技术的发展趋势。

    本研究是基于国家知识产权局专利检索及分析网站进行的检索,设计检索式以关键词“重金属”和“土壤”为主,排除了农、矿、垃圾、肥、污泥等几个关键词,此外,在中国知识资源综合数据库(简称中国知网)以同一个检索式进行二次检索,以专利公开日为日期标准,截取时间段为2002年1月1日—2019年5月24日的专利,筛选排除了农田土壤修复、土壤重金属检测方法、土壤重金属来源分析及风险评估方法等专利,得到关于重金属污染场地修复技术的公开专利1 556项。梳理筛选得到的专利,将专利的名称、公开日、授权日、公开号、研究机构、发明人、技术类型、目标重金属、应用效果、优点等录入Excel并利用筛选功能、查找功能进行公开年份(分析年度变化均以此为标准)、目标重金属、技术类型的统计;利用Origin软件制图。文中2019年的专利数量为2019年1月1日—2019年5月24日的专利数量总和,采用文献计量学方法系统总结了重金属污染场地修复技术的现状、特点及发展趋势。

    1)专利总量年度变化。2002—2019年公开的专利总数、授权发明专利数量及实用新型专利数量年度变化趋势见图1。公开专利的研究进程可以分为4个阶段。第1阶段为2002—2009年,该阶段公开的专利数量增长几乎停滞;第2阶段为2009—2013年,国内研究处于起步阶段,平均增长率约为16项·a−1;2013年进入了重金属污染场地修复的第3阶段,公开的专利数量快速增长,平均增长率为67项·a−1,尤其是2016—2017年,公开的专利数量增长了101项;第4阶段是2017年至今,公开的专利数量稍有回落,趋于稳定,2018年公开的专利数量为219项,2019年1—5月公开的专利数量为141项。第3阶段的公开专利数量增长可能因为2012年国家将土壤修复列入《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》(国发[2012]28号)的“先进环保产业发展路线图”,江苏省、广东省、重庆市、湖南省等地普遍关停了多家企业,开展了工矿企业搬迁原址场地土壤的修复[9],激发了土壤修复产业的活力。

    图 1  2002—2019年专利数量变化
    Figure 1.  changes of patent number from 2002 to 2019

    在此期间,授权专利数量总体呈增长趋势,实用新型专利在2014年开始发展,专利数量占专利总数的比例逐渐增大,2014年占比为13.70%,2016年占比为14.64%,2017年占比为15.23%。这说明修复治理重金属污染场地的各项技术研究成熟后,研发具有自主知识产权、符合我国国情的重金属污染场地修复装置和设备也引起了人们重视。

    2)专利总量区域分布和机构分布。申请公开专利数量占据全国前10名的区域见表1。由表1可知,江苏省、湖南省、广东省、北京市是主要的专利申请地区,被公开的申请专利数量分别为225、155、153和147项。这4个省份公开专利数量比较多,其主要原因为:第一,可能是因为当地科研机构多、科研氛围浓厚。全国范围内申请重金属污染场地修复技术专利的机构总数为611个,其中江苏省、湖南省、广东省、北京市的机构数量分别为71、58、72和64个,4个省份的机构数量总和近乎占据了全国研究机构总量的一半;第二,可能是当地的工业结构和产业需求促进了重金属污染土壤修复技术的发展。2011年,廖晓勇等[5]提出,我国达到工业规模级别的重金属冶炼企业及重金属压延加工企业数量众多,其中这类企业在江苏省的数量最多,浙江省、广东省、湖南省名列前茅,在产业结构调整和城市化发展的推动下,重金属污染场地的修复成了这些省份必须解决的问题,因此,修复技术的研究发展也相应较快。

    表 1  区域专利数量前10名和区域机构数量前10名
    Table 1.  Top 10 regions in patent numbers and top 10 regions in organizations
    区域专利数量/项区域机构数量/个
    江苏省225广东省72
    湖南省155江苏省71
    广东省153北京市64
    北京市147湖南省58
    上海市92上海市38
    浙江省91山东省35
    湖北省86湖北省33
    四川省75安徽省32
    山东省66浙江省31
    安徽省57四川省29
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    3)公开专利的重金属研究对象及其适用技术分析。常见的重金属研究对象为镉、铅、铜、锌、铬、砷、汞、镍,其中研究镉、铬、铜、铅、锌等5种重金属的公开专利尤其多,用于处理镉、铅、铜、锌、铬、砷、汞、镍为主的污染场地的公开专利分别为324、257、186、163、140、91、77和58项,关于其余重金属污染场地修复技术的公开专利均不足50项,这说明以上列举的几种重金属的处理技术研究比较成熟。其中,铜、铬、锌、镍、锰等几种重金属的技术研究均是从生物修复技术起步,再扩展研究其他技术的应用。固化/稳定化技术在各类重金属污染场地的技术占比为31.48%~54.55%,可以普遍应用于各种重金属污染场地,适用性广;生物修复技术则常用于镉、铅、铜、锌、锰等几种重金属污染场地,技术占比为25.77%~41.18%,这主要取决于可筛选应用于不同重金属污染场地的生物资源丰富度;联合修复技术比较适用于铬污染场地,技术占比达到24.29%,对于一些其他重金属污染,如钴、锶、锑、铯、硒,这几种金属的联合修复技术研究也在2014年和2017年有所发展;淋洗修复技术常用于修复镉、铅、铜、锌、镍、砷、汞等重金属污染场地,技术占比均为10%~15%;物理修复技术在镍、锰、铬、铜、汞几种重金属污染场地应用得比较多,技术占比为9.09%~12.14%,主要是吸附修复技术和电动修复技术发展得比较好,热脱附修复技术主要应用在汞污染场地和砷污染场地中,磁分离修复技术则主要应用于铬污染场地、铜污染场地和铅污染场地。

    固化/稳定化技术修复重金属污染场地的公开专利总数、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图2。该项技术在2010年才开始发展,整体呈现上升趋势,2013—2017年发展最为迅猛,近2年发展趋势有所回落。迄今为止,2015年固化/稳定化技术的授权发明专利数量最多,实用新型专利变化一直波动不大。固化/稳定化技术是一种高效、快速治理重金属污染场地的技术,该技术主要通过调节土壤pH、离子交换、螯合作用、络合作用、吸附作用等方式改变重金属离子的赋存形态,降低其生物有效性和生态毒性,从而达到固化/稳定化重金属的目的。近几年,固化稳定化技术的主要发展趋势是研发绿色环保固化/稳定化药剂、降低二次污染的风险。以往大量研究选用水泥、石灰等作为固化/稳定化修复药剂的主要成分进行修复,易出现土壤板结或过度石灰化的现象,既覆盖了重金属污染土壤的表面,影响治理效果,也不利于污染土壤的二次利用;部分研究选用化学药剂作为固化/稳定化修复药剂,易造成土壤盐碱化或者酸化、碱化土壤。因此,天然材料如秸秆、贝壳粉、木质素等材料的应用得到了重视。此外,国内重视以废治废、变废为宝的理念,对钢渣、废弃石膏、电石渣等进行利用,但由于易造成二次污染,材料逐渐由钢渣转变成具有生物可降解性的废料,如糖醛渣、农林废弃物、城市污水厂的污泥,降低成本和环境风险。

    图 2  2002—2019年固化/稳定化技术专利数量
    Figure 2.  Patent number of immobilization/stabilization technology from 2002 to 2019

    利用生物修复技术修复重金属污染场地的公开专利总数、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图3。自2005年起,该项技术的专利总数基本呈现上升趋势,授权发明专利的数量在2013年后呈递减趋势,实用新型专利发展缓慢。生物修复技术是指利用自然界的生物资源,如通过微生物菌株、超累积植物和蚯蚓等吸收或移除土壤中的重金属,从而对重金属污染场地进行修复。该技术主要包括植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术、生物联合修复技术。目前,研究者偏向于发展动物和微生物辅助超累积植物吸收重金属为主的生物联合修复技术。近几年,研究重点主要包括3个方面:一是如何提高植物对重金属的吸收效率,常用方法包括施加生物炭基肥[10-12]、微生物复合菌剂[13-15]或动物[16-17]等;二是如何保证种子在重金属污染土壤中的存活率,现有的解决办法包括生态修复床[18-19]、人工包埋种子[20]、增加纤维丝隔离层[21-22]等;三是如何筛选生物资源,植物修复技术一般采用生物量大、生长迅速、重金属超累积容量大的植物,微生物修复技术则一般采用对重金属耐受性较高的菌株,例如芽孢杆菌和霉菌。

    图 3  2002—2019年生物修复技术专利数量
    Figure 3.  Patent number of bioremediation technology from 2002 to 2019

    淋洗技术修复重金属污染场地的公开专利数量、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图4。淋洗修复技术的公开专利在2011年开始发展,专利总数基本呈现上升趋势,2017年专利总数达到44项。淋洗修复技术主要是异位修复,须依赖装置设备,提高修复效果,降低淋洗剂用量[23-27]。其核心在于淋洗剂的选用和实际场地的实施,这2个要素决定了淋洗技术能否在重金属污染场地修复领域中广泛被应用。淋洗常选用酸溶液作为淋洗剂,但EDDS、聚环氧琥珀酸、柠檬酸、苹果酸等可生物降解的酸溶液价格昂贵,因此,常配合水、硝酸或盐酸、氯化铁水溶液、吐温80等其他淋洗剂使用,从而降低环境风险和药剂成本;场地实施一般利用振荡进行淋滤,为加快淋洗速度,郭红岩等[28]和郭军康等[29]开始研究通过微波/超声波等促进淋滤过程,目前,郭军康等[30]已同步设计了超声波强化萃取装置,但尚未有应用实例。

    图 4  2002—2019年淋洗修复技术专利数量
    Figure 4.  Patent number of rinsing remediation technology from 2002 to 2019

    物理修复技术是指利用阻隔、吸附、电迁移、电泳、电渗析、热脱附、磁场效应等物理原理对重金属污染场地进行修复的技术,主要包括电动修复技术、吸附修复技术、阻隔修复技术、磁分离修复技术和热脱附修复技术。

    电动修复技术的公开专利数量、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图5。2017年之前电动修复技术的公开专利数量总体呈上升趋势,2017年达到最大值27项;授权发明专利数量有所波动,2017年前实用新型专利的数量呈持续上升的趋势。目前,电动修复技术的研究热点主要是电动装置的创新,既包括电极、电解液等的材料创新,也包括电动装置本身的结构组成创新。

    图 5  2002—2019年电动修复技术专利数量
    Figure 5.  Patent number of electric remediation technology from 2002 to 2019

    吸附修复技术的公开专利数量、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图6。2014年授权发明专利达到峰值,2015年实用新型专利开始发展。目前,研究比较成熟的有海藻酸钠制备吸附板和吸附微球[31-33]、农业废弃物制备生物炭[34-36]等,技术重点主要是对吸附材料进行改性提高其吸附效率,增大吸附容量;常用的原材料一般是黏土矿物,如凹凸棒土、膨润土、沸石、二元水滑石等,也有有机高分子材料,例如树脂、凝胶球等。

    图 6  2002—2019年吸附修复技术专利数量
    Figure 6.  Patent number of adsorption remediation technology from 2002 to 2019

    其他物理修复技术还包括磁分离修复技术、热脱附修复技术和阻隔修复技术等。磁分离修复技术只能应用于磁性重金属,2014年后,每年的公开专利数量维持在4~5项,2018年、2019年的公开专利总数均为6项;热脱附修复技术从2014年开始发展,整体呈缓慢的上升趋势,主要适用于含汞、砷的重金属污染场地,应用范围狭窄、耗能较高,研究重点是不同类型的热脱附装置[37-39],2014年开始发展,整体呈缓慢上升趋势;阻隔修复技术的公开专利数量保持波动。

    联合修复技术的公开专利数量、授权发明专利数量和实用新型专利数量统计结果见图7,该项技术从2013年开始发展,公开专利数量总体呈现上升趋势,2017年,达到最大值为87项,主要集中为研究原位修复重金属污染的阻隔装置[40-42];授权发明专利的数量在2014年较多;实用新型专利则在2017年达到峰值。

    图 7  2002—2019年联合修复技术专利数量
    Figure 7.  Patent number of joint remediation technology from 2002 to 2019

    联合修复技术指联合1种或2种以上技术进行重金属污染场地的修复治理,通常是以固化/稳定化技术、生物修复技术和淋洗修复技术为主,物理修复技术为辅进行。电动修复技术[43-46]、吸附修复技术[47-49]和热脱附修复技术[50-53]均常与淋洗修复技术联用,通过吸附等方式富集淋出液中的重金属后,淋出液可以进行回用,此外,其也常与生物技术联用,加快植物吸收重金属的速率;磁分离技术逐渐受到重视,该项技术配合固化/稳定化技术应用于重金属污染场地,可有效移除场地土壤中的重金属[54-55],配合淋洗技术使用则可以快速吸附淋出液的重金属,使得淋出液可以回用[56-59]

    1)近几年,研究者更加重视相关装置的发展,直接反映为实用新型专利的数量占比显著提高。

    2)国内重金属污染场地修复技术的公开专利发展可分为4个阶段,2013—2017年发展迅猛,平均增长率为66项·a−1,近2年发展渐缓。其中,江苏省、北京市、广东省、湖南省的科研机构众多,公开专利总数也比较多。

    3)综合适用对象范围、研究机构数量、公开专利数量及年份变化趋势等因素进行评估,可以看出,目前,发展较好的重金属污染场地修复技术依次为固化/稳定化技术、淋洗修复技术、物理修复技术,以废治废、降低成本仍然是研究热点。

  • 图 1  SBRs中水相和泥相Ag质量浓度

    Figure 1.  Ag concentrations in supernatant and sludge of SBRs

    图 2  AgNPs与Ag+对SBRs出水NH+4-N、NO3-N和TN去除率及NO2N质量浓度的影响

    Figure 2.  Effects of AgNPs and Ag+ on the removal rates of NH+4-N and NO3-N and TN and NO2-N concentrations in effluent

    图 3  SBRs运行第60天活性污泥中部分硝化和反硝化细菌属水平上分布热图

    Figure 3.  Richness heat map of bacteria genera associated with nitrification and denitrification in the activated sludge fed with different concentrations of AgNPs and Ag+ on the 60th day

    图 4  进水中添加10 mg·L−1 AgNPs反应器活性污泥中AHLs浓度

    Figure 4.  AHLs concentrations in activated sludge of SBRs fed with 10 mg·L−1 AgNPs

    图 5  添加AHLs对AgNPs与Ag+胁迫下SBRs出水NH+4-N、NO3-N和TN去除率及NO2-N质量浓度的影响

    Figure 5.  Effects of AgNPs and Ag+ on the removal rates of NH+4-N and NO3-N and TN and NO2-N concentrations in effluent

  • [1] BRYASKOVA R, PENCHEVA D, NIKOLOV S, et al. Synthesis and comparative study on the antimicrobial activity of hybrid materials based on silver nanoparticles (AgNps) stabilized by polyvinylpyrrolidone (PVP)[J]. The Journal of Biological Chemistry, 2011, 4(4): 185-191. doi: 10.1007/s12154-011-0063-9
    [2] GOTTSCHALK F, SONDERER T, SCHOLZ R W, et al. Modeled environmental concentrations of engineered nanomaterials (TiO2, ZnO, Ag, CNT, Fullerenes) for different regions[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 43(24): 9216-9222.
    [3] HOQUE M E, KHOSRAVI K, NEWMAN K, et al. Detection and characterization of silver nanoparticles in aqueous matrices using asymmetric-flow field flow fractionation with inductively coupled plasma mass spectrometry[J]. Journal of Chromatography A, 2012, 1233(7): 109-115.
    [4] ZHOU D. Transport and transformation of nano Ag particle in soils and its environmental effects[J]. Environmental Chemistry, 2015.
    [5] HREIZ R, LATIFI M A, ROCHE N. Optimal design and operation of activated sludge processes: State-of-the-art[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 281: 900-920. doi: 10.1016/j.cej.2015.06.125
    [6] 李志华, 刘芳, 王晓昌. 影响微生物聚集体的聚集度的因素分析[J]. 环境科学学报, 2010, 30(30): 456-462.
    [7] BENN T M, WESTERHOFF P. Nanoparticle silver released into water from commercially available sock fabrics[J]. Environmental Science & Technology, 2008, 42(11): 4133.
    [8] 阳桂菊, 车鉴, 王丽丽, 等. 微生物聚集中的群体感应与交流合作[J]. 氨基酸和生物资源, 2015, 37(1): 1-6.
    [9] 陈瑞, 王大力, 林志芬, 等. 枯草芽孢杆菌的群体感应信号系统及其在环境领域的应用前景[J]. 安全与环境学报, 2012, 12(6): 5-8. doi: 10.3969/j.issn.1009-6094.2012.06.002
    [10] DING S, ZHENG P, LU H, et al. Ecological characteristics of anaerobic ammonia oxidizing bacteria[J]. Applied Microbiology & Biotechnology, 2013, 97(5): 1841-1849.
    [11] 宋志伟, 邱杰, 张晴, 等. 细菌群体感应在好氧颗粒污泥中的研究现状[J]. 绿色科技, 2018, 16(8): 8-16.
    [12] 于多. 群体感应(QS)对MBR膜污染影响分析[D]. 沈阳: 辽宁大学, 2016.
    [13] 李玖龄, 孙凯, 孟佳, 等. 超高效液相色谱-串联质谱法检测微氧生物脱氮菌群酰基高丝氨酸内酯信号分子[J]. 分析化学研究报告, 2016, 8: 1165-1170.
    [14] MA H, WANG X, ZHANG Y, et al. The diversity, distribution and function of N-acyl-homoserine lactone (AHL) in industrial anaerobic granular sludge[J]. Bioresource Technology, 2018, 247: 116-124. doi: 10.1016/j.biortech.2017.09.043
    [15] HU H, HE J, LIU J, et al. Biofilm activity and sludge characteristics affected by exogenous N-acyl homoserine lactones in biofilm reactors[J]. Bioresource Technology, 2016, 211: 339-347. doi: 10.1016/j.biortech.2016.03.068
    [16] SHROUT J D, NERENBERG R. Monitoring bacterial twitter: Does quorum sensing determine the behavior of water and wastewater treatment biofilms?[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 46(4): 1995-2005.
    [17] HAN Y, WANG Y, TOMBOSA S, et al. Identification of a small molecule signaling factor that regulates the biosynthesis of the antifungal polycyclic tetramate macrolactam HSAF in Lysobacter enzymogenes[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2015, 99(2): 801-811. doi: 10.1007/s00253-014-6120-x
    [18] 李冬, 杨敬畏, 李悦, 等. 缺氧/好氧交替连续流的生活污水好氧颗粒污泥运行及污染物去除机制[J]. 环境科学, 2020, 42(5): 2385-2395.
    [19] ZHANG X H, PENG Y Z, JIA F X, et al. Effect of the exogenous autoinducers on the anaerobic ammonium oxidation (anammox)[J]. China Environmental Science, 2018, 38(5): 1727-1733.
    [20] DE CLIPPELEIR H, DEFOIRDT T, VANHAECKE L, et al. Long-chain acylhomoserine lactones increase the anoxic ammonium oxidation rate in an OLAND biofilm[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2011, 90(4): 1511-1519. doi: 10.1007/s00253-011-3177-7
    [21] LI A J, HOU B L, LI M X. Cell adhesion, ammonia removal and granulation of autotrophic nitrifying sludge facilitated by N-acyl-homoserine lactones[J]. Bioresource Technology, 2015, 196: 550-558. doi: 10.1016/j.biortech.2015.08.022
    [22] 侯保连, 李安婕, 孙趣. AHLs群体感应信号分子对硝化污泥附着生长及硝化效果的影响[J]. 环境科学学报, 2015, 35(9): 2773-2779.
    [23] LI Y S, PAN X R, CAO J S, et al. Augmentation of acyl homoserine lactones-producing and -quenching bacterium into activated sludge for its granulation[J]. Water Research, 2017, 125: 309-317. doi: 10.1016/j.watres.2017.08.061
    [24] TAN C H, KOH K S, XIE C, et al. The role of quorum sensing signalling in EPS production and the assembly of a sludge community into aerobic granules[J]. The ISME Journal, 2014, 8(6): 1186-1197. doi: 10.1038/ismej.2013.240
    [25] LI S, MU J, DU Y, et al. Study and application of real-time control strategy based on DO and ORP in nitritation-denitrification SBR start-up[J]. Environmental Science & Technology, 2019: 1-12.
    [26] 孙秀玥. 纳米银和银离子对SBR污水处理系统污泥活性的影响[D]. 南京: 南京农业大学, 2019.
    [27] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 4版. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.
    [28] 高廷耀, 顾国维, 周琪. 水污染控制工程(下册)[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2015.
    [29] MCGRATH S P, CUNLIFFE C H. A simplified method for the extraction of the metals Fe, Zn, Cu, Ni, Cd, Pb, Cr, Co and Mn from soils and sewage sludges[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 1985, 36(9): 794-798. doi: 10.1002/jsfa.2740360906
    [30] WANG J, DING L, LI K, et al. Development of an extraction method and LC-MS analysis for N-acylated-l-homoserine lactones (AHLs) in wastewater treatment biofilm[J]. Journal of Chromatography B, 2017, 1041-1042: 37-44. doi: 10.1016/j.jchromb.2016.11.029
    [31] LIANG Z, DAS A, HU Z. Bacterial response to a shock load of nanosilver in an activated sludge treatment system[J]. Water Research, 2010, 44(18): 5432-5438. doi: 10.1016/j.watres.2010.06.060
    [32] ADAV S S, LEE D J, SHOW K Y, et al. Aerobic granular sludge: Recent advances[J]. Biotechnology Advances, 2008, 26(5): 411-423. doi: 10.1016/j.biotechadv.2008.05.002
    [33] 鞠峰, 张彤. 活性污泥微生物群落宏组学研究进展[J]. 微生物学通报, 2019, 46(8): 2038-2052.
    [34] CAO J, ZHANG T, WU Y, et al. Correlations of nitrogen removal and core functional genera in full-scale wastewater treatment plants: Influences of different treatment processes and influent characteristics[J]. Bioresource Technology, 2020, 297: 122455. doi: 10.1016/j.biortech.2019.122455
    [35] HUANG T L, ZHOU S L, ZHANG H H, et al. Nitrogen removal characteristics of a newly isolated indigenous aerobic denitrifier from oligotrophic drinking water reservoir, Zoogloea sp. N299[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2015, 16(5): 10038.
    [36] WANG J, DING L, LI K, et al. Estimation of spatial distribution of quorum sensing signaling in sequencing batch biofilm reactor (SBBR) biofilms[J]. Science of the Total Environment, 2018, 612: 405-414. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.07.277
    [37] SUN Y, HE K, YIN Q, et al. Determination of quorum-sensing signal substances in water and solid phases of activated sludge systems using liquid chromatography-mass spectrometry[J]. Journal of Environmental Sciences (China), 2018, 69: 85-94. doi: 10.1016/j.jes.2017.04.017
    [38] 朱颖楠, 王旭, 王瑾丰, 等. 外源群体感应-好氧反硝化菌强化生物膜脱氮研究[J]. 环境科学学报, 2019, 39(10): 3225-3237.
    [39] 张向晖, 彭永臻, 贾方旭, 等. 外源自诱导物对厌氧氨氧化的影响[J]. 中国环境科学, 2018, 38(5): 129-135.
  • 加载中
    Created with Highcharts 5.0.7访问量Chart context menu近一年内文章摘要浏览量、全文浏览量、PDF下载量统计信息摘要浏览量全文浏览量PDF下载量2024-052024-062024-072024-082024-092024-102024-112024-122025-012025-022025-032025-040Highcharts.com
    Created with Highcharts 5.0.7Chart context menu访问类别分布DOWNLOAD: 3.8 %DOWNLOAD: 3.8 %HTML全文: 79.7 %HTML全文: 79.7 %摘要: 16.5 %摘要: 16.5 %DOWNLOADHTML全文摘要Highcharts.com
    Created with Highcharts 5.0.7Chart context menu访问地区分布其他: 94.8 %其他: 94.8 %XX: 3.6 %XX: 3.6 %上海: 0.1 %上海: 0.1 %北京: 0.4 %北京: 0.4 %北海: 0.1 %北海: 0.1 %广州: 0.1 %广州: 0.1 %成都: 0.1 %成都: 0.1 %武汉: 0.1 %武汉: 0.1 %深圳: 0.4 %深圳: 0.4 %玉林: 0.1 %玉林: 0.1 %运城: 0.1 %运城: 0.1 %郑州: 0.1 %郑州: 0.1 %重庆: 0.1 %重庆: 0.1 %阳泉: 0.1 %阳泉: 0.1 %其他XX上海北京北海广州成都武汉深圳玉林运城郑州重庆阳泉Highcharts.com
图( 5)
计量
  • 文章访问数:  4828
  • HTML全文浏览数:  4828
  • PDF下载数:  70
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-13
  • 录用日期:  2021-08-04
  • 刊出日期:  2021-09-10
李金璞, 唐珠, 杨新萍. 纳米银对SBRs脱氮效率的影响及外源AHLs的调控作用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2944-2953. doi: 10.12030/j.cjee.202104088
引用本文: 李金璞, 唐珠, 杨新萍. 纳米银对SBRs脱氮效率的影响及外源AHLs的调控作用[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2944-2953. doi: 10.12030/j.cjee.202104088
LI Jinpu, TANG Zhu, YANG Xinping. Effects of silver nanoparticles on nitrogen removal of SBRs and the regulation of exogenous AHLs[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2944-2953. doi: 10.12030/j.cjee.202104088
Citation: LI Jinpu, TANG Zhu, YANG Xinping. Effects of silver nanoparticles on nitrogen removal of SBRs and the regulation of exogenous AHLs[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2944-2953. doi: 10.12030/j.cjee.202104088

纳米银对SBRs脱氮效率的影响及外源AHLs的调控作用

    通讯作者: 杨新萍(1972—),女,博士,教授。研究方向:水污染控制工程。E-mail:xpyang@njau.edu.cn
    作者简介: 李金璞(1995—),女,硕士研究生。研究方向:水污染控制工程。E-mail:ljinpu@163.com
  • 南京农业大学资源与环境科学学院,南京 210095
基金项目:
国家自然科学基金项目(31870489)

摘要: 进入市政污水处理设施的纳米银颗粒(silver nanoparticles,AgNPs)是影响活性污泥污水处理系统中微生物活性的因素。为探究AgNPs对活性污泥污水处理系统脱氮效率的影响,以序批式反应器作为模拟活性污泥污水处理系统,研究了进水中分别添加不同浓度AgNPs(10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs)、Ag+(3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+)时对反应器脱氮性能的影响。实验结果表明:AgNPs及其溶解释放的Ag+分别抑制了活性污泥微生物的硝化和反硝化作用,降低了反应器对总氮的去除率;Illumina Miseq高通量测序结果表明,AgNPs和Ag+影响了活性污泥中硝化细菌和反硝化细菌的相对丰度;与对照相比,在10 mg·L−1 AgNPs胁迫下,活性污泥微生物分泌酰基高丝氨酸内酯类(acyl homeserine lactones,AHLs)信号分子的数量和种类均有变化;向受10 mg·L−1 AgNPs胁迫的活性污泥系统外源添加混合AHLs,5 d后,总氮平均去除率由69.41%提高至93.04%,并在添加AHLs后的5~10 d内维持着较高的总氮去除效率。外源添加AHLs可能是一种提高AgNPs胁迫下活性污泥污水处理系统生物脱氮效率的有效调控措施。

English Abstract

  • 纳米银颗粒(silver nanoparticle,AgNPs)因其抗菌广谱、高效和不易产生耐药性等特点,广泛应用于医药、个人护理、家纺和家电等行业[1]。包含AgNPs的产品在其生产、加工、储存、使用和废弃等过程中,不可避免地直接或间接释放到环境中。据估算,约有60%的AgNPs通过污水管网进入市政污水处理厂[2],因此,污水处理系统是AgNPs重要的环境归趋。HOQUE等[3]的研究结果表明,污水中AgNPs的质量浓度一般在100~200 ng·L−1;ZHOU等[4]检测到活性污泥系统污泥中Ag质量分数可达到1.6 mg·kg−1。随着含有AgNPs材料的广泛应用,进入市政污水处理厂的AgNPs浓度会不断增加。活性污泥工艺是目前应用最广泛的污水生物处理技术,该工艺利用活性污泥(微生物聚集体)去除水中的各种污染物[5-6],包含AgNPs的污水可对活性污泥微生物活性产生抑制作用、降低出水水质、给水生生态系统带来负面影响[7-8]

    微生物群体感应(quorum sensing,QS)是指细菌自发产生、释放一些特定的信号分子,并能感知细菌群体中细胞密度变化进行种内或种间信息交流,从而调节微生物的群体行为[9]。作为高菌群密度的生态系统,活性污泥细菌的群体感应对环境变化非常敏感,可参与调控外来污染物胁迫下的自身应激代谢反应[10-11]。在污水处理系统中,细菌可分泌和释放酰基高丝氨酸内酯类(acyl-homeserine lactones,AHLs)信号分子,诱导生物膜形成并促进生物脱氮等过程[12-16]。HAN等[17]的研究表明,活性污泥系统中假单胞菌属细菌分泌AHLs并参与胞外聚合物分泌、种间竞争与脱氮等过程。污水中氮的去除是污水处理厂运行的首要目标之一[18-19]。外源投加信号分子[20-22]和群感菌[23-24]是目前利用微生物群体感应现象强化污水生物脱氮的主要方法。DE CLIPPELEIR等[20]发现,向活性污泥系统中添加适量外源AHLs信号分子可提高氨氧化速率和污泥中氨氧化菌的丰度。目前,关于AgNPs胁迫下活性污泥污水处理系统中微生物分泌AHLs信号分子的变化,以及这种变化与改进系统污染物去除效率间的关系研究鲜有报道。

    因此,研究AgNPs胁迫下活性污泥污水生物处理系统的脱氮性能、AHLs对AgNPs胁迫的响应及外源添加AHLs对活性污泥脱氮效率恢复的调控,对阐明活性污泥系统中AgNPs对微生物的胁迫效应,采取可行的调控污泥微生物活性的生物措施具有重要意义。

  • 以序批式反应器(sequencing batch reactors,SBRs)模拟活性污泥污水处理系统。SBRs有效容积为1.6 L,曝气系统包括空气泵和曝气头,空气流速为2.0 L·min−1。SBRs每日运行2个周期,每周期5 h,包括进水15 min、搅拌90 min、曝气90 min、静置90 min和排水15 min,非运行期的SBRs处于静置状态。SBRs启动第20 天,污泥浓度(mixed liquor suspended solids,MLSS) 和污泥容积指数(sludge volume index,SVI)分别达到(6 503±39) mg·L−1和(52.6±0.8) mL·g−1,活性污泥系统运行稳定。这时在进水中分别添加AgNPs和Ag+,开始实验。SBRs中活性污泥混合液在一个运行周期内的溶解氧(dissolved oxygen,DO)和pH分别为0.2~7.0 mg·L−1和7.5~8.4,每个运行周期内均有厌氧-好氧-缺氧交替的生境,有利于SBRs对有机物、氮、磷等污染物的去除[25]。预备实验结果表明,在1 mg·L−1 AgNPs胁迫下,AHLs在SBRs泥水混合液中的浓度常常低于文中所用UPLC-MS/MS的检测限。为了准确检测AgNPs胁迫下微生物分泌AHLs的变动,实验进水中分别添加了10 mg·L−1和20 mg·L−1的AgNPs。活性污泥系统分为5组,每组SBRs设置3个重复,5组SBRs分别为CK(进水中不添加AgNPs,也不添加Ag+),进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs,进水中分别添加3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+ (对应10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs溶解释放的Ag+浓度)。活性污泥系统运行周期内换水率为50%。

    实验用AgNPs溶液购自北京德科岛金科技有限公司,AgNPs颗粒表面包被聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP),平均粒径为10~12 nm。AgNPs经超声仪(KQ-700DE,昆山市超声仪器公司)(100 W,40 kHz)超声5 min后,加入SBRs进水中。反应器进水中添加的Ag+以AgNO3配制(进水中的NO3-N进行相应扣减),AgNPs在纯水中溶解释放的Ag+浓度依照孙秀玥采用超滤法测得的结果[26]

  • 实验中,采用南京某市政污水处理厂浓缩池污泥作为接种污泥。实验所用污水为人工模拟中等强度的城市污水,统一用纯水配置,具体组成参见孙秀玥的研究论文[26]。配制污水所用试剂购于阿拉丁(上海)有限公司,均为分析纯。

    根据《水和废水监测分析方法》[27],水质指标NH+4-N、NO3-N、NO2-N和TN采用可见-紫外分光光度计(Shimadzu,UV-1800,Japan)测定。DO和pH分别使用便携式溶解氧仪(JPB-607A,上海雷磁仪器厂)和pH测定仪(PB-10,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)测定。泥水混合液MLSS和SVI采用水和废水标准监测方法测定[28]。化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)采用HACH COD 快速测定仪(HACH,DR1010,USA)测定。

  • 将活性污泥混合液分为污水(水相)和污泥(泥相)2个部分,分别测定污水和污泥中的Ag浓度。取曝气结束前30 min的泥水混合物,利用低温高速离心机(Centrifuge 5810R,Eppendorf,Germany)在4 ℃和20 000 r·min−1条件下离心30 min,过0.45 μm 醋酸纤维滤膜(Whatman,USA),滤液即为污水。将剩余部分即污泥置于110 ℃烘箱中烘干至恒重,冷却至室温后研磨,过100目筛后备用[29]。在污泥中加入4 mL浓盐酸和1 mL浓硝酸,采用石墨炉消煮仪(SH220,上海海能仪器股份有限公司)消解。消煮残渣置于20 mL体积分数为50%的氨水中浸泡。污泥中的Ag浓度为消煮污泥中Ag浓度与消煮残渣的浸泡液Ag浓度之和。采用ICP-MS/MS (NexION 300,PerkinElmer,USA)测定污水和污泥中Ag浓度,加标回收率在96%以上。

  • 采用DNA提取试剂盒(MoBIO Laboratories,Inc,USA)提取活性污泥中细菌DNA,提取成功后涡旋混匀,用微量分光光度计(Thermo,NanoDrop 2000c,USA)测定DNA浓度(核酸纯度A260/A280>1.8),DNA样品保存于-20 ℃冰箱。

    活性污泥DNA样品由MiSeq平台进行Illumina高通量测序(上海凌恩生物科技有限公司)。PCR扩增通用引物为515F(GTGCCAGCMGCCGCGG)和907R(CCGTCAATTCMTTTRAGTTT)。使用QIIME(quantitative insights in microbial ecology)软件对所得序列进行生物信息学处理。利用UCLUST分类器对有效序列进行聚类,将相似性高于97%的序列归为一个分类单元(operational taxonomic units,OTU)。OTU采用贝叶斯算法(http://rdp.cme.msu.edu/)与Silva(SSU123)核糖体数据库进行对比进行聚类分析和物种分类学分析,利用R Studio进行分析并作图。

  • 将SBRs中的泥水混合物于4 ℃和20 000 r·min−1下离心30 min,收集50 mL上清液,过0.45 μm醋酸纤维滤膜,采用固相萃取(solid-phase extraction,SPE)对上清液AHLs进行提纯和富集[30]。具体步骤为:依次向Oasis HLB固相萃取柱(Waters,上海)加入5 mL甲醇和5 mL超纯水活化萃取柱;50 mL过膜(0.45 μm)后的上清液以<1 mL·min−1的流速过柱;采用5 mL体积分数为10%的甲醇水溶液淋洗萃取柱;氮气吹干;最后加入5 mL乙腈洗脱,收集洗脱液,氮气吹洗脱液至近干,加入1 mL乙腈重新溶解,洗脱液过0.22 μm有机滤膜后,密封遮光保存于−20 ℃冰箱,用于后续检测分析。

    采用UPLC-MS/MS超高效液相色谱串联质谱仪(Xevo TQ-Smicro,Waters,USA)定量检测活性污泥混合液水相中N-丁酰基-高丝氨酸内酯(N-butanoyl-L-homoserine lactone,C4-HSL)、N-己酰基-高丝氨酸内酯 (N- hexanoyl -L -homoserine lactone,C6-HSL)、N-辛酰基-高丝氨酸内酯 (N- octanoyl -L -homoserine lactone,C8-HSL)、N-癸酰基-高丝氨酸内酯(N- decanoyl -L -homoserine lactone,C10-HSL)、N-十二烷酰基-高丝氨酸内酯 (N- dodecanoyl -L -homoserine lactone,C12-HSL)和N-十四烷酰基-高丝氨酸内酯 (N- tetradecanoyl -L -homoserine lactone,C14-HSL) 6种信号分子。液相色谱柱BEH C18(2.1 mm×100 mm,1.7μm;Waters),运行时间为4 min,柱温为40 ℃,流动相A为含甲酸的超纯水(体积分数0.1%),B为含甲酸的乙腈(体积分数0.1%),采用梯度洗脱,流速为300 μL·min−1。质谱采用双通道多反应检测模式,离子源采用正离子模式,去溶剂气体为氮气,流量为992.0 L·h−1,锥孔气体为氩气,流量为1.0 L·h−1,离子源温度为149 ℃,去溶剂化温度为497 ℃,进样量为3 μL。活性污泥混合液中6种信号分子的加标回收率为51.22%~137.71%。

  • 在反应器运行第65 天,向5组反应器中分别一次性加入浓度均为10 nmol·L−1的C6-HSL、C8-HSL和C12-HSL混合溶液,并以1.1节中相同的运行方法继续运行SBRs。

  • 所有数据均采用3次重复的平均值±标准偏差来表示。数据统计和分析使用Excel 2016,采用Origin 9.2软件绘图。

  • 1) SBRs泥水混合液中水相和泥相中Ag浓度的比较分析。取CK及进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs,3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的SBRs第1、5、10、20、30、40、50和60 天曝气阶段的泥水混合物,分别测定水相和泥相中Ag质量浓度,减去CK反应器泥水混合液中水相和泥相Ag质量浓度,结果如图1所示。SBRs运行初期,各反应器水相中Ag质量浓度分别为(636.59±1.59)、(1 120.54±66.78)、(8.13±0.60)和(11.81±1.75) μg·L−1(图1(a)),运行期间,各反应器水相中Ag质量浓度呈下降趋势。SBRs运行至第60 天,进水中分别添加10 mg·L−1 AgNPs,3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+,反应器中水相平均Ag质量浓度均降至0.25 μg·L−1以下,进水中添加20 mg·L−1 AgNPs的反应器中水相平均Ag质量浓度降至17.40 μg·L−1

    图1(b)可知,进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs,3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的反应器污泥中Ag质量浓度运行期内较稳定,分别为8 418.88~9 806.72、16 966.49~20 118.67、2 829.25~3 002.99、5 747.96~6 140.47 μg·L−1,SBRs污泥中Ag质量浓度与理论Ag添加量相近。由此可推断,进入活性污泥系统的AgNPs和Ag+主要存在泥相中[26]

    2) AgNPs和Ag+对SBRs中氮去除效率的影响。SBRs连续运行60 d后,NH+4-N、NO3-N和TN去除率以及出水NO2-N质量浓度变化如图2所示。由图2(a)可知,进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs的SBRs在运行期间,NH+4-N平均去除率与CK相比分别降低了5.51%~19.62%和8.23%~36.91%;而进水中分别添加3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的反应器与CK相比,NH+4-N平均去除率没有显著差异,均高于84.73%。这说明AgNPs对活性污泥硝化反应的抑制作用比其溶解释放出的Ag+作用更显著。其他研究者也有类似发现,如ZHANG等[18]发现,进水中分别添加1 mg·L−1和10 mg·L−1 AgNPs导致SBRs对NH+4-N的去除率由98.8%分别降低至71.2%和49.0%,AgNPs对NH+4-N去除有显著抑制作用。LIANG等[31]发现,1 mg·L−1 AgNPs和1 mg·L−1 Ag+使SBRs中活性污泥的比耗氧速率硝化作用(活性污泥混合液中添加NH+4-N为底物,分别测定1 mg·L−1 AgNPs和1 mg·L−1 Ag+胁迫下活性污泥的比好氧速率,以此来代表硝化作用)分别降低了41.4%和13.5%,在相同的Ag浓度下,AgNPs对硝化作用的胁迫效应高于Ag+

    图2(b)可知,与CK相比,进水中分别添加3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的SBRs对NO3-N平均去除率分别降低了2.03%~8.55%和9.17%~12.73%;而与CK相比,进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs的反应器对NO3-N的去除率无显著差异。自第10 天后,5组SBRs的出水NO2-N平均质量浓度均低于0.49 mg·L−1,结果见图2(c)。由图2(d)可知,与CK相比,运行至第10 天后,进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs,3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的SBRs中,TN平均去除率分别下降了0.93%~9.22%、3.34%~8.36%、1.87%~6.05% 和1.95%~9.14%。在60 d的运行期间内,进水中添加20 mg·L−1 AgNPs的反应器对TN去除率显著低于CK。SBRs运行至第60 天时,CK与进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs,3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的活性污泥系统对COD的平均去除率分别为93.93%、71.84%、47.25%、93.49%和92.07%。从实验结果来看,进水中添加AgNPs对活性污泥微生物硝化作用的抑制影响更明显,导致NH+4-N去除率下降,因而转化成NO3-N的比例降低;Ag+对活性污泥微生物反硝化作用的抑制效应较明显,但很有可能因为AgNPs抑制NH+4-N转化为NO3-N,使得微生物反硝化作用的底物减少,从而导致表观上外源添加AgNPs对NO3-N去除率的抑制影响低于Ag+;AgNPs对活性污泥微生物去除有机碳的抑制效应明显高于其溶解释放的Ag+

  • 为了研究AgNPs及其释放出的Ag+对SBRs脱氮效率影响的原因,采用16S rDNA高通量测序法分析了活性污泥微生物群落结构。图3为反应器运行至第60 天时,相对丰度>0.010%的典型硝化和反硝化细菌属水平热图。CK与进水中添加20 mg·L−1 AgNPs的SBRs中亚硝酸菌属Nitrosomonas[32]的平均相对丰度分别为0.160%和0.070%;进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs的SBRs中具有硝化功能的Novosphingobium[33]的平均相对丰度从CK反应器的0.034%下降到0.005%和0.002%,AgNPs对活性污泥硝化菌的胁迫作用与浓度有关;进水中分别添加3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的反应器与CK相比,反硝化菌DechloromonasCaldilineaceae[34]的平均相对丰度分别由6.100%和0.270%下降到4.700%和4.700%,0.180%和0.110%。动胶菌属zoogloea可以硝酸盐作为电子受体进行反硝化反应[35],进水中分别添加3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的反应器中zoogloea平均相对丰度从CK反应器的0.220%下降到0.090%和0.090%。AgNPs及其释放出的Ag+可以通过影响硝化菌和反硝化菌的相对丰度,从而影响活性污泥系统的脱氮效率。

  • 采用UPLC-MS/MS分别检测运行至第60天时的CK与进水中添加10 mg·L−1 AgNPs反应器中活性污泥微生物分泌的6种AHLs信号分子的浓度,结果如图4所示。CK中C4-HSL、C6-HSL、C8-HSL、C10-HSL、C12-HSL和C14-HSL的浓度分别为(2.00±0.08)、(0.27±0.06)、(0.41±0.06)、(0.81±0.02)、(2.02±0.06)和(1.45±0.21) nmol·L−1。WANG等[36]检测离心后生物膜中C4-HSL和C12-HSL的最高浓度为0.6 nmol·g−1;SUN等[37]检测到活性污泥中含量最高的AHLs信号分子为C8-HSL,浓度达1.3 nmol·L−1。进水中添加10 mg·L−1 AgNPs反应器中只检测到C4-HSL、C6-HSL和C10-HSL 3种信号分子,其平均浓度分别为CK反应器中的1.7、0.8和1.1倍。因而,10 mg·L−1 AgNPs添加于SBRs进水中可导致活性污泥微生物分泌AHLs信号分子的数量发生变化,C4-HSL平均浓度显著增高,也可导致AHLs信号分子种类减少,其中C8-HSL、C12-HSL和C14-HSL均未检出。

  • 反应器运行至第65天时,外源加入混合AHLs。与加入前(第60 天)相比,CK与进水中分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs,3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+的反应器对NH+4-N平均去除率分别降低了24.52%、28.04%、5.01%、20.73%和16.76%;对NO3-N平均去除率分别增加了13.33%、11.41%、5.82%、18.25%和8.06%;各反应器出水NO2-N浓度均有所降低,降低幅度最大的SBRs(进水分别添加3 mg·L−1和6 mg·L−1 Ag+)中出水NO2-N平均质量浓度降低了0.21 mg·L−1。外源加入AHLs后,进水分别添加10 mg·L−1和20 mg·L−1 AgNPs的反应器中的TN平均去除率升高,运行至第70 天时,TN平均去除率达到最大值,分别为93.01%和89.82%(图5)。综合上述结果可知,外源加入混合AHLs可在5~10 d内导致AgNPs和Ag+胁迫下反应器对NH+4-N平均去除率降低,对NO3-N的平均去除率升高,且可显著提高AgNPs胁迫下反应器对TN的平均去除率。朱颖楠等[38]指出,C6-HSL可调控生物膜修复和强化脱氮。张向晖等[39]发现,外源添加0.5 g·L−1的C6-HSL和C8-HSL会抑制厌氧氨氧化菌群生长,但能提高活性污泥的脱氮性能。外源加入混合AHLs的种类、数量对其调控污水处理反应器中微生物的脱氮性能都有影响。

  • 1)进入活性污泥系统中的AgNPs及其释放的Ag+主要存在污泥中,可影响活性污泥中硝化细菌和反硝化细菌相对丰度,抑制活性污泥微生物硝化和反硝化作用,从而降低活性污泥对TN的去除效率。

    2) AgNPs胁迫影响活性污泥微生物分泌AHLs信号分子的数量和种类。10 mg·L−1 AgNPs胁迫下反应器中C4-HSL平均浓度与CK相比显著提升1.7倍,而C8-HSL、C12-HSL和C14-HSL 3种信号分子浓度则低于检测限。

    3) 10 mg·L−1 AgNPs胁迫下的活性污泥反应器在外源加入混合AHLs 5 d后TN平均去除率由69.41%提高至93.04%,但AHLs的调节作用受种类、数量等因素影响,需要进一步开展研究。

参考文献 (39)

返回顶部

目录

/

返回文章
返回