納米顆粒對(duì)厭氧氨氧化污泥毒性效應(yīng)與作用機(jī)制研究進(jìn)展

王殿惠

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)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(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。AgNPs因高導(dǎo)電性和熱導(dǎo)性、化學(xué)穩(wěn)定性和非線性光學(xué)行為，在墨水、微電子和醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域具有重要價(jià)值[1]。具有光學(xué)、催化和半導(dǎo)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(yīng)用[2]；CuNPs由于其優(yōu)異的光學(xué)和電子性能，被廣泛應(yīng)用于橡膠、發(fā)電站、燃料電池等領(lǐng)域[3]。TiO2NPs因其光學(xué)、催化和抗菌性能，廣泛應(yīng)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(huì)對(duì)環(huán)境造成潛在的危害，特別是進(jìn)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(nèi)，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(lái)越多的研究人員關(guān)注NPs對(duì)污水處理廠生物處理中的功能微生物的不利影響。由于獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，功能性細(xì)菌和NPs之間的相互作用可能是復(fù)雜的，包括相關(guān)的，目前仍未完全了解。

1 納米顆粒的作用機(jī)制

納米顆粒在葡萄糖發(fā)酵、產(chǎn)甲烷、氨氧化、亞硝酸鹽氧化、反硝化和除磷過(guò)程中對(duì)功能微生物有不同的作用。NPs對(duì)微生物的影響包括底物利用、酶活性、膜完整性、氧化應(yīng)激、毒性離子釋放、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和群落結(jié)構(gòu)。

NPs對(duì)人體動(dòng)物以及微生物的潛在影響也引起了廣泛關(guān)注。有研究發(fā)現(xiàn)，NiONPs可以誘導(dǎo)細(xì)胞毒性，并激活參與人類(lèi)炎癥的細(xì)胞。NPs可以通過(guò)在大鼠的肺中直接釋放細(xì)胞內(nèi)的趨化因子來(lái)募集嗜酸性粒細(xì)胞[8]。ZnONPs對(duì)污泥厭氧消化的水解和甲烷化步驟產(chǎn)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(chǎn)甲烷菌的豐度[9]。添加10和50 mg/L ZnONPs會(huì)使總氮去除率明顯下降，相應(yīng)的出水磷濃度增加，表明較高濃度的ZnONPs會(huì)導(dǎo)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(yīng)，表明CeO2與TiO2聯(lián)合作用對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生拮抗毒性，而CeO2和ZnO的共存誘導(dǎo)了協(xié)同的細(xì)胞毒性。Choi等[12]研究發(fā)現(xiàn)AgNPs與TiO2NPs共存會(huì)對(duì)硝化耗氧速率的脅迫產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，但與ZnONPs共存時(shí)則會(huì)產(chǎn)生拮抗效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，不同類(lèi)型的NPs的共存可能對(duì)微生物產(chǎn)生協(xié)同或拮抗效應(yīng)。這可能是由于不同種類(lèi)的NPs在水中易相互吸附或結(jié)合，并改變各自的物理化學(xué)性質(zhì)，從而導(dǎo)致其對(duì)活性污泥系統(tǒng)產(chǎn)生聯(lián)合脅迫效應(yīng)。目前關(guān)于不同種類(lèi)NPs對(duì)活性污泥系統(tǒng)的聯(lián)合脅迫影響研究較少。

2 納米顆粒對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌的毒性效應(yīng)

NPs在Anammox系統(tǒng)內(nèi)存在5種行為：①溶解，NPs外部的金屬及金屬氧化物會(huì)與OH-發(fā)生反應(yīng)，利于NPs溶解；②胞外吸附，Anammox細(xì)菌分泌的EPS含有大量的官能團(tuán)，如氨基、羧基，提供了結(jié)合位點(diǎn)，釋放出的金屬離子也會(huì)由于靜電引力吸附在EPS；③腐蝕，EPS與細(xì)胞膜分離后，NPs發(fā)生氧化還原反應(yīng)直接作用于細(xì)胞膜或金屬離子間接破壞膜成分；④跨膜傳遞，當(dāng)金屬離子過(guò)量時(shí)，會(huì)被非特異性金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的膜金屬蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)；⑤胞內(nèi)積累，NPs與金屬離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)會(huì)破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能，抑制關(guān)鍵酶活性，降低厭氧氨氧化細(xì)菌的代謝。

2.1 溶出金屬離子

NPs自身釋放的金屬離子會(huì)對(duì)細(xì)胞造成毒害。低濃度下，NPs的抑制與釋放的金屬離子有關(guān)，在細(xì)胞外如銅離子過(guò)多的異常條件下膜金屬蛋白會(huì)通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)離子，這些膜金屬蛋白在正常情況下會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)非抑制性金屬如鈣、鎂，銅離子的內(nèi)化就會(huì)引起關(guān)鍵酶的代謝紊亂，導(dǎo)致中間產(chǎn)物積累，Anammox細(xì)菌活性受到抑制，EPS產(chǎn)量減少。

Xu等[14]運(yùn)用UASB反應(yīng)器進(jìn)行了連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，研究了NiONPs脅迫下系統(tǒng)脫氮性能，結(jié)果表明NiONPs(<10 mg/L)利于AnammoxUASB反應(yīng)器系統(tǒng)運(yùn)行，這是由于低濃度的Ni2+是微生物必須的一種營(yíng)養(yǎng)元素。10～60 mg/L NiONPs對(duì)Anammox顆粒有抑制作用。隨著NiONPs的增加，CandidatusKuenenia仍為優(yōu)勢(shì)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(fù)相關(guān)。Zhang等[15]發(fā)現(xiàn)CuONPs、ZnONPs和AgNPs達(dá)到50 mg/g懸浮固體(SS)不影響Anammox活性。CuONPs的無(wú)毒可能與CuONPs的溶解能力較低有關(guān)，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(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌長(zhǎng)期暴露的影響，結(jié)果顯示濃度低于50 mg/L的AgNPs顆粒對(duì)脫氮性能和相對(duì)豐度沒(méi)有不利影響，低濃度的AgNPs甚至?xí)黾蛹?xì)菌群落的多樣性和相對(duì)豐度。AgNPs的毒性機(jī)制完全歸因于其釋放的有毒Ag+，Ag+通過(guò)與蛋白質(zhì)的巰基結(jié)合來(lái)破壞蛋白質(zhì)功能，并通過(guò)損害膜的通透性來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞溶解和死亡。通過(guò)批量實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出Ag+水平導(dǎo)致對(duì)Anammox活性抑制50%為11.52±0.49 mg/L[17]，因此實(shí)驗(yàn)進(jìn)水中0.22±0.04 mg/L的Ag+不會(huì)抑制Anammox顆粒的活性或影響細(xì)胞膜的完整性。

2.2 細(xì)胞膜損傷

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

細(xì)胞外乳酸脫氫酶水平被描述為膜完整性的指標(biāo)[18]，乳酸脫氫酶水平越高，細(xì)胞受損越嚴(yán)重。在NPs超過(guò)EPS結(jié)合能力后，更多的NPs到達(dá)細(xì)胞膜表面甚至?xí)M(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。

Zhang等[15]認(rèn)為NPs誘導(dǎo)的細(xì)胞膜損傷是NPs毒性的重要原因。在CuONPs、ZnONPs和AgNPs下，沒(méi)有觀察到細(xì)胞外乳酸脫氫酶(LDH)的顯著增加。然而，在12.5 mg/gSS CuNPs下檢測(cè)到乳酸脫氫酶顯著增加，在更高的負(fù)荷下，這一現(xiàn)象極其顯著。Zhang等[19]發(fā)現(xiàn)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(xì)胞外LDH的釋放，LDH水平升高至110.5%±3.4%。細(xì)胞外N2H4濃度增加16倍，但未引起明顯的ROS積累。

2.3 氧化應(yīng)激

NPs誘導(dǎo)氧化損傷自身產(chǎn)生ROS，對(duì)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)、蛋白質(zhì)有毒，降低亞硝酸鹽還原酶的活性，抑制胞外多糖的產(chǎn)生。此外，光的存在是納米顆粒產(chǎn)生ROS的先決條件，有研究表明無(wú)光無(wú)氧的厭氧氨氧化系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生ROS。

Zhang等[20]認(rèn)為光照是MONPs誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧的先決條件，氧的參與也是產(chǎn)生ROS的另一個(gè)必要因素。對(duì)于厭氧和黑暗厭氧氨氧化系統(tǒng)，MONPs可能不會(huì)對(duì)厭氧氨氧化細(xì)胞造成氧化損傷。Zhao等[21]在實(shí)驗(yàn)中觀察到細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生隨著ZnONPs濃度的升高而顯著增加，降低Anammox細(xì)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(zhì)，ROS也可以在納米粒子表面產(chǎn)生[22]。此外，釋放的Zn2+也可以被帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞壁吸收，從而導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生[23]。

2.4 活性抑制

進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的NPs引起細(xì)胞的氧化應(yīng)激行為導(dǎo)致蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯受阻。此外，進(jìn)入細(xì)胞的NPs會(huì)與蛋白質(zhì)、DNA相互作用。

Zhang等[20]也發(fā)現(xiàn)暴露于MONPs后，參與厭氧氨氧化代謝的3種關(guān)鍵酶的活性受到不同程度的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，Al2O3NPs或TiO2NPs的存在具有積極作用，而SiO2NPs具有消極作用。此外，CeO2NPs對(duì)NXR和HDH的活性產(chǎn)生了消極影響。盡管如此，厭氧氨氧化是一種偶聯(lián)反應(yīng)，對(duì)酶活性的輕微差異影響可能不會(huì)明顯干擾厭氧氨氧化的性能。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

為評(píng)估納米顆粒對(duì)污水處理微生物的潛在危害，目前針對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)內(nèi)不同NPs對(duì)厭氧氨氧化污泥的毒性機(jī)制研究逐漸豐富。然而，納米顆粒對(duì)整體微生物群落結(jié)構(gòu)和功能及長(zhǎng)期影響方面的實(shí)驗(yàn)仍然較少。此外，由于環(huán)境中納米材料種類(lèi)眾多，不同類(lèi)型納米顆粒物對(duì)微生物的毒性有較大區(qū)別。即使同種納米顆粒也會(huì)因粒徑、pH等外界因素變化，導(dǎo)致其性質(zhì)和顆粒穩(wěn)定性存在差別。因此，此后的研究應(yīng)更加關(guān)注納米顆粒對(duì)厭氧氨氧化菌的長(zhǎng)期影響，以及多種納米顆粒對(duì)厭氧氨氧化菌的復(fù)合脅迫作用。