研究简介:银纳米粒子(Ag-NPs)的年产量估计约为550吨，占全球所有纳米材料的24%。由于纳米材料的过度使用，大量释放到环境中的Ag-NPs不可避免地进入废水系统。Ag-NPs一旦在废水污泥中积累，可能会对微生物的活性和多样性构成风险，从而进一步降低脱氮效率。除了不利于脱氮外，Ag-NPs还可能影响一氧化二氮(N2O)的排放。废水处理工艺已被确定为重要的N2O排放源，2015年废水中的N2O排放量占全球人为N2O排放量的8%。银纳米粒子(Ag-NPs)被发现是产生一氧化二氮(N2O)的原因。然而Ag-NP诱导N2O产生的机制仍存在争议，需要进一步阐明。随着微电极技术的进步，可以准确研究纳米材料对生物膜微环境（例如DO和N2O浓度）的影响。因此本研究采用了三种方法（微电极、N2O同位素组成和宏基因组分析）的组合可以更清楚地揭示NP诱导的N2O排放的机制。在这项研究中，在五个独立的测序批次生物膜反应器中进行了慢性Ag-NP暴露实验，以系统地评估Ag-NPs对N2O排放的影响。


Unisense微电极测定系统的应用


使用微电极系统（Unisense，Arhus，Denmark）测量了不同深度的DO和N2O浓度微分布。在暴露实验结束时，将一簇填料与附着的生物膜一起剥离，并使用昆虫针固定在微型生物反应器底部中心的载体上。在微型生物反应器中鼓风并使用与SBBR中相同的磁力搅拌速度混合，合成废水的DO水平保持在大约6.0 mg/L。微型生物反应器生物膜测量使用DO(x-10,Unisense，丹麦)和N2O(N2O-10,Unisense，丹麦)微电极，电极端直径分别为10和25μm。为了尽可能多地捕捉DO和N2O浓度的变化，在测量期间，由三维操作器控制的垂直步长为10μm的尖端接近生物膜表面。使用通用显微镜（放大5倍）观察尖端和生物膜表面之间的接触，并使用SensorTrace Pro软件确认DO和N2O浓度的变化。


实验结果


研究的结果表明，低剂量的Ag-NPs(<1 mg/L)可以轻微抑制N2O的产生，而高剂量(5 mg/L)的Ag-NPs会刺激N2O的排放。这种对高剂量Ag-NPs的刺激是由于以下原因：（i）长期暴露后，高含量的Ag-NPs会在生物膜表面积累，然后在生物膜表面构建厌氧区。(ii)厌氧区提醒微生物群落，触发nar B和nir K基因的相对丰度。(iii)相关基因丰度的上调可能是刺激亚硝酸盐还原途径释放N2O的原因.这些发现共同表明长期暴露于高剂量的Ag-NPs可以通过在生物膜中形成厌氧微环境来增加N2O排放。因此在大型污水处理厂长期运行过程中，需要精确和充分的曝气或低SRT，以避免形成厌氧微环境，从而减少N2O的产生。

图1、(a)COD、TN和NH4-N在长期暴露过程中的平均去除率，(b)NH4-N、NO2-N和NO3-N在典型循环中的变化。

图2、0μg/L、20μg/L、100μg/L、1 mg/L和5 mg/L Ag-NPs对(a)长期暴露和(b)典型暴露期间N 2 O排放的影响循环。从图中分析可以看出第30天是长时间暴露于不同浓度的Ag-NP后N2O转化率变化的转折点。在长期暴露期间，高浓度的Ag-NPs（即5 mg/L）会刺激N2O转化。相比之下，在前30天，R2、R3和R4的最大N2O转化率（分别在第20天、第1天和第20天）与对照相比分别增加了37.79±0.2%、41.04±1.4%和17.44±0.4%。

图3、用于unisense微剖分析系统测量序批式反应器中的DO和N2O浓度示意图。

图4、（a）DO浓度和（b）长期暴露后生物膜中N2O排放的深度分布曲线。从图a中可以看出发现随着生物膜深度的增加，DO含量逐渐下降,当生物膜暴露于5 mg/L Ag-NPs时，DO水平的快速降低形成较大厌氧区。从图b可以看出，当在用5 mg/L Ag-NPs处理后，N2O主要在生物膜的低DO区域（即<160μm）中产生。表明暴露于5 mg/L Ag-NPs的生物膜形成了低DO条件以成功促进反硝化。


图5、(a)参与硝化和反硝化过程的功能基因丰度的变化。(b)5 mg/L Ag-NPs胁迫下氮代谢相关基因丰度示意图，包括硝化作用（粉色）、反硝化作用（灰色）、固氮作用（紫色）、同化亚硝酸盐还原作用（蓝色）和厌氧氨氧化作用(黄色)。绿色加号和圆圈表示上调基因，红色减号和圆圈表示下调基因，没有加号或减号表示未检测到相关基因。


结论与展望


银纳米粒子(Ag-NPs)被发现是产生一氧化二氮(N2O)的原因；然而Ag-NP诱导N2O产生的机制仍存在争议，需要进一步阐明。在这项研究中，研究人员在五个独立的测序批次生物膜反应器中进行了慢性Ag-NP暴露实验，以系统地评估Ag-NPs对N2O排放的影响。结果表明，与无Ag-NP对照方法相比，低剂量Ag-NPs（<1 mg/L）略微抑制了N2O的生成，低于22.99%。相反，高剂量（5 mg/L）的Ag-NPs刺激N2O排放量减少67.54%。ICP-MS和SEM-EDS一起显示，当暴露于5 mg/L Ag-NPs时，高Ag-NP含量会累积在生物膜表面。N2O和DO微电极以及N2O同位素组成分析进一步表明，积累的Ag-NPs在生物膜中构建了厌氧区，这是刺激亚硝酸盐还原途径释放N2O的主要因素.宏基因组分析进一步将暴露于高剂量Ag-NPs下较高的N2O排放归因于较高的nar B和nir相对丰度K基因（即分别高出1.52倍和1.29倍）。这些发现共同表明，长期暴露于高剂量的Ag-NPs可以通过在生物膜中形成厌氧微环境来增加N2O排放。