藻-菌颗粒污泥对纳米氧化锌的响应机制

目前，纳米氧化锌颗粒(ZnO-NPs)被广泛应用，对污水处理构成了威胁。本文研究了新兴的藻-菌颗粒污泥(MBGS)对ZnO-NPs的响应。结果表明，当ZnO-NPs达到10mg/L时，MBGS的除污性能受到显著影响，特别是氮和磷。颗粒表面的ZnO-NPs可通过遮光效应影响微藻的光合作用，而抗氧化酶的产生可对抗活性氧。特别地，ZnO-NPs的添加主要改变了MBGS系统的原核而非真核微生物的群落结构和功能。综上所述，MBGS赋有缓解ZnO-NPs的毒性多种机制。ZnO-NPs对MBGS的影响知之甚少

目前，ZnO-NPs广泛地应用于食品工业、化妆品和生物医学等多个行业，其不可避免地会通过污水管道进入污水处理厂。根据模型结果，ZnO-NPs在污水处理厂的污水中的预测浓度约为24~300μg/L，未来其浓度可达到mg/L的水平。ZnO-NPs的逐渐积累可能会恶化自然水体的水质，影响作物的生长，还导致人类慢性疾病和癌症。作为一种新兴工艺，NPs对MBGS的影响很少受到关注，在一定程度上会阻碍MBGS的进一步应用。为此，选择性地研究了0.1~10mg/LZnO-NPs对MBGS除污性能及生化特性的影响。

1.低剂量ZnO-NPs不影响MBGS除污性能，高剂量可抑制其氮磷去除

如图1所示，MBGS系统能够承受浓度为0.1mg/L和1.0mg/L的ZnO-NPs，但当浓度上升到10mg/L时，系统的整体污染物去除性能就会显著下降。在最初的30天内，污染物去除率呈上升趋势，可能是MBGS在不断适应ZnO-NPs环境，随后的30天内，污染物去除率相对稳定。在稳定阶段，10mg/LZnO-NPs对NH₄⁺-N和PO₄^3--P的平均去除分别显著降低了8.8%和14.0%(p < 0.01)。结合微生物测序结果，推测MBGS中的细菌受到了影响。

 

图1. 不同的浓度ZnO-NPs对MBGS中NH₄⁺-N (a, d), PO₄^3--P (b, e) 与 COD (c, f) 的去除性能。

2.原核而非真核微生物的群落结构和功能受到影响

图2a和b表明 MBGS 显著影响原核生物而非真核生物的相对丰度。对于真核生物，在不同浓度的ZnO-NPs下，Scenedesmaceae一直是MBGS中的主要微藻。对于原核生物来说，Proteobacteria, Cyanobacteria, Chloroflexi, Bacteroidetes和Firmicutes是主要门类。值得注意的是，10mg/LZnO-NPs的Cyanobacteria丰度增加至35.10%，这可能是由于Cyanobacteria具有多种机制来抵御和减少重金属的毒性作用，如生物吸附、生物转化等。功能预测分析进一步证实，ZnO-NPs对真核生物没有显著影响，但对原核生物的相关功能，尤其是生物合成有显著影响（图2c和d）。

 

图2. MBGS的真核生物(a)和原核生物(b)群落组成；基于KEGG的真核生物(c)和原核生物(d)的功能预测分析。

 

3.MBGS赋有缓解ZnO-NPs的毒性多种机制

基于以上发现，ZnO-NPs和MBGS之间的可能作用机制如图3所示。首先，ZnO-NPs与颗粒外层的微藻接触，一定程度上导致光照条件不足，从而削弱微藻的光合作用，使得DO下降，反过来影响细菌呼吸与活性。另外ZnO-NPs会释放的少量Zn²⁺渗透到颗粒内部，改变细胞膜的选择透过性，使更多的Zn²⁺直接进入细胞诱导氧化应激并使更多的其他金属离子进入细胞。一旦超过可耐受范围，ZnO-NPs会诱导细胞产生更多的ROS，引起细胞过氧化，导致一些对高浓度的ZnO-NPs（如10mg/L）不耐受的原核生物会缓慢减少甚至消失，如Proteobacteria和Bacteroidetes，进而影响MBGS对污染物的去除。此外，Cyanobacteria在一定程度上通过“自救”来抵抗ZnO-NPs的破坏，它可以自行吸附金属离子，阻止进一步侵入颗粒产生毒性。

 

 

图3. ZnO-NPs对MBGS的影响的可能影响机制。

 

 

4. 小结

本实验发现ZnO-NPs的投加浓度为10mg/L时，NH₄⁺-N和 PO₄^3--P的去除率显著降低。MBGS可能表现出一种藻菌协同的方式来共同保护细胞免受ZnO-NPs产生的ROS的影响，如可产生超氧化物歧化酶的抗氧化酶和胞外蛋白。ZnO-NPs也可以影响微藻的光合作用或者改变细胞膜的选择透过性造成毒性。此外，ZnO-NPs会显著改变原核生物的结构和功能。研究表明，MBGS可适应含纳米颗粒的污水。

主要参考文献：

[1] Meixing Xiao, Jiayi Xin, Jie Fan, Bin Ji, Response mechanisms of microalgal-bacterial granular sludge to zinc oxide nanoparticles. Bioresource Technology, 2022. 361: 127713.

作者简介

季斌，博士，现为武汉科技大学副教授，楚天学子。

2010年获武汉大学给水排水工程专业学士学位，2015年获武汉大学市政工程专业博士学位。2018~2019年南洋理工大学访问博士后。主要研究方向为微生物污水资源化技术，主要围绕环境可持续性水循环目标开展科研工作，如，藻-菌颗粒污泥。主持国家自然科学基金等科研课题近10项，在Water Research、科学通报等期刊发表学术论文30余篇，其中ESI高被引3篇，长期担任10余个国际主流SCI期刊审稿人，Springer Nature Applied Science期刊编辑部