人工纳米材料对厌氧消化系统中典型产酸菌的影响、作用机理与控制方法研究

Engineered nanomaterials (ENMs) have been widely used in industrial production and daily life due to their excellent physicochemical characteristics. However, the increasing production and utilization of ENMs have caused their releases into wastewater treatment plants. Anaerobic digestion is a widely adopted method for wastewater and sludge biological treatment, and acid-producing bacteria are the most important fermentative bacteria in anaerobic digestion systems. Therefore, this project comprehensively investigates the potential effects of ENMs on the growth and metabolism of typical acid-producing bacteria and the mechanism as well as the control method. Firstly, the influences of ENMs on the bacterial respiration, growth, and production efficiency of acid are studied. Then, the high resolution transmission electron microscopy, high-throughput RNA sequencing, iTRAQ quantitative analysis, circular dichroism spectrum, and Fourier transform infrared spectroscopy are used to explore the mechanisms from the aspects of interaction of ENMs and bacteria, cellular expression and regulation of genes and proteins, and three-dimensional structure and activity of key enzymes related to acid production. Finally, the control methods for the reduction of negative effects of ENMs on acid-producing bacteria are investigated from the aspects of regulating the nanomaterial form and bacterial activity. These studies will help people understand the influences of ENMs on the acid production from organics, and provide a new evidence for the effective control of ENMs-induced risks to anaerobic digestion systems.

人工纳米材料以其优异的物化特性被广泛应用于工业生产和日常生活。但是，伴随其大量生产和使用，已有不少纳米材料流入城市污水处理厂。厌氧消化是污水处理厂广泛采用的污水/污泥生物处理技术，而产酸菌是厌氧消化系统中最重要的发酵细菌。因此，本课题系统研究了人工纳米材料对典型产酸菌生长和代谢的潜在影响、作用机理以及控制方法。首先研究了纳米材料对产酸菌呼吸作用、细胞生长以及产酸效率的影响；然后利用高分辨透射电镜、高通量RNA测序、iTRAQ定量分析、圆二色谱及傅里叶变换红外光谱等技术，从纳米材料与微生物的相互作用、细胞转录和蛋白的表达与调控、产酸关键酶空间结构与活性变化等方面，解释了人工纳米材料影响产酸菌的机理；最后从调控纳米材料形态与微生物活性的角度，研究了控制人工纳米材料对产酸菌不利影响的方法。这些研究将有助于人们认识纳米材料对有机物产酸过程的影响，为有效控制其对厌氧消化系统的风险提供新的依据。

厌氧消化是污水/污泥生物处理的最重要方法之一，而产酸菌是厌氧消化中最重要的发酵细菌。但在生产和生活中广泛使用的人工纳米材料可能对有机物厌氧发酵产酸这一重要过程产生潜在风险。因此，本项目以产乙酸菌和产丙酸菌为代表，研究了人工纳米材料对厌氧消化系统中典型产酸菌生长和代谢的影响。研究发现，纳米铜的存在对产乙酸菌的生长和代谢产生了显著影响，其抑制了厌氧消化系统中乙酸的积累。机理研究表明，纳米铜显著影响了产乙酸菌的转录与代谢调控，导致了大量重要基因的差异表达，这些基因涉及了产乙酸菌的碳源代谢、丙酮酸代谢、嘌呤代谢和固碳作用。同时，糖酵解及产乙酸过程中关键酶的编码基因均出现显著下调，且磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶、磷酸转乙酰酶和乙酸激酶等的活性受到明显抑制。其次，研究还指出，纳米铜对产丙酸菌的生长和代谢也产生了显著影响。机理研究表明，纳米铜存在条件下，产丙酸菌的细胞膜脂质过氧化程度严重，细胞完整性受到破坏。转录分析结果表明，纳米铜影响了微生物代谢、细胞膜蛋白活性、生物酶催化活性、电子载体、氧化应激和转运活性等方面的基因表达，尤其是葡萄糖转运基因的表达量显著下调，使得葡萄糖从胞外转运至胞内的速率显著下降，且糖酵解过程中的葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶以及丙酸合成关键酶琥珀酰转移酶活性也受到明显抑制。最后，项目研究了混合纳米材料，即纳米铜和碳纳米管共存，对典型产酸菌生长和代谢的影响。研究发现，与纳米铜单独存在相比，碳纳米管的存在在一定程度上缓解了纳米铜对产乙酸菌和产丙酸菌生长和代谢的抑制作用。机理研究表明，混合纳米材料通过改变纳米材料与微生物的相互作用以及产乙酸菌和产丙酸菌关键代谢途径中的基因表达及编码蛋白的催化活性，从而缓解了纳米材料对厌氧消化系统中产乙酸和产丙酸的影响。上述研究成果为人们全面认识人工纳米材料对有机物厌氧产酸过程的影响及其控制策略奠定了重要基础。