纳米银对污水生物除磷的影响及其机理研究

Environmental risks raised from the silver nanoparticles (AgNPs) release have attracted extensive attention of scientists with the rapidly increasing usage of AgNPs. Based on material flow analysis, the AgNPs released from the consumer products most possibly enter into wastewater treatment plants (WWTPs) through drainage pipeline system. Studies showed that the influent AgNPs might pose an adverse impact on microbial community structure, sludge properties, and performance of biological wastewater treatment system; however, there was little information about the effect and mechanism of AgNPs on biological phosphorus removal from wastewater and phosphate-accumulating organisms (PAOs). In the proposed study, advanced analyzing instruments, such as scanning electron micrograph, surface enhanced Raman spectroscopy, real-time quantitative PCR, and so on, will be used to systematically investigate the influence of AgNPs on the behaviors of pure PAO and performance of model biological wastewater treatment system. Besides, enzymatic activity analysis and molecular biology technologies will be used to reveal the mechanisms that AgNPs affect biological phosphorus removal from wastewater. The implementation of the project may deepen and extend the understanding of environmental behaviors and toxicology of AgNPs, and provide the basic data and references for the risk assessment of AgNPs.

随着纳米银使用量的快速增加，其释放后的环境风险已经引起科学家的广泛关注。从物质流分析，商品中释放的纳米银最有可能沿着下水道管网，进入城市污水处理厂。研究表明，纳米银的流入，会对污水生物处理系统的微生物种群结构、污泥状态和系统运行造成不利影响。但是目前鲜有关于纳米银对污水生物除磷效率和聚磷菌行为影响的研究报道，相关影响机制也未明确。本项目将针对这些问题，以纯聚磷菌和污水生物处理系统为研究对象，应用电子显微镜、表面增强拉曼光谱和qPCR等技术，研究纳米银如何影响聚磷菌厌氧放磷和好氧吸磷的过程行为，探究纳米银对污水生物除磷效率的影响规律，运用酶活性分析和分子生物学手段，揭示纳米银对污水生物除磷效率和聚磷菌行为的影响机理。项目的成功实施，可以加深和扩展对纳米银环境毒理行为的认识，为纳米银的环境风险评估提供理论指导和数据支持。

纳米银（AgNPs）是应用最广泛的工程纳米材料之一，其释放到环境中的风险引起了广泛关注。本项目旨在揭示纳米银对污水处理系统除磷的影响，以及在污水处理系统中的变化及流向，并取得了以下研究结论。利用硼氢化钠还原硝酸银，并使用聚乙烯醇（PVA）作为分散剂，制备出分散良好、粒径为14±3nm的纳米银颗粒。考察了纳米银对聚磷菌（Microlunatus phosphovorus）毒性机理，在好氧状态下，7mg/L的纳米银能够完全抑制聚磷菌的生长，达到10mg/L时才能完全抑制聚磷菌的吸磷能力，但是在培养体系中的自由银离子仅有很少程度增加，这说明纳米银对聚磷菌的毒性并不是主要由银离子引起；在厌氧状态下，大于20mg/L的纳米银才使聚磷菌释磷能力受到部分抑制。活性氧簇（ROS）和扫描电子显微镜（SEM）的检测结果表明，纳米银使细菌体内ROS水平降低，部分细菌菌体表面塌陷，这说明，纳米银对聚磷菌的毒性除了直接作用于菌体表面外，影响细菌内ROS水平，也是其产生毒性的重要原因之一。污水生物处理系统暴露于不同浓度的纳米银，结果显示小于5mg/L的纳米银对总氮和COD的去除没有明显影响，高于1mg/L的纳米银会降低磷的去除效率。纳米银高于1mg/L时，能够明显减小污泥颗粒的粒径，降低污泥颗粒的离散度，增加污泥颗粒的比表面积。而低于5mg/L的纳米银，对细菌群落结构有一定的影响，但是影响相对较小。当纳米银进入污水生物处理系统后，快速地团聚和被污泥吸附。最终99.5%以上的纳米银会累积在污泥中。而且，累积到污泥中的纳米银/银，部分会逐渐形成硫化银。在暴露低浓度（0.1mg/L）纳米银时，好氧池的污泥没有释放出溶解态银，然而，较高浓度（1和5mg/L）下，污泥则可以释放出溶解态银，这也对污泥的利用和处置带来一定的风险。纳米银小于1mg/L时不会增加系统及出水中的溶解态银含量，到5mg/L时，才会增加了极少量的溶解态银，但是会增加相对较多的总银含量，因此，出水中银的存在形态主要是纳米银或银复合物，而不是溶解态银。