市政污水處理是現(xiàn)代城市不可或缺的重要一環(huán)，污水處理中的常見方法有物理法、化學(xué)法、生物處理法。其中，生物處理法以其卓越的經(jīng)濟性、高效性始終在污水處理中扮演著重要角色，同時其在無害化、資源化方面也有無可比擬的優(yōu)越性。污水處理中的生物處理法主要是利用微生物代謝反應(yīng)進行的一種水處理方法，廢水生物處理一般是多種細菌協(xié)同作用的結(jié)果。例如：Candidantusaccu⁃mulibacter是污水處理系統(tǒng)中重要的除磷菌，承擔(dān)著生物除磷的作用;Zoogloea菌屬被證實在生長過程中可以通過分泌含有大量陰離子基團的胞外聚合物與某些重金屬離子形成絡(luò)合物，達到通過吸附去除重金屬的目的;Bacteroidetes對含碳有機物有很好的降解作用。因此，微生物群落的豐度和多樣性使得污水中多數(shù)污染物都能夠被去除。微生物主要通過自身代謝活動發(fā)揮作用，因此，微生物的活性影響著生態(tài)系統(tǒng)的運行，對于以微生物為核心的污水生物處理系統(tǒng)的運行效果至關(guān)重要。然而，微生物的生命活動在受到外界環(huán)境中不利因素的影響時，正常的代謝活動容易被干擾，相應(yīng)的功能效用就會隨之下降。
市政污水處理廠是污水進入水體前的最后一道屏障，收納了生活廢水、工業(yè)廢水等多種成分復(fù)雜的混合廢水，其中含有的有毒有害物質(zhì)勢必會增加污水廠的處理負荷。如今，隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，納米金屬及其氧化物應(yīng)用廣泛，AgNPs以其出色的抗菌作用被應(yīng)用在洗衣機、食品包裝等生活用品中，ZnONPs在塑料添加劑和涂料中被大量使用，而CeO2NPs則因其良好的儲氧釋氧性能被廣泛應(yīng)用于抗氧化劑、燃油燃料等領(lǐng)域。納米金屬及其氧化物的大量使用增加了納米材料在運輸與使用過程中進入到自然水體以及污水處理廠的可能性，進而對微生物的生理生化特性以及微生物群落產(chǎn)生難以估計的影響。目前，常見的納米金屬及其氧化物包括Ag、TiO2、Cu、ZnO、CuO、Al2O3、CeO2等。截至2014年，每年全球約有8.3×106t的納米材料通過擴散等行為釋放到環(huán)境中。雖然有報道指出含有AgNPs涂層的紡織品洗出液中的Ag+濃度數(shù)量級約處于mg/L的水平，0.10mg/L又通常在實驗室尺度下作為研究納米材料影響的目標(biāo)濃度，但是目前來說，對于水環(huán)境中納米金屬及其氧化物濃度的精確測量依然是一個難題。然而，隨著人工納米材料的廣泛應(yīng)用，納米金屬及其氧化物在水體中的釋放必然將呈現(xiàn)上升趨勢。由于納米金屬及其氧化物具有特殊的理化特性，其在水環(huán)境中趨向于團聚，且團聚程度取決于粒徑大小、形狀、濃度、電荷、種類以及環(huán)境溫度，以團聚形式存在的納米金屬及其氧化物將在一定程度上增強其在水體中的停留時間，而部分水解形成的納米金屬離子由于尺寸效應(yīng)，對水中的生物具有更強的毒性。因此，納米金屬及其氧化物作為新型污染物將會嚴(yán)重影響水環(huán)境生態(tài)安全。
群體感應(yīng)作為細菌細胞間的信息調(diào)控行為，影響著細菌生物膜的形成，可以調(diào)節(jié)生物膜的厚度及活性。利用信號分子加強群體感應(yīng)行為來強化特定菌群、優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)與組成，可以增強群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，完成微生物功能的修復(fù)，從而提高微生物對特定污染物的去除效率，使得污水處理反應(yīng)器的穩(wěn)定運行成為可能，然而這方面的研究十分有限。鑒于納米材料獨特的性能和尺寸，探究處于納米金屬及其氧化物脅迫中的微生物活性、生理生化特性以及微生物群落等變化的研究顯得尤為重要，同時，如何減輕甚至修復(fù)納米金屬及其氧化物對污水處理系統(tǒng)的沖擊影響也迫在眉睫。因此，為了明確納米金屬及其氧化物對污水處理中微生物性能的影響，本文從微生物聚集體存在形式的角度出發(fā)，探究納米材料對微生物特性的影響，分析微生物在不利條件下的應(yīng)對機制，為從群體感應(yīng)角度深入探究微生物應(yīng)對納米材料等脅迫作用提供重要理論依據(jù)，并對微生物功能修復(fù)的可能性提出展望。
一、微生物聚集體主要存在形式
目前，水污染控制的主要技術(shù)手段是生物處理，而在生物處理中承擔(dān)主要作用的絮體污泥、生物膜以及顆粒污泥就是微生物聚集體的主要存在形式。這3種微生物聚集體由于存在形式的差異在污水處理過程中扮演著不同的角色，微生物聚集體存在形式的不同也導(dǎo)致了其結(jié)構(gòu)、功能與特性的差異，這也表明不同微生物聚集體在應(yīng)對納米金屬及其氧化物的脅迫時呈現(xiàn)出獨特的表現(xiàn)力及應(yīng)對機制。
1.1 懸浮絮體污泥
絮體污泥通常出現(xiàn)在傳統(tǒng)活性污泥法工藝中，是活性污泥處理系統(tǒng)的主體部分。絮體污泥主要由有機和無機兩部分組成，以細菌為主的微生物群落組成了有機的一部分，在以細菌為絮體骨架的微生態(tài)系統(tǒng)中，交織其中的絲狀菌以及附著的微型動物讓這個群體更加穩(wěn)定。工程納米顆粒與絮體活性污泥的相互作用在不少文獻中被報道。當(dāng)絮體污泥受到納米金屬及其氧化物沖擊時，會在污泥沉降性能上做出直觀響應(yīng)。這種納米金屬及其氧化物暴露造成的污泥沉降性的下降可能是由于活性污泥中納米材料的沉積以及絮體表面因吸附部分納米材料而造成的表面斥力的改變。
絮體污泥多孔松散，納米金屬及其氧化物暴露濃度以及暴露時間的改變共同影響著絮體污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)，懸浮污泥系統(tǒng)通常采用污泥體積指數(shù)(SVI)來反映納米材料對污泥沉降、凝聚性能以及松散程度的影響。Gu等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露于1～8mg/L的AgNPs溶液中時，絮體污泥體系去除率相較于純水體系高30%～58%，表明絮體可通過生物質(zhì)相關(guān)功能如生物吸附和共沉淀來去除納米金屬及其氧化物。由于絮體污泥比表面積大，“網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)松散，EPS中嵌有大量細菌細胞，有利于納米材料的吸附和纏結(jié)。這一結(jié)論與Kiser等的發(fā)現(xiàn)一致，共同揭示了懸浮污泥去除納米材料的機制。
1.2 附著生物膜
除活性污泥外，生物膜已成為污水處理的主要處理手段。生物膜由多種微生物組成，在水的凈化中起著非常重要的作用。附著生物膜主要應(yīng)用于生物膜法工藝中，是通過膜上微生物吸附、降解污水中有機污染物進行污水處理。微生物需要依托附著介質(zhì)完成掛膜，一般膜厚2mm，整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)扁平化。與活性污泥的絮凝結(jié)構(gòu)相比，生物膜具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，包括孔隙、通道和不規(guī)則的突起。由于微生物聚集體存在形式的差異，在應(yīng)對相同納米材料的暴露時，表露出不同的響應(yīng)措施，生物膜由于胞外聚合物的致密保護以及微生物群落之間的作用，生物膜相較于懸浮污泥絮體對于納米材料的暴露具有更強的耐受力。Sheng等在去除松散結(jié)合的胞外聚合物(EPS)后發(fā)現(xiàn)，生物膜的活性較去除前降低，這也證實了生物膜系統(tǒng)中EPS的保護作用。
1.3 團聚顆粒污泥
顆粒污泥主要包括好氧顆粒污泥與厭氧顆粒污泥，與結(jié)構(gòu)松散、不規(guī)則的傳統(tǒng)絮狀污泥相比，顆粒污泥呈現(xiàn)不同的表觀結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上，顆粒污泥可以看作是一種具有三維立體和更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特殊生物膜，其中微生物相互連接，嵌入細胞外基質(zhì)中，不同功能的微生物種群分布在不同的立體空間。由于獨特的結(jié)構(gòu)，顆粒污泥在泥水分離效果、耐負荷沖擊能力、剩余污泥產(chǎn)泥率等方面，具有無可比擬的優(yōu)越性，也使得好氧顆粒污泥近年來在污水處理中得到更多的關(guān)注，連同序批式反應(yīng)器(SBRs)被廣泛討論。由于污泥顆粒較大的尺度與較小的比表面積，吸附納米金屬及其氧化物的能力稍遜于絮體污泥，因而在抗沖擊、維持系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒污泥在AgNPs中暴露22d依然保持著穩(wěn)定的微生物活性，同樣條件下，絮體污泥的活性則被嚴(yán)重抑制。這可以解釋為顆粒污泥中微生物聚集緊密并被密集的EPS包裹，很大程度延緩了內(nèi)部細菌與外界的接觸，進而部分緩解了納米金屬及其氧化物的毒害作用。
二、納米金屬及其氧化物對微生物理化特性的影響
納米金屬及其氧化物在生產(chǎn)、運輸、應(yīng)用中會不可避免地泄露到土壤和水體中，城市污水處理廠作為納米材料在環(huán)境釋放前的最后一道屏障，進到污水廠內(nèi)的納米金屬及其氧化物將對污水生物處理系統(tǒng)中的微生物產(chǎn)生影響，系統(tǒng)處理性能隨之波動。在目前的研究中，急性高濃度的納米金屬及其氧化物暴露對微生物的脅迫被廣泛研究，同時低濃度納米金屬及其氧化物的長期脅迫作用也被給予了足夠的重視，以期深入而全面地了解納米金屬及其氧化物對污水處理系統(tǒng)中微生物的作用效果及其影響機理。
2.1 微生物在納米金屬及其氧化物脅迫下污染物去除表現(xiàn)
化學(xué)需氧量(COD)是表征水體中有機污染的一項重要指標(biāo)，COD的去除率被認為是衡量廢水處理性能的指標(biāo)之一。徐夢瑩等研究1、10mg/LCeO2NPs在SBR中作用8h時發(fā)現(xiàn)，COD的去除率均達到95%。Zheng等研究顆粒污泥時發(fā)現(xiàn)，在50mg/LCuONPs下暴露5d，COD去除率依然保持穩(wěn)定。有趣的是，林玲玲等在研究7h紫外線照射條件下，MgONPs暴露對COD去除率的影響時發(fā)現(xiàn)，COD去除效果與暴露濃度正相關(guān)。在納米材料的暴露中，COD的去除率在短期內(nèi)沒有顯著變化，然而作為廢水處理性能的另一個指標(biāo)———脫氮除磷率更容易受到納米材料的負面影響。在1mg/LCeO2NPs的短期暴露中，Hou等發(fā)現(xiàn)，氮磷去除沒有明顯變化。Chen等在研究1mg/L和50mg/LAl2O3NPs的急性作用時也得出了沒有顯著影響的結(jié)論。然而，Zheng等發(fā)現(xiàn)，急性接觸ZnON⁃Ps對廢水養(yǎng)分去除特別是生物除磷產(chǎn)生了負面影響。微生物對納米材料不同的急性反應(yīng)與所暴露的納米材料具有不同的溶解度特性相關(guān)，因為納米金屬及其氧化物對于微生物的毒性作用之一就是溶解釋放的金屬離子。
在納米金屬及其氧化物的短期作用下，微生物廢水處理性能總體變化不明顯，然而在較長的納米金屬及其氧化物暴露的時間尺度情況下，微生物對有機物和氮磷的去除效果呈現(xiàn)顯著的差異性。絮體污泥在CeO2NPs作用下20d發(fā)現(xiàn)，COD去除率并未造成顯著影響，這一結(jié)論與Xu等在生物膜70d暴露一致。Chen等在研究1mg/L和50mg/LAl2O3NPs暴露中發(fā)現(xiàn)，即使在70d的作用下，脫氮除磷率在低濃度暴露中沒有顯著變化，但是氮的去除在高濃度中被顯著抑制。張肖靜等在自養(yǎng)反硝化工藝中發(fā)現(xiàn)，1mg/LCuNPs對亞硝化污泥有嚴(yán)重的抑制作用。而Zheng等在對好氧顆粒污泥進行70d的CuNPs暴露研究時發(fā)現(xiàn)，TN去除率相較于空白值上升5.2%。這也從側(cè)面反映了顆粒污泥較絮體污泥有更強的抗沖擊性能。也有研究發(fā)現(xiàn)，生物膜長期暴露于10～50mg/LCeO2NPs時，除磷和脫氮過程雖然都被不同程度的抑制，但抑制程度與暴露劑量正相關(guān)。
在不同聚集體存在形式中，雖然暴露著不同的納米金屬及其氧化物，但對于抗沖擊性能，顆粒污泥最優(yōu)，生物膜次之，絮體污泥最差；同時，納米金屬及其氧化物對微生物的影響取決于暴露劑量以及暴露時間，抑制作用與暴露時間與暴露濃度正相關(guān)。
2.2 納米金屬及其氧化物脅迫下微生物生化酶系探究
盡管在各種暴露條件下，微生物的處理性能有不同的響應(yīng)，但是生物脫氮除磷依賴于多種生化反應(yīng)，而這些生化反應(yīng)是由微生物群落中共有的某些關(guān)鍵細菌分泌的關(guān)鍵酶催化的。對于每一種細菌，酶在代謝活動中都扮演著重要的角色。表1揭示了特征納米金屬及其氧化物對污水的處理效果及其因素表征。污染物的去除是由大量微生物種群一起完成的，主要過程有：有機物降解、脫氮和除磷，去除效果取決于污泥細菌活性以及相關(guān)酶的代謝(圖1)。生物脫氮過程由3部分組成，分別是氨化作用、硝化作用、反硝化作用。除磷的生化階段分為好氧吸磷、厭氧釋磷。而氨單加氧酶(AMO)、亞硝酸鹽氧化還原酶(NOR)、硝酸鹽還原酶(NAR)、亞硝酸鹽還原酶(NIR)、聚磷酸鹽水解酶(PPX)、聚磷酸鹽激酶(PPK)這6種酶被認為是生物脫氮除磷的關(guān)鍵酶。當(dāng)關(guān)鍵酶的基因表達和催化活性受到抑制時，污水處理系統(tǒng)則表現(xiàn)為脫氮除磷效率降低，表1所示結(jié)論證實了這一點。因此，微生物種群多樣性和穩(wěn)定性的維持有利于細菌關(guān)鍵酶的持續(xù)分泌，進而能夠達到穩(wěn)定脫氮除磷的目的。而納米金屬及其氧化物的暴露通常對微生物群落有抑制作用，具體表現(xiàn)為納米金屬及其氧化物溶解釋放的納米金屬離子部分吸附在細胞表面，部分進入細胞內(nèi)，對細胞誘導(dǎo)產(chǎn)生氧化脅迫作用，造成微生物活性降低、細胞完整性損壞，擾亂細胞功能。
三、微生物在納米金屬及其氧化物沖擊下的防御機制
以胞外聚合物(extracellularpolymericsub⁃stances，EPS)為代表的微生物分泌的大分子物質(zhì)是決定微生物聚集體表面性質(zhì)的關(guān)鍵物質(zhì)。EPS覆蓋在微生物表面或填充在聚集體中間，將微生物細胞包裹、黏結(jié)起來。對于松散結(jié)構(gòu)中的絮體污泥、稍緊密的生物膜、致密的顆粒污泥，EPS都在保護微生物抵抗納米金屬及其氧化物毒性中起到了重要的作用。然而，與納米材料的相互作用會導(dǎo)致EPS的理化性質(zhì)發(fā)生復(fù)雜變化，易降低污泥聚集體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
通常微生物聚集體結(jié)構(gòu)可分為松散結(jié)合EPSs(LB⁃EPSs)的外區(qū)、緊密結(jié)合EPSs(TB⁃EPSs)的內(nèi)區(qū)和核心細菌細胞，以及固體物質(zhì)外溶解的SMP。Hou等通過掃描電鏡(SEM)觀察LB⁃EPSs，發(fā)現(xiàn)其表面粗糙、呈蜂窩狀，有利于吸附污染物，能在一定程度上保護污泥聚集體中的微生物。大量研究表明，在納米金屬及其氧化物的急性暴露中，微生物會增加EPSs的產(chǎn)生，以保護細胞免受損傷。吳楊芳在研究短期活性污泥對CeO2NPs的作用時，觀察到胞內(nèi)LB⁃EPS組分的含量較TB⁃EPS增加。這從側(cè)面證實了，短期納米材料的毒性作用是從聚集體外部到內(nèi)部的一個過程，LB⁃EPS在初期會最先響應(yīng)。然而，在生物膜體系中，Wang等對CeO2NPs慢性暴露的響應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，EPS的含量較空白值有所下降，且隨著暴露濃度的增大，其下降程度更加顯著。由于EPS是微生物分泌產(chǎn)生，據(jù)此推測，納米材料長期的毒性作用對微生物已經(jīng)產(chǎn)生了負面影響，而對應(yīng)微生物中的功能菌群也被抑制，這與大部分納米材料作用下脫氮除磷效果受到抑制的結(jié)論相吻合。同時，在Wang等的研究中也提及，雖然EPS總量下降，但是LB⁃EPS的含量上升，而TB⁃EPS呈現(xiàn)相反的規(guī)律。據(jù)此，TB⁃EPS含量的下降可以解釋為微生物活性受到抑制，微生物群落豐度降低，致使產(chǎn)生分泌物量減少;同時，部分TB⁃EPS脫離并轉(zhuǎn)化為LB⁃EPS，造成LB⁃EPS的上升，這說明，長期納米材料暴露對微生物的作用是從內(nèi)部主導(dǎo)的。Gu等在對細胞進行SEM分析時發(fā)現(xiàn)，胞內(nèi)含有Ag+NPs，也證實了納米材料對于細胞胞內(nèi)的入侵。同時，污泥沉降性能受到EPS的影響，結(jié)構(gòu)松散的LB⁃EPS含量的增加勢必會造成污泥穩(wěn)定性的降低與粒徑的膨脹，Zheng等的研究印證了這個推論。
根據(jù)統(tǒng)一理論的觀點，EPS和SMP之間存在轉(zhuǎn)化關(guān)系，溶解的EPS(S⁃EPS)被稱為SMP，而SMP中與微生物內(nèi)源呼吸相關(guān)聯(lián)的微生物產(chǎn)物(BAP)則源于EPS的水解。據(jù)此可以推測，在長期納米材料的暴露下，EPS含量的降低受多種因素的影響，一是微生物活性降低，分泌被抑制;二是EPS結(jié)構(gòu)逐漸蓬松，最終解體，水解成部分SMP。目前，研究者大多著眼于EPS分層組分在納米材料長期暴露中的變化，而SMP與EPS之間互相轉(zhuǎn)化的統(tǒng)一機理缺乏討論。
四、微生物群落結(jié)構(gòu)變化及生物恢復(fù)探究
微生物種群的多樣性和穩(wěn)定性對實現(xiàn)生物脫氮除磷具有重要作用，廢水處理性能的下降主要是由于微生物群落的變遷和活性的抑制。Zheng等發(fā)現(xiàn)，TiO2NPs和ZnONPs的存在降低了活性污泥的微生物多樣性，其中氨氧化細菌如亞硝酸單胞菌的豐度降低較為明顯，然而Candidatus、Accumulibacterphosphatis以及Rhodocyclaceaebacterium作為典型的多磷酸鹽積累生物(PAOs)在暴露中并沒有觀察到抑制現(xiàn)象，這一結(jié)論與長期納米金屬及其氧化物作用下的除磷效果并沒有受到顯著抑制的現(xiàn)象相吻合。
由于納米材料在不同時間尺度上的暴露對微生物在表觀與機理層面的影響存在顯著差異，納米材料對微生物的負面影響需要較長時間的累積才會顯現(xiàn)。然而在工程實際中，與長期影響的控制相比，納米材料短期暴露的解除更具有預(yù)先發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)受抑制微生物活性的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，一些細菌產(chǎn)生的群體感應(yīng)(QS)信號分子可以促進微生物群落中細胞與細胞的通信。其中，N-乙酰-高絲氨酸內(nèi)酯(N⁃acyl⁃homoserines，AHL)被認為是最主要的脂肪類衍生物信號分子，也是在生物膜細胞之間起主要信息傳遞作用的信號分子。由于特定菌株產(chǎn)生的AHL可以激活該菌株的群體感應(yīng)，又能同時抑制其他菌株的群體感應(yīng)體系來提高競爭性，這使得提高脫氮除磷菌群在總?cè)郝渲械母偁幮杂辛死碚撘罁?jù)，借此利用細胞的群體感應(yīng)現(xiàn)象提高優(yōu)勢菌株，優(yōu)化微生物群落，進而提升廢水處理性能成為可能。遺憾的是，在納米金屬及其氧化物暴露條件下，對于微生物群體感應(yīng)變化機制的研究十分稀少，利用AHL來調(diào)控細菌群體感應(yīng)抵御侵害的研究仍屬空白。
五、前景與建議
目前，對納米材料的研究已經(jīng)進入了一個全新的階段，在已經(jīng)幾乎明晰納米金屬及其氧化物對活性污泥的作用機制時，后續(xù)的研究將從更加深入的角度全面地了解納米材料的暴露在環(huán)境行為中的具體表現(xiàn)以及作用效應(yīng)，給出的建議如下。
(1)盡管目前的研究中，充分考慮了微生物在納米金屬及其氧化物脅迫下的長期累積效應(yīng)，但是都只是停留在時間尺度較小的周期內(nèi)，暴露的時間尺度只局限于季度周期，而現(xiàn)實中的泄露危害可能是緩慢、持久的，關(guān)于這方面的研究目前十分缺乏。
(2)雖然已有文獻研究了多種納米材料的混合作用，但是納米材料與其他微污染物的耦合作用對污水處理系統(tǒng)的影響研究十分匱乏，需充分考慮進廠水復(fù)雜的成分有利于全面評估納米材料的存在對環(huán)境的危險性，使納米金屬及其氧化物在環(huán)境行為中變遷的研究更加全面和具體。
(3)目前，在納米金屬及其氧化物脅迫作用下，對污染物暴露解除后微生物性能修復(fù)的研究非常有限。由于從微生物群落變遷角度探究群體感應(yīng)現(xiàn)象在微生物群落中的作用十分必要，這對于重塑微生物活性和豐度以此優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)，提高微生物群落在危險條件下的抵抗機制有重要意義。（ >
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