研究簡(jiǎn)介:銀納米粒子(Ag-NPs)的年產(chǎn)量估計(jì)約為550噸，占全球所有納米材料的24%。由于納米材料的過度使用，大量釋放到環(huán)境中的Ag-NPs不可避免地進(jìn)入廢水系統(tǒng)。Ag-NPs一旦在廢水污泥中積累，可能會(huì)對(duì)微生物的活性和多樣性構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，從而進(jìn)一步降低脫氮效率。除了不利于脫氮外，Ag-NPs還可能影響一氧化二氮(N2O)的排放。廢水處理工藝已被確定為重要的N2O排放源，2015年廢水中的N2O排放量占全球人為N2O排放量的8%。銀納米粒子(Ag-NPs)被發(fā)現(xiàn)是產(chǎn)生一氧化二氮(N2O)的原因。然而Ag-NP誘導(dǎo)N2O產(chǎn)生的機(jī)制仍存在爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步闡明。隨著微電極技術(shù)的進(jìn)步，可以準(zhǔn)確研究納米材料對(duì)生物膜微環(huán)境（例如DO和N2O濃度）的影響。因此本研究采用了三種方法（微電極、N2O同位素組成和宏基因組分析）的組合可以更清楚地揭示NP誘導(dǎo)的N2O排放的機(jī)制。在這項(xiàng)研究中，在五個(gè)獨(dú)立的測(cè)序批次生物膜反應(yīng)器中進(jìn)行了慢性Ag-NP暴露實(shí)驗(yàn)，以系統(tǒng)地評(píng)估Ag-NPs對(duì)N2O排放的影響。

Unisense微電極測(cè)定系統(tǒng)的應(yīng)用

使用微電極系統(tǒng)（Unisense，Arhus，Denmark）測(cè)量了不同深度的DO和N2O濃度微分布。在暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將一簇填料與附著的生物膜一起剝離，并使用昆蟲針固定在微型生物反應(yīng)器底部中心的載體上。在微型生物反應(yīng)器中鼓風(fēng)并使用與SBBR中相同的磁力攪拌速度混合，合成廢水的DO水平保持在大約6.0 mg/L。微型生物反應(yīng)器生物膜測(cè)量使用DO(x-10,Unisense，丹麥)和N2O(N2O-10,Unisense，丹麥)微電極，電極端直徑分別為10和25μm。為了盡可能多地捕捉DO和N2O濃度的變化，在測(cè)量期間，由三維操作器控制的垂直步長(zhǎng)為10μm的尖端接近生物膜表面。使用通用顯微鏡（放大5倍）觀察尖端和生物膜表面之間的接觸，并使用SensorTrace Pro軟件確認(rèn)DO和N2O濃度的變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究的結(jié)果表明，低劑量的Ag-NPs(<1 mg/L)可以輕微抑制N2O的產(chǎn)生，而高劑量(5 mg/L)的Ag-NPs會(huì)刺激N2O的排放。這種對(duì)高劑量Ag-NPs的刺激是由于以下原因：（i）長(zhǎng)期暴露后，高含量的Ag-NPs會(huì)在生物膜表面積累，然后在生物膜表面構(gòu)建厭氧區(qū)。(ii)厭氧區(qū)提醒微生物群落，觸發(fā)nar B和nir K基因的相對(duì)豐度。(iii)相關(guān)基因豐度的上調(diào)可能是刺激亞硝酸鹽還原途徑釋放N2O的原因.這些發(fā)現(xiàn)共同表明長(zhǎng)期暴露于高劑量的Ag-NPs可以通過在生物膜中形成厭氧微環(huán)境來增加N2O排放。因此在大型污水處理廠長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，需要精確和充分的曝氣或低SRT，以避免形成厭氧微環(huán)境，從而減少N2O的產(chǎn)生。

圖1、(a)COD、TN和NH4-N在長(zhǎng)期暴露過程中的平均去除率，(b)NH4-N、NO2-N和NO3-N在典型循環(huán)中的變化。

圖2、0μg/L、20μg/L、100μg/L、1 mg/L和5 mg/L Ag-NPs對(duì)(a)長(zhǎng)期暴露和(b)典型暴露期間N 2 O排放的影響循環(huán)。從圖中分析可以看出第30天是長(zhǎng)時(shí)間暴露于不同濃度的Ag-NP后N2O轉(zhuǎn)化率變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在長(zhǎng)期暴露期間，高濃度的Ag-NPs（即5 mg/L）會(huì)刺激N2O轉(zhuǎn)化。相比之下，在前30天，R2、R3和R4的最大N2O轉(zhuǎn)化率（分別在第20天、第1天和第20天）與對(duì)照相比分別增加了37.79±0.2%、41.04±1.4%和17.44±0.4%。

圖3、用于unisense微剖分析系統(tǒng)測(cè)量序批式反應(yīng)器中的DO和N2O濃度示意圖。

圖4、（a）DO濃度和（b）長(zhǎng)期暴露后生物膜中N2O排放的深度分布曲線。從圖a中可以看出發(fā)現(xiàn)隨著生物膜深度的增加，DO含量逐漸下降,當(dāng)生物膜暴露于5 mg/L Ag-NPs時(shí)，DO水平的快速降低形成較大厭氧區(qū)。從圖b可以看出，當(dāng)在用5 mg/L Ag-NPs處理后，N2O主要在生物膜的低DO區(qū)域（即<160μm）中產(chǎn)生。表明暴露于5 mg/L Ag-NPs的生物膜形成了低DO條件以成功促進(jìn)反硝化。

圖5、(a)參與硝化和反硝化過程的功能基因豐度的變化。(b)5 mg/L Ag-NPs脅迫下氮代謝相關(guān)基因豐度示意圖，包括硝化作用（粉色）、反硝化作用（灰色）、固氮作用（紫色）、同化亞硝酸鹽還原作用（藍(lán)色）和厭氧氨氧化作用(黃色)。綠色加號(hào)和圓圈表示上調(diào)基因，紅色減號(hào)和圓圈表示下調(diào)基因，沒有加號(hào)或減號(hào)表示未檢測(cè)到相關(guān)基因。

結(jié)論與展望

銀納米粒子(Ag-NPs)被發(fā)現(xiàn)是產(chǎn)生一氧化二氮(N2O)的原因；然而Ag-NP誘導(dǎo)N2O產(chǎn)生的機(jī)制仍存在爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步闡明。在這項(xiàng)研究中，研究人員在五個(gè)獨(dú)立的測(cè)序批次生物膜反應(yīng)器中進(jìn)行了慢性Ag-NP暴露實(shí)驗(yàn)，以系統(tǒng)地評(píng)估Ag-NPs對(duì)N2O排放的影響。結(jié)果表明，與無Ag-NP對(duì)照方法相比，低劑量Ag-NPs（<1 mg/L）略微抑制了N2O的生成，低于22.99%。相反，高劑量（5 mg/L）的Ag-NPs刺激N2O排放量減少67.54%。ICP-MS和SEM-EDS一起顯示，當(dāng)暴露于5 mg/L Ag-NPs時(shí)，高Ag-NP含量會(huì)累積在生物膜表面。N2O和DO微電極以及N2O同位素組成分析進(jìn)一步表明，積累的Ag-NPs在生物膜中構(gòu)建了厭氧區(qū)，這是刺激亞硝酸鹽還原途徑釋放N2O的主要因素.宏基因組分析進(jìn)一步將暴露于高劑量Ag-NPs下較高的N2O排放歸因于較高的nar B和nir相對(duì)豐度K基因（即分別高出1.52倍和1.29倍）。這些發(fā)現(xiàn)共同表明，長(zhǎng)期暴露于高劑量的Ag-NPs可以通過在生物膜中形成厭氧微環(huán)境來增加N2O排放。