摘要
本文以缺氧/好氧序批式生物反应器（A/O-SBR）为研究对象，系统地考察了长期暴露条件下氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）、氧化铜纳米颗粒（CuONPs）、氧化镍纳米颗粒（NiONPs）和氧化铈纳米颗粒（CeO2NPs）对SBR脱氮除磷性能、微生物活性、微生物酶活性、微生物群落及生物毒性效应的影响，阐明了不同种类金属氧化物纳米颗粒浓度变化对SBR脱氮除磷性能、微生物活性和微生物酶活性之间相互依赖关系的影响，研究了金属氧化物纳米颗粒在活性污泥表面和微生物细胞内部的分布情况，探讨了不同种类金属氧化物纳米颗粒对SBR脱氮除磷的影响机制，具体的研究成果如下： （1）不同种类金属氧化物纳米颗粒对A/O-SBR脱氮除磷性能的影响 进水ZnONPs、CuONPs、NiONPs和CeO2NPs浓度低于5mg/L时，A/O-SBR对COD的去除效果无明显变化。随着四种NPs的浓度从5mg/L增加到60mg/L，COD的去除率分别下降了大约4.4%、4.5%、6.3%和5.7%。ZnONPs浓度超过10mg/L以及CuONPs和CeO2NPs浓度超过30mg/L后，对NH4+-N去除产生了轻微抑制，而NiONPs浓度即使增加到60mg/L，对NH4+-N去除也未产生影响。出水NO2?-N在CeO2NPs浓度低于5mg/L时发生轻微积累，然后随着CeO2NPs浓度的增大而逐渐降低，而出水NO2?-N随着ZnONPs、CuONPs和NiONPs浓度增加呈增大趋势。出水NO3?-N在ZnONPs浓度为0~5mg/L时轻微降低，然后随着ZnONPs浓度的增加而增大，然而加入相同浓度的CuONPs、NiONPs和CeO2NPs后，出水NO3?-N浓度呈现出相反的变化趋势。ZnONPs和NiONPs浓度低于5mg/L时，A/O-SBR对溶解性正磷酸盐（SOP）的去除无明显变化，而随着NPs浓度从5mg/L增大到60mg/L，SOP的去除率分别降低了6.2%和增大了12.2%。CuONPs浓度为0~10mg/L时，对SOP的去除产生抑制，随着CuONPs浓度从10mg/L增加到60mg/L，SOP的去除率从73.3±0.9%增大到77.3±1.1%。CeO2NPs浓度为0~2mg/L时，对SOP的去除产生抑制，随着CeO2NPs浓度从2mg/L增大到60mg/L，SOP的去除率从72.7±5.2%增大到94.3±0.9%。 （2）不同种类金属氧化物纳米颗粒对A/O-SBR微生物活性的影响 ZnONPs浓度低于5mg/L时，对活性污泥的比耗氧速率（SOUR）、比氨氧化速率（SAOR）、比硝酸盐还原速率（SNRR）、比磷吸收速率（SPUR）和比磷释放速率（SPRR）无明显影响。随着ZnONPs浓度从5mg/L增加到60mg/L，SOUR、SNRR、SPUR、SAOR和SPRR逐渐降低。比亚硝酸盐氧化速率（SNOR）和比亚硝酸盐还原速率（SNIRR）随着ZnONPs浓度的增加而递减。CuONPs、NiONPs和CeO2NPs浓度低于5mg/L时，对SOUR未产生明显影响，而随着NPs浓度从5mg/L增加到60mg/L，SOUR逐渐降低。随着CuONPs、NiONPs和CeO2NPs浓度的增大，SAOR、SNOR和SNIRR逐渐降低。CuONPs、NiONPs和CeO2NPs浓度小于5mg/L时，SNRR有降低的趋势，然后随着NPs浓度的增加而增大。CuONPs浓度小于10mg/L时，SPUR和SPRR轻微降低，然后随着CuONPs浓度的增加逐渐升高。NiONPs和CeO2NPs浓度小于5mg/L时，SPUR和SPRR显著降低，然后随着NPs浓度的增加而逐渐升高。 （3）不同种类金属氧化物纳米颗粒对A/O-SBR中微生物酶活性的影响 四种NPs浓度超过5mg/L后，乳酸脱氢酶活性（DHA）受到抑制。随着ZnONPs浓度从0mg/L增加到60mg/L，氨单加氧酶（AMO）、硝酸盐还原酶（NR）、聚磷酸盐水解酶（PPX）和聚磷酸盐激酶（PPK）活性的变化趋势与DHA一致。亚硝酸盐氧化还原酶（NOR）和亚硝酸盐还原酶（NIR）活性随着ZnONPs浓度的增大而逐渐降低。AMO、NOR和NIR活性随着CuONPs、NiONPs和CeO2NPs浓度的增大而不断降低。NR活性在CuONPs、NiONPs和CeO2NPs浓度低于5mg/L时受到抑制，然后随着NPs浓度的增大逐渐恢复。加入NiONPs和CeO2NPs后，PPX和PPK活性的变化趋势与NR一致。PPX和PPK活性在CuONPs浓度低于10mg/L时受到抑制，而在30mg/L和60mg/L时其活性明显增强。 （4）不同种类金属氧化物纳米颗粒对胞外聚合物的影响 随着四种NPs浓度的增大，活性污泥分泌的胞外聚合物（EPS）量不断增加。ZnONPs蛋白类物质的amideI、amideII和amideIII和多糖的C-O-C官能团产生了明显影响。而CuONPs、NiONPs和CeO2NPs对蛋白类物质的amideI和多糖的C-O-C官能团产生了显著影响。 （5）不同种类金属氧化物纳米颗粒在活性污泥表面和细胞内部的分布情况 扫描电子显微镜?X射线能谱仪（SEM-EDS）和透射电子显微镜（TEM）观察到大量NPs聚集在活性污泥表面，部分NPs穿过细胞膜进入细胞内部。相对于NiONPs和CeO2NPs，ZnONPs和CuONPs对细胞膜的损伤及在细胞内的累积程度更加明显，这通过活性氧（ROS）和乳酸脱氢酶（LDH）实验得到了验证。 （6）不同种类金属氧化物纳米颗粒对微生物群落结构的影响 进水中加入四种NPs后，微生物群落结构在门、纲和属的水平上产生了明显变化。亚硝化螺菌属Nitrosospira的相对丰度随着ZnONPs浓度的增加有降低的趋势，而随着CeO2NPs浓度的增加有明显的增大。亚硝化单胞菌属Nitrosomonas的相对丰度随着ZnONPs浓度的增加有所降低，而随着NiONPs和CeO2NPs浓度的增加有轻微的增大。硝化螺旋菌属Nitrospira的相对丰度随着ZnONPs、CuONPs和CeO2NPs浓度的增加而增大。随着四种NPs浓度的增加，反硝化菌属受到不同程度的影响。除磷菌属CandidatusAccumulibacter对四种NPs显示出良好的耐受能力，而Pseudomonas对ZnONPs和CuONPs比较敏感，相对丰度随着NPs浓度的增大有降低的趋势。 （7）不同种类金属氧化物纳米颗粒对对A/O-SBR脱氮除磷的影响机制 结合已有文献资料和实验结果，推测ZnONPs和CuONPs对活性污泥脱氮除磷的影响机制包括：破坏细胞膜；释放出的金属离子；产生ROS，造成过氧化损伤等；NiONPs的影响机制包括：产生ROS，造成过氧化损伤；破坏细胞膜；释放出的Ni离子等；而CeO2NPs的影响机制则归因于：产生ROS，造成过氧化损伤；破坏细胞膜等。
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