论文部分内容阅读
近年来,纳米银(AgNPs)的应用越来越广泛,大量AgNPs不可避免的通过多种途径进入环境而造成污染,对环境和人类健康有一定的潜在风险。当AgNPs随着生活污水、工业废水和雨水进入污水处理厂,必然会与污水处理系统中起主要作用的活性污泥产生相互作用,可能会对污水处理性能造成一定的影响。本研究针对AgNPs是否会影响SBR生物脱氮效能这一热点问题,控制不同的进水AgNPs浓度,以AgNO3作为Ag+对照组,在探究AgNPs和AgNO3对SBR系统脱氮效能的基础上,进一步对比了长期试验后的活性污泥中微生物群落组成的差异。旨在预测AgNPs短期和长期暴露在污水处理厂时,对污水处理系统的生物脱氮效能和其他方面造成危害的可能,以期为更加有效地遏制AgNPs在水环境中的扩散,评估AgNPs污染带来的生态风险与公共健康威胁提供理论依据。在运行稳定的SBR系统中加入不同浓度的AgNPs(0 mg/L、0.3 mg/L、0.5 mg/L、0.8 mg/L、1 mg/L、1.5 mg/L、2 mg/L和3 mg/L),模拟不同浓度AgNPs短期暴露时对各个系统的冲击,0.3 mg/L AgNO3作为Ag+对照组,明确AgNPs和Ag+的毒性差异。研究表明AgNPs短期冲击会造成系统脱氮性能的下降。随着AgNPs浓度的增大,NH4+-N降解速度依次变缓,氨氧化菌活性减弱,NO3--N升高趋势逐渐减缓,硝化过程受到抑制。反硝化过程几乎不受影响。对照组中Ag+短期暴露对硝化和反硝化过程都不会产生影响。选取AgNPs浓度为0.5 mg/L、1 mg/L和2 mg/L进行长期试验,0.2 mg/L AgNO3作为Ag+对照组,探究AgNPs和AgNO3长期暴露对SBR系统生物脱氮效能及其他方面的综合影响。随着反应周期的延长,各系统增强了对AgNPs的适应性,NH4+-N降解速率较短期AgNPs暴露有明显提高。但在试验后期AgNPs毒性积累造成NH4+-N去除率突然下降。反硝化的脱氮效能始终不受影响。氨氧化菌对AgNPs最敏感,其活性影响硝化的进程。AgNPs浓度越高,氨氧化菌活性越弱,SAOR值越小。亚硝酸盐氧化菌的耐受性较强,整个试验过程SNi PR值很小,AgNPs浓度越高,SNa PR值越小。AgNPs会抑制微生物活性,AgNPs浓度越高污泥浓度下降幅度越大。短期内AgNPs的加入有利于增加PS、PN的含量。随着周期的延长,AgNPs毒性积累,浓度较高的系统中PS和PN的含量降低。AgNPs浓度越大EPS含量越不稳定。基于16SrRNA高通量测序技术探究AgNPs和AgNO3长期暴露后SBR系统活性污泥中微生物群落的变化。研究内容包括序列和各分类水平物种组成分析、微生物种群Alpha多样性和Beta多样性分析、物种差异和标志物种分析、关联网络分析、功能潜能预测和氮代谢通路图分析等等。虽然Ag+对照组在长期暴露时脱氮效能良好,与空白组几乎没有差异,但微生物群落结构却受到明显的影响。研究表明AgNPs和AgNO3的加入会增加微生物群落的物种丰富度和多样性。相对丰度最高的三个门是Proteobacteria、Bacteroidetes和Chloroflexi,分别占比81.96%、5.36%、1.71%以上;属于Proteobacteria门的Gammaproteobacteria是最占优势的纲,加入AgNPs或AgNO3会促进其生长增殖;丰度最高的属是Thauera,平均相对丰度>1%的属中具有相对抗性的属是Candidatus_Competibacter、Lentimicrobium,受AgNPs抑制的属是Thauera、Paracoccus、Amaricoccus和Nitrospira。同一组中的微生物群落表现出最高的相关性,AgNPs浓度为0.5 mg/L和1 mg/L两组之间相关性最高。LEf Se分析表明AgNPs浓度为2 mg/L样本中富集的菌种最多。微生物种群关联网络图(Spearman’ρ>0.65,α<0.05)表明大部分相关关系较多的菌都属于Proteobacteria,在数量上远多于其他门,Bacteroidetes次之。基于Meta Cyc数据库,高浓度的AgNPs会刺激微生物做出生物合成代谢等相关的应激反应。基于KEGG数据库,与氮代谢相关的酶中含量最高的是参与反硝化过程的酶,占绝对优势。AgNPs和AgNO3加入会促进固氮过程的酶相对丰度增加,减少参与硝化过程和反硝化过程的功能基因含量。