銘盛環(huán)境——工業(yè)污水，工業(yè)廢水處理專家，提供污水處理解決方案

　　市政污水處置是現(xiàn)代城市不可或缺的重要一環(huán)，污水處置中的常見辦法有物理法、化學(xué)法、生物處置法。其中，生物處置法以其杰出的經(jīng)濟(jì)性、高效性一直在污水處置中扮演著重要角色，同時其在無害化、資源化方面也有無可比較的優(yōu)越性。生活污水和工業(yè)廢水處理中的生物處置法主要是應(yīng)用微生物代謝反響實施的一種水處置辦法，廢水生物處置普通是多種細(xì)菌協(xié)同作用的結(jié)果。例如：Candidantusaccu?mulibacter是污水處置系統(tǒng)中重要的除磷菌，承當(dāng)著生物除磷的作用;Zoogloea菌屬被證明在生長過程中能夠經(jīng)過分泌含有大量陰離子基團(tuán)的胞外聚合物與某些重金屬離子構(gòu)成絡(luò)合物，到達(dá)經(jīng)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。因而，微生物群落的豐度和多樣性使得污水中多數(shù)污染物都可以被去除。微生物主要經(jīng)過本身代謝活動發(fā)揮作用，因而，微生物的活性影響著生態(tài)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，關(guān)于以微生物為中心的污水生物處置系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效果至關(guān)重要。但是，微生物的生命活動在遭到外界環(huán)境中不利要素的影響時，正常的代謝活動容易被干擾，相應(yīng)的功用功效就會隨之降落。

　　市政污水處置廠是污水進(jìn)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置負(fù)荷。往常，隨著納米技術(shù)的疾速開展，納米金屬及其氧化物應(yīng)用普遍，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運用，而CeO2NPs則因其良好的儲氧釋氧性能被普遍應(yīng)用于抗氧化劑、燃油燃料等范疇。納米金屬及其氧化物的大量運用增加了納米資料在運輸與運用過程中進(jìn)入到自然水體以及污水處置廠的可能性，進(jìn)而對微生物的生理生化特性以及微生物群落產(chǎn)生難以估量的影響。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的納米資料經(jīng)過擴散等行為釋放到環(huán)境中。固然有報道指出含有AgNPs涂層的紡織品洗出液中的Ag+濃度數(shù)量級約處于mg/L的程度，0.10mg/L又通常在實驗室尺度下作為研討納米資料影響的目的濃度，但是目前來說，關(guān)于水環(huán)境中納米金屬及其氧化物濃度的準(zhǔn)確丈量仍然是一個難題。但是，隨著人工納米資料的普遍應(yīng)用，納米金屬及其氧化物在水體中的釋放必然將呈現(xiàn)上升趨向。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)境中趨向于聚會，且聚會水平取決于粒徑大小、外形、濃度、電荷、品種以及環(huán)境溫度，以聚會方式存在的納米金屬及其氧化物將在一定水平上加強其在水體中的停留時間，而局部水解構(gòu)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。因而，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)平安。

　　群體感應(yīng)作為細(xì)菌細(xì)胞間的信息調(diào)控行為，影響著細(xì)菌生物膜的構(gòu)成，能夠調(diào)理生物膜的厚度及活性。應(yīng)用信號分子增強群體感應(yīng)行為來強化特定菌群、優(yōu)化微生物群落構(gòu)造與組成，能夠加強群落構(gòu)造穩(wěn)定性，完成微生物功用的修復(fù)，從而提升微生物對特定污染物的去除效率，使得污水處置反響器的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)成為可能，但是這方面的研討非常有限。鑒于納米資料共同的性能和尺寸，探求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討顯得尤為重要，同時，如何減輕以至修復(fù)納米金屬及其氧化物對污水處置系統(tǒng)的沖擊影響也火燒眉毛。因而，為了明白納米金屬及其氧化物對污水處置中微生物性能的影響，本文從微生物匯集體存在方式的角度動身，探求納米資料對微生物特性的影響，剖析微生物在不利條件下的應(yīng)對機制，為從群體感應(yīng)角度深化探求微生物應(yīng)對納米資料等脅迫作用提供重要理論根據(jù)，并對微生物功用修復(fù)的可能性提出瞻望。

　　一、微生物匯集體主要存在方式

　　目前，水污染控制的主要技術(shù)手腕是生物處置，而在生物處置中承當(dāng)主要作用的絮體污泥、生物膜以及顆粒污泥就是微生物匯集體的主要存在方式。這3種微生物匯集體由于存在方式的差別在污水處置過程中扮演著不同的角色，微生物匯集體存在方式的不同也造成了其構(gòu)造、功用與特性的差別，這也標(biāo)明不同微生物匯集體在應(yīng)對納米金屬及其氧化物的脅迫時呈現(xiàn)出共同的表現(xiàn)力及應(yīng)對機制。

　　1.1 懸浮絮體污泥

　　絮體污泥通常呈現(xiàn)在傳統(tǒng)活性污泥法工藝中，是活性污泥處置系統(tǒng)的主體局部。絮體污泥主要由有機和無機兩局部組成，以細(xì)菌為主的微生物群落組成了有機的一局部，在以細(xì)菌為絮體骨架的微生態(tài)系統(tǒng)中，交錯其中的絲狀菌以及附著的微型動物讓這個群體愈加穩(wěn)定。工程納米顆粒與絮體活性污泥的互相作用在不少文獻(xiàn)中被報道。當(dāng)絮體污泥遭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形成的污泥沉降性的降落可能是由于活性污泥中納米資料的堆積以及絮體外表因吸附局部納米資料而形成的外表斥力的改動。

　　絮體污泥多孔松懈，納米金屬及其氧化物暴露濃度以及暴露時間的改動共同影響著絮體污泥的形態(tài)構(gòu)造，懸浮污泥系統(tǒng)通常采用污泥體積指數(shù)(SVI)來反映納米資料對污泥沉降、凝聚性能以及松懈水平的影響。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%，標(biāo)明絮體可經(jīng)過生物質(zhì)相關(guān)功用如生物吸附和共沉淀來去除納米金屬及其氧化物。由于絮體污泥比外表積大，“網(wǎng)狀”構(gòu)造松懈，EPS中嵌有大量細(xì)菌細(xì)胞，有利于納米資料的吸附和纏結(jié)。這一結(jié)論與Kiser等的發(fā)現(xiàn)分歧，共同提醒了懸浮污泥去除納米資料的機制。

　　1.2 附著生物膜

　　除活性污泥外，生物膜已成為污水處置的主要處置手腕。生物膜由多種微生物組成，在水的凈化中起著十分重要的作用。附著生物膜主要應(yīng)用于生物膜法工藝中，是經(jīng)過膜上微生物吸附、降解污水中有機污染物實施污水處置。微生物需求依托附著介質(zhì)完成掛膜，普通膜厚2mm，整體構(gòu)造呈現(xiàn)扁平化。與活性污泥的絮凝構(gòu)造相比，生物膜具有復(fù)雜的三維構(gòu)造，包括孔隙、通道和不規(guī)則的突起。由于微生物匯集體存在方式的差別，在應(yīng)對相同納米資料的暴露時，流露出不同的響應(yīng)措施，生物膜由于胞外聚合物的致密維護(hù)以及微生物群落之間的作用，生物膜相較于懸浮污泥絮體關(guān)于納米資料的暴露具有更強的耐受力。Sheng等在去除松懈分離的胞外聚合物(EPS)后發(fā)現(xiàn)，生物膜的活性較去除前降低，這也證明了生物膜系統(tǒng)中EPS的維護(hù)作用。

　　1.3 聚會顆粒污泥

　　顆粒污泥主要包括好氧顆粒污泥與厭氧顆粒污泥，與構(gòu)造松懈、不規(guī)則的傳統(tǒng)絮狀污泥相比，顆粒污泥呈現(xiàn)不同的表觀構(gòu)造。在構(gòu)造上，顆粒污泥能夠看作是一種具有三維平面和更復(fù)雜構(gòu)造的特殊生物膜，其中微生物互相銜接，嵌入細(xì)胞外基質(zhì)中，不同功用的微生物種群散布在不同的平面空間。由于共同的構(gòu)造，顆粒污泥在泥水別離效果、耐負(fù)荷沖擊才能、剩余污泥產(chǎn)泥率等方面，具有無可比較的優(yōu)越性，也使得好氧顆粒污泥近年來在污水處置中得到更多的關(guān)注，連同序批式反響器(SBRs)被普遍討論。由于污泥顆粒較大的尺度與較小的比外表積，吸附納米金屬及其氧化物的才能稍遜于絮體污泥，因此在抗沖擊、維持系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢。研討發(fā)現(xiàn)，顆粒污泥在AgNPs中暴露22d仍然堅持著穩(wěn)定的微生物活性，同樣條件下，絮體污泥的活性則被嚴(yán)重抑止。這能夠解釋為顆粒污泥中微生物匯集嚴(yán)密并被密集的EPS包裹，很大水平延緩了內(nèi)部細(xì)菌與外界的接觸，進(jìn)而局部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)用中會不可防止地泄露到土壤和水體中，城市污水處置廠作為納米資料在環(huán)境釋放前的最后一道屏障，進(jìn)到污水廠內(nèi)的納米金屬及其氧化物將對污水生物處置系統(tǒng)中的微生物產(chǎn)生影響，系統(tǒng)處置性能隨之動搖。在目前的研討中，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普遍研討，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注重，以期深化而全面地理解納米金屬及其氧化物對污水處置系統(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的去除率被以為是權(quán)衡廢水處置性能的指標(biāo)之一。徐夢瑩等研討1、10mg/LCeO2NPs在SBR中作用8h時發(fā)現(xiàn)，COD的去除率均到達(dá)95%。Zheng等研討顆粒污泥時發(fā)現(xiàn)，在50mg/LCuONPs下暴露5d，COD去除率仍然堅持穩(wěn)定。有趣的是，林玲玲等在研討7h紫外線映照條件下，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)。在納米資料的暴露中，COD的去除率在短期內(nèi)沒有顯著變化，但是作為廢水處置性能的另一個指標(biāo)———脫氮除磷率更容易遭到納米資料的負(fù)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等在研討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。但是，Zheng等發(fā)現(xiàn)，急性接觸ZnON?Ps對廢水營養(yǎng)去除特別是生物除磷產(chǎn)生了負(fù)面影響。微生物對納米資料不同的急性反響與所暴露的納米資料具有不同的溶解度特性相關(guān)，由于納米金屬及其氧化物關(guān)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，微生物廢水處置性能總體變化不明顯，但是在較長的納米金屬及其氧化物暴露的時間尺度狀況下，微生物對有機物和氮磷的去除效果呈現(xiàn)顯著的差別性。絮體污泥在CeO2NPs作用下20d發(fā)現(xiàn)，COD去除率并未形成顯著影響，這一結(jié)論與Xu等在生物膜70d暴露分歧。Chen等在研討1mg/L和50mg/LAl2O3NPs暴露中發(fā)現(xiàn)，即便在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止。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)重的抑止作用。而Zheng等在對好氧顆粒污泥實施70d的CuNPs暴露研討時發(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。也有研討發(fā)現(xiàn)，生物膜長期暴露于10～50mg/LCeO2NPs時，除磷和脫氮過程固然都被不同水平的抑止，但抑止水平與暴露劑量正相關(guān)。

　　在不同匯集體存在方式中，固然暴露著不同的納米金屬及其氧化物，但關(guān)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，抑止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求

　　雖然在各種暴露條件下，微生物的處置性能有不同的響應(yīng)，但是生物脫氮除磷依賴于多種生化反響，而這些生化反響是由微生物群落中共有的某些關(guān)鍵細(xì)菌分泌的關(guān)鍵酶催化的。關(guān)于每一種細(xì)菌，酶在代謝活動中都扮演著重要的角色。表1提醒了特征納米金屬及其氧化物對污水的處置效果及其要素表征。污染物的去除是由大量微生物種群一同完成的，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(xì)菌活性以及相關(guān)酶的代謝(圖1)。生物脫氮過程由3局部組成，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)、亞硝酸鹽氧化復(fù)原酶(NOR)、硝酸鹽復(fù)原酶(NAR)、亞硝酸鹽復(fù)原酶(NIR)、聚磷酸鹽水解酶(PPX)、聚磷酸鹽激酶(PPK)這6種酶被以為是生物脫氮除磷的關(guān)鍵酶。當(dāng)關(guān)鍵酶的基因表達(dá)和催化活性遭到抑止時，污水處置系統(tǒng)則表現(xiàn)為脫氮除磷效率降低，表1所示結(jié)論證明了這一點。因而，微生物種群多樣性和穩(wěn)定性的維持有利于細(xì)菌關(guān)鍵酶的持續(xù)分泌，進(jìn)而可以到達(dá)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止作用，詳細(xì)表現(xiàn)為納米金屬及其氧化物溶解釋放的納米金屬離子局部吸附在細(xì)胞外表，局部進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，對細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生氧化脅迫作用，形成微生物活性降低、細(xì)胞完好性損壞，擾亂細(xì)胞功用。

　　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)是決議微生物匯集體外表性質(zhì)的關(guān)鍵物質(zhì)。EPS掩蓋在微生物外表或填充在匯集體中間，將微生物細(xì)胞包裹、黏結(jié)起來。關(guān)于松懈構(gòu)造中的絮體污泥、稍嚴(yán)密的生物膜、致密的顆粒污泥，EPS都在維護(hù)微生物抵御納米金屬及其氧化物毒性中起到了重要的作用。但是，與納米資料的互相作用會造成EPS的理化性質(zhì)發(fā)作復(fù)雜變化，易降低污泥匯集體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　通常微生物匯集體構(gòu)造可分為松懈分離EPSs(LB?EPSs)的外區(qū)、嚴(yán)密分離EPSs(TB?EPSs)的內(nèi)區(qū)和中心細(xì)菌細(xì)胞，以及固體物質(zhì)外溶解的SMP。Hou等經(jīng)過掃描電鏡(SEM)察看LB?EPSs，發(fā)現(xiàn)其外表粗糙、呈蜂窩狀，有利于吸附污染物，能在一定水平上維護(hù)污泥匯集體中的微生物。大量研討標(biāo)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，以維護(hù)細(xì)胞免受損傷。吳楊芳在研討短期活性污泥對CeO2NPs的作用時，察看到胞內(nèi)LB?EPS組分的含量較TB?EPS增加。這從側(cè)面證明了，短期納米資料的毒性作用是從匯集體外部到內(nèi)部的一個過程，LB?EPS在初期會最先響應(yīng)。但是，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降落，且隨著暴露濃度的增大，其降落水平愈加顯著。由于EPS是微生物分泌產(chǎn)生，據(jù)此揣測，納米資料長期的毒性作用對微生物曾經(jīng)產(chǎn)生了負(fù)面影響，而對應(yīng)微生物中的功用菌群也被抑止，這與大局部納米資料作用下脫氮除磷效果遭到抑止的結(jié)論相吻合。同時，在Wang等的研討中也提及，固然EPS總量降落，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含量的降落能夠解釋為微生物活性遭到抑止，微生物群落豐度降低，致使產(chǎn)生分泌物量減少;同時，局部TB?EPS脫離并轉(zhuǎn)化為LB?EPS，形成LB?EPS的上升，這闡明，長期納米資料暴露對微生物的作用是從內(nèi)部主導(dǎo)的。Gu等在對細(xì)胞實施SEM剖析時發(fā)現(xiàn)，胞內(nèi)含有Ag+NPs，也證明了納米資料關(guān)于細(xì)胞胞內(nèi)的入侵。同時，污泥沉降性能遭到EPS的影響，構(gòu)造松懈的LB?EPS含量的增加勢必會形成污泥穩(wěn)定性的降低與粒徑的收縮，Zheng等的研討印證了這個推論。

　　依據(jù)統(tǒng)一理論的觀念，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)此能夠揣測，在長期納米資料的暴露下，EPS含量的降低受多種要素的影響，一是微生物活性降低，分泌被抑止;二是EPS構(gòu)造逐步疏松，最終崩潰，水解成局部SMP。目前，研討者大多著眼于EPS分層組分在納米資料長期暴露中的變化，而SMP與EPS之間相互轉(zhuǎn)化的統(tǒng)一機理缺乏討論。

　　四、微生物群落構(gòu)造變化及生物恢復(fù)探求

　　微生物種群的多樣性和穩(wěn)定性對完成生物脫氮除磷具有重要作用，廢水處置性能的降落主要是由于微生物群落的變化和活性的抑止。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(xì)菌如亞硝酸單胞菌的豐度降低較為明顯，但是Candidatus、Accumulibacterphosphatis以及Rhodocyclaceaebacterium作為典型的多磷酸鹽積聚生物(PAOs)在暴露中并沒有察看到抑止現(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遭到顯著抑止的現(xiàn)象相吻合。

　　由于納米資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別，納米資料對微生物的負(fù)面影響需求較長時間的累積才會顯現(xiàn)。但是在工程實踐中，與長期影響的控制相比，納米資料短期暴露的解除更具有預(yù)先發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)受抑止微生物活性的可行性。研討發(fā)現(xiàn)，一些細(xì)菌產(chǎn)生的群體感應(yīng)(QS)信號分子能夠促進(jìn)微生物群落中細(xì)胞與細(xì)胞的通訊。其中，N-乙酰-高絲氨酸內(nèi)酯(N?acyl?homoserines，AHL)被以為是最主要的脂肪類衍生物信號分子，也是在生物膜細(xì)胞之間起主要信息傳送作用的信號分子。由于特定菌株產(chǎn)生的AHL能夠激活該菌株的群體感應(yīng)，又能同時抑止其他菌株的群體感應(yīng)體系來提升競爭性，這使得提升脫氮除磷菌群在總?cè)郝渲械母偁幮杂辛死碚摳鶕?jù)，借此應(yīng)用細(xì)胞的群體感應(yīng)現(xiàn)象提升優(yōu)勢菌株，優(yōu)化微生物群落，進(jìn)而提升廢水處置性能成為可能。遺憾的是，在納米金屬及其氧化物暴露條件下，關(guān)于微生物群體感應(yīng)變化機制的研討非常稀少，應(yīng)用AHL來調(diào)控細(xì)菌群體感應(yīng)抵御損害的研討仍屬空白。

　　五、前景與倡議

　　目前，對納米資料的研討曾經(jīng)進(jìn)入了一個全新的階段，在曾經(jīng)簡直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)的研討將從愈加深化的角度全面地理解納米資料的暴露在環(huán)境行為中的詳細(xì)表現(xiàn)以及作用效應(yīng)，給出的倡議如下。

　　(1)雖然目前的研討中，充沛思索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，而理想中的泄露危害可能是遲緩、耐久的，關(guān)于這方面的研討目前非常缺乏。

　　(2)固然已有文獻(xiàn)研討了多種納米資料的混協(xié)作用，但是納米資料與其他微污染物的耦協(xié)作用對污水處置系統(tǒng)的影響研討非常匱乏，需充沛思索進(jìn)廠水復(fù)雜的成分有利于全面評價納米資料的存在對環(huán)境的風(fēng)險性，使納米金屬及其氧化物在環(huán)境行為中變化的研討愈加全面和詳細(xì)。

　　(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)的研討十分有限。由于從微生物群落變化角度探求群體感應(yīng)現(xiàn)象在微生物群落中的作用非常必要，這關(guān)于重塑微生物活性和豐度以此優(yōu)化群落構(gòu)造，提升微生物群落在風(fēng)險條件下的抵御機制有重要意義。