0371-60972711
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2017-12-05 14:48:43 來(lái)源： 點(diǎn)擊：
近些年來(lái), 隨著納米材料的產(chǎn)量及應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大, 納米顆粒進(jìn)入環(huán)境后對(duì)人類(lèi)健康及生態(tài)系統(tǒng)具有的潛在風(fēng)險(xiǎn)也備受關(guān)注.這其中, 納米TiO2作為產(chǎn)量最大的納米材料之一, 因其獨(dú)特的物化特性, 在化妝品制造、半導(dǎo)體工業(yè)及水處理行業(yè)中都有廣泛地應(yīng)用.因而也有越來(lái)越多的學(xué)者著手研究納米TiO2的生物危害. Simonin等發(fā)現(xiàn)納米TiO2能顯著影響硝化菌及反硝化古菌的活性及豐度, 而亞硝酸鹽氧化菌的活性則基本不受納米TiO2投加量的影響. Leung等在比較納米TiO2和納米ZnO對(duì)E. coli的毒性作用時(shí)發(fā)現(xiàn)納米TiO2對(duì)E. coli的毒性更強(qiáng), 并認(rèn)為這主要是由于納米TiO2能顯著抑制細(xì)胞膜上與清除超氧自由基(ROS)相關(guān)的抗氧化蛋白酶的正調(diào)控. Liu等則發(fā)現(xiàn)納米TiO2能破壞小球藻的光合膜結(jié)構(gòu), 進(jìn)而導(dǎo)致藻細(xì)胞凋亡. Gu等在評(píng)估人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞在對(duì)納米TiO2暴露的響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)納米TiO2并不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激現(xiàn)象, 即納米TiO2產(chǎn)生的ROS對(duì)人體細(xì)胞的氧化還原平衡尚不能造成顯著危害.上述結(jié)論盡管對(duì)納米TiO2對(duì)生物體是否具有抑制作用尚不能達(dá)成一致, 但足以說(shuō)明不同生物體對(duì)納米TiO2的暴露具有不同的響應(yīng).作為納米顆粒進(jìn)入天然環(huán)境的最后“屏障”, 已有納米TiO2在污水處理系統(tǒng)中檢出的報(bào)道, 這些納米顆粒95%以上都會(huì)被活性污泥吸附并截留, 這將導(dǎo)致活性污泥中的Ti含量可能要比進(jìn)入高幾個(gè)數(shù)量級(jí).因此, 研究納米TiO2對(duì)各活性污泥處理工藝中的微生物的影響是十分必要的.鑒于納米TiO2在日化行業(yè)的大量使用, 研究適于處理日化工業(yè)廢水的厭氧顆粒污泥處理工藝對(duì)納米TiO2暴露的響應(yīng)尤為迫切.特別是在納米TiO2持續(xù)暴露下產(chǎn)甲烷菌群與其它功能菌群關(guān)系的變化, 將有助于深入認(rèn)識(shí)納米顆粒對(duì)厭氧處理系統(tǒng)的影響, 并對(duì)納米顆粒污染物的排放控制具有重要意義.然而, 目前現(xiàn)有研究多關(guān)注于短期暴露下納米TiO2對(duì)厭氧微生物的影響, 缺乏開(kāi)展長(zhǎng)期暴露的響應(yīng)研究.
因此, 本研究通過(guò)比較納米TiO2急性及長(zhǎng)期持續(xù)暴露下對(duì)厭氧顆粒污泥體系影響的異同, 具體分析了納米TiO2對(duì)厭氧反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定性的累積效應(yīng)及其在反應(yīng)器內(nèi)的歸趨, 結(jié)合厭氧顆粒污泥微生物種群結(jié)構(gòu)的變化, 以揭示納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥微生物的抑制機(jī)制, 以期為應(yīng)對(duì)厭氧污水處理體系中納米TiO2的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供理論支持和參考依據(jù).
1 材料與方法 1.1 厭氧顆粒污泥及納米TiO2的特性
試驗(yàn)所用厭氧顆粒污泥來(lái)自于處理大豆蛋白廢水的EGSB反應(yīng)器, 并在小試ASBR反應(yīng)器中采用模擬廢水馴化一個(gè)月, 此時(shí)污泥最大比產(chǎn)甲烷活性為(1.08±0.03)g·(g·d)-1.經(jīng)分析污泥中Ti的背景值(以VSS計(jì), 下同)為(1.7±0.3)mg·g-1.
其中, 模擬廢水中的主要成分有：葡萄糖(7 000 mg·L-1)、碳源及磷源(500 mg·L-1NH4Cl、26 mg·L-1 K2HPO4·3H2O、酵母浸粉及胰蛋白胨各0.25 mg·L-1)、pH緩沖劑以及參考文獻(xiàn)礦物質(zhì)培養(yǎng)基配置的微量元素液.
納米TiO2購(gòu)自Sigma-Aldrich公司, 純度>99.5%, 平均粒徑為25 nm, 并用超純水制備2 g·L-1的納米TiO2貯備液, 在4℃下儲(chǔ)存.對(duì)儲(chǔ)備液中納米TiO2形貌的觀(guān)察結(jié)果如圖 1所示.可見(jiàn), 納米TiO2顆粒以團(tuán)聚體形式存在, 其尺寸約為(19.2±9.5)nm, 與MSDS描述基本一致.
圖 1 TEM下納米TiO2形貌圖
1.2 短期暴露試驗(yàn)
考慮到目前納米TiO2在環(huán)境中的累積量及其持續(xù)擴(kuò)大的使用范圍必將導(dǎo)致更多的納米TiO2向環(huán)境中釋放[8], 短期暴露試驗(yàn)選用了5、30、150 mg·g-1這3種劑量來(lái)研究短期暴露下納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥各代謝階段的影響.納米TiO2對(duì)產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段的影響分別用末端發(fā)酵產(chǎn)物(VFAs)濃度及總產(chǎn)烷量占對(duì)照組相同參數(shù)的相對(duì)百分含量來(lái)確定.產(chǎn)酸階段影響試驗(yàn)以葡萄糖(2 000 mg·L-1)為碳源, 同時(shí)加入30 μL BES抑制產(chǎn)甲烷菌活性.分別將馴化好的顆粒污泥(2 g·L-1)、培養(yǎng)液及一定量的納米TiO2儲(chǔ)備液共40 mL加入150 mL血清瓶后, 氮?dú)獯得? min后用膠塞密封, 置于35℃±1℃的恒溫?fù)u床(110 r·min-1避光培養(yǎng), 2 d后測(cè)定各血清瓶中VFAs的濃度.產(chǎn)甲烷階段影響試驗(yàn)與產(chǎn)酸階段影響試驗(yàn)的過(guò)程基本相同, 但以乙酸鈉(2 000 mg·L-1)為碳源且不加入BES, 8 d內(nèi)固定時(shí)間間隔測(cè)定甲烷產(chǎn)量.累計(jì)產(chǎn)烷量試驗(yàn)與產(chǎn)甲烷階段影響試驗(yàn)的過(guò)程基本相同但采用葡萄糖(2 000 mg·L-1)為碳源.
1.3 長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)
長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)在兩個(gè)完全相同、有效容積為2.5 L的ASBR反應(yīng)器(R1和R2)內(nèi)進(jìn)行.進(jìn)水成分同上文模擬廢水, 反應(yīng)器水力停留時(shí)間為48 h.每24 h運(yùn)行一個(gè)周期, 具體運(yùn)行參數(shù)如下：進(jìn)水10 min、沉降15 min、排水10 min, 其余為厭氧消化反應(yīng)時(shí)間.加入納米TiO2前, R1和R2先運(yùn)行足夠長(zhǎng)時(shí)間直至兩者出水參數(shù)差距在10%以下, 此時(shí), 兩反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度約為6 g·L-1.隨后, 由蠕動(dòng)泵隨進(jìn)水向R2反應(yīng)器內(nèi)打入納米TiO2溶液(5 mg·L-1), R1則作為對(duì)照.長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)共進(jìn)行90 d.
通過(guò)每日測(cè)定pH值、VFAs的含量和成分、生物氣產(chǎn)量和成分、出水中納米TiO2及Ti4+的濃度來(lái)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器運(yùn)行效果.
1.4 熒光原位雜交(FISH)
本研究采用4種寡核苷酸熒光探針對(duì)厭氧顆粒污泥中特定的微生物種群進(jìn)行定量分析, 探針信息見(jiàn)表 1.樣品的預(yù)處理則參考了文獻(xiàn)[14, 15]的方法.
表 1 FISH中用到的熒光探針
為確定上述微生物的相對(duì)豐度, 將樣品繼續(xù)進(jìn)行DAPI染色.在FV10i激光共聚焦顯微鏡下進(jìn)行觀(guān)察, 將雜交呈陽(yáng)性的細(xì)胞與同視野下總活細(xì)胞數(shù)的比值定為該類(lèi)微生物的相對(duì)豐度.
1.5 其它分析方法
COD、SS、VSS及pH等的測(cè)定都采用標(biāo)準(zhǔn)方法.生物氣及VFAs的含量及成分采用氣相色譜法測(cè)定.出水及污泥經(jīng)預(yù)處理后[7], 其中的Ti元素采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定.
長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)結(jié)束后, 從R1及R2反應(yīng)器底部隨機(jī)采集10批厭氧顆粒污泥樣品, 參照Alphenaar等[18]的方法對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理后, 在掃描電鏡(SEM)下觀(guān)察污泥對(duì)納米TiO2的吸附及污泥形貌的變化, 并利用X射線(xiàn)能譜儀(EDX)對(duì)樣品進(jìn)行元素成分分析.
2 結(jié)果與討論 2.1 納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷過(guò)程的短期影響
簡(jiǎn)單底物的厭氧消化主要經(jīng)過(guò)產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段兩個(gè)過(guò)程, 因此, 本文首先分別研究了在不同劑量納米TiO2的短期暴露下, 厭氧產(chǎn)酸階段VFAs及產(chǎn)甲烷階段總產(chǎn)烷量的影響, 結(jié)果見(jiàn)圖 2.從中可見(jiàn), 即使納米TiO2的劑量達(dá)到150 mg·g-1, 各VFAs產(chǎn)量及產(chǎn)烷量都與對(duì)照組沒(méi)有明顯差別(P>0.05), 說(shuō)明高劑量納米TiO2的短期暴露對(duì)厭氧顆粒污泥中微生物的代謝不會(huì)產(chǎn)生顯著抑制. Gonzalez-Estrella等的試驗(yàn)結(jié)果也同樣證實(shí)了高達(dá)1500 mg·L-1的納米TiO2的短期暴露對(duì)厭氧消化過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生抑制作用.這一現(xiàn)象可能緣于兩方面的原因：首先, 厭氧顆粒污泥對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)的沖擊負(fù)荷都具有非常好的抵抗能力, 它致密的結(jié)構(gòu)和良好的沉降性能可大大減少包裹在胞外聚合物(EPS)內(nèi)部的產(chǎn)酸菌及產(chǎn)甲烷菌與進(jìn)水中化學(xué)物質(zhì)的接觸幾率; 此外, 納米TiO2的急性毒性一般被認(rèn)為主要來(lái)自于其在氧氣及光照存在時(shí)所釋放的ROS, ROS能擾亂生物細(xì)胞內(nèi)的新陳代謝, 損傷細(xì)胞抗氧化功能進(jìn)而破壞胞內(nèi)脂類(lèi)、蛋白質(zhì)、多糖及DNA等物質(zhì); 而本試驗(yàn)均是在無(wú)氧的暗環(huán)境下進(jìn)行的, 極大限制了ROS的產(chǎn)量, 這也是納米TiO2對(duì)厭氧消化過(guò)程具有低急性毒性更重要的原因.而上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)采用厭氧顆粒污泥工藝的城市污水廠(chǎng)應(yīng)對(duì)高納米TiO2進(jìn)水沖擊時(shí)也具有一定指導(dǎo)意義, 即如果及時(shí)采取處理措施, 納米TiO2進(jìn)水沖擊負(fù)荷不會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響.
(a)產(chǎn)酸階段; (b)產(chǎn)甲烷階段
圖 2 納米TiO2短期暴露對(duì)厭氧顆粒污泥產(chǎn)酸階段及產(chǎn)甲烷階段的影響
盡管上述試驗(yàn)證明, 納米TiO2對(duì)產(chǎn)酸階段及產(chǎn)甲烷階段這兩個(gè)獨(dú)立過(guò)程沒(méi)有明顯影響, 但實(shí)際厭氧消化過(guò)程中上述兩階段是相互融合彼此協(xié)調(diào)的.因此, 通過(guò)累積產(chǎn)烷量隨時(shí)間的變化情況考察了納米TiO2對(duì)完整的厭氧消化產(chǎn)烷過(guò)程的影響, 結(jié)果見(jiàn)圖 3.可見(jiàn), 無(wú)論是單獨(dú)考慮產(chǎn)烷過(guò)程還是厭氧消化完整過(guò)程, 納米TiO2對(duì)最終產(chǎn)烷量都沒(méi)有明顯影響, 但值得注意的是, 150 mg·g-1的納米TiO2使累積產(chǎn)烷量在第2 d即明顯滯后于其它試驗(yàn)組及對(duì)照組(P<0.05), 直到第6 d之后產(chǎn)烷量才與其它試驗(yàn)組接近.這說(shuō)明, 盡管高劑量納米TiO2的短期暴露不會(huì)損害產(chǎn)甲烷菌的代謝能力, 但可使其產(chǎn)烷速率減慢, 結(jié)合納米TiO2短期暴露同樣未對(duì)產(chǎn)酸菌代謝能力產(chǎn)生明顯抑制的結(jié)論(圖 2), 可推斷產(chǎn)烷速率的暫時(shí)性下降主要是傳質(zhì)速率的降低, 即高劑量納米TiO2阻礙了厭氧顆粒污泥中微生物維持原本的代謝速率, 這可能是由于大量納米TiO2堆積在顆粒污泥表面占據(jù)了污泥表面的活性點(diǎn)位, 從而阻礙了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向顆粒污泥內(nèi)部的擴(kuò)散.
*表示與對(duì)照組有明顯差異
圖 3 納米TiO2對(duì)累積產(chǎn)甲烷量的影響
2.2 納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷過(guò)程的長(zhǎng)期影響
盡管短期暴露試驗(yàn)說(shuō)明, 納米TiO2沖擊負(fù)荷不會(huì)厭氧顆粒污泥中的微生物產(chǎn)生明顯抑制作用, 但上述結(jié)論并不一定適用于解釋納米TiO2對(duì)持續(xù)運(yùn)行的厭氧污水處理系統(tǒng)的累積影響.因此, 為了考察納米TiO2對(duì)的長(zhǎng)期影響, 本研究連續(xù)監(jiān)測(cè)了厭氧顆粒污泥反應(yīng)器在納米TiO2長(zhǎng)期暴露下的運(yùn)行情況, 結(jié)果如圖 4所示.
圖 4 納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定性的長(zhǎng)期影響
納米TiO2的長(zhǎng)期作用使得R2反應(yīng)器內(nèi)的VFAs呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì).乙酸是唯一能被產(chǎn)甲烷菌作為底物直接利用的VFAs, 因此, R2反應(yīng)器內(nèi)乙酸濃度與R1接近且都保持了較低的水平暗示了兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌都能夠有效地代謝乙酸.換句話(huà)說(shuō), 與短期暴露試驗(yàn)結(jié)果相近, 納米TiO2的長(zhǎng)期作用對(duì)產(chǎn)甲烷菌的影響并不明顯.運(yùn)行35 d后R2反應(yīng)器內(nèi)的丙酸濃度開(kāi)始高于R1反應(yīng)器且差距持續(xù)拉大, 說(shuō)明R2反應(yīng)器內(nèi)丙酸氧化菌群(即產(chǎn)乙酸菌)生長(zhǎng)受抑制, 這一般被認(rèn)為是厭氧反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定的標(biāo)志之一, 這也說(shuō)明產(chǎn)乙酸菌對(duì)納米TiO2的長(zhǎng)期暴露要比產(chǎn)甲烷菌更加敏感.但R2反應(yīng)器內(nèi)丁酸積累直到運(yùn)行50 d后才出現(xiàn)且直至試驗(yàn)結(jié)束也沒(méi)有超過(guò)75mg·L-1, 似乎暗示著食丁酸產(chǎn)乙酸菌的代謝受納米TiO2的影響并不像食丙酸產(chǎn)乙酸菌那樣明顯. Collins等和Schmidt等的研究結(jié)果同樣證實(shí)了食丁酸產(chǎn)乙酸菌在不良環(huán)境沖擊下代謝速率要高于食丙酸產(chǎn)乙酸菌, 因?yàn)檠趸∷岬倪^(guò)程中能產(chǎn)生更多的能量且食丁酸產(chǎn)乙酸菌對(duì)化學(xué)物質(zhì)沖擊的適應(yīng)能力更強(qiáng).反應(yīng)器運(yùn)行超過(guò)一個(gè)月后才出現(xiàn)丙酸和丁酸積累也說(shuō)明, 用短期暴露試驗(yàn)來(lái)研究納米顆粒對(duì)厭氧體系的長(zhǎng)期累積效應(yīng)是具有一定局限性的.
經(jīng)過(guò)90 d的運(yùn)行, R2反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)率分別下降了30.70%和14.01%, 且產(chǎn)氣量的下降(第24 d)明顯早于甲烷產(chǎn)率的下降(第51 d), 即納米TiO2對(duì)CO2和H2產(chǎn)量的抑制相較于CH4不僅更早而且更顯著, 這表明納米TiO2對(duì)產(chǎn)酸菌具有更顯著的抑制作用, 這一現(xiàn)象也與圖 4中VFAs的試驗(yàn)結(jié)果一致.
鑒于短期及長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)都證明了納米TiO2對(duì)產(chǎn)烷過(guò)程影響不明顯, 考慮到本試驗(yàn)條件下基本限制了納米TiO2生成ROS及納米TiO2極低的溶解度[7], 即排除了ROS或金屬離子釋放導(dǎo)致的抑制作用, 再結(jié)合上述“納米TiO2長(zhǎng)期暴露對(duì)產(chǎn)酸菌比對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制更明顯”的試驗(yàn)結(jié)果, 可推斷納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥的抑制機(jī)制主要發(fā)生在顆粒污泥外層, 是一種“物理遮蔽”作用.一般認(rèn)為, 厭氧顆粒污泥內(nèi)的功能菌群是層狀分布的, 即外層主要為產(chǎn)酸菌而內(nèi)層則分布著產(chǎn)甲烷菌[9].鑒于本試驗(yàn)中納米TiO2的團(tuán)聚體尺寸超過(guò)了66 nm(圖 1), 只可能被截留在顆粒污泥表面或外層, 因此只有位于外層的產(chǎn)酸菌有機(jī)會(huì)接觸到納米TiO2, 而逐漸被顆粒污泥所吸附的納米TiO2則可能通過(guò)占據(jù)活性點(diǎn)位、降低污泥與基質(zhì)的接觸面積或者阻塞物質(zhì)代謝通道等方式在產(chǎn)酸菌與液相間建立起一道物理屏障阻礙產(chǎn)酸菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝入.此時(shí), 顆粒污泥的層狀結(jié)構(gòu)具有雙重作用, 一方面納米TiO2通過(guò)改變外層產(chǎn)酸菌附近的微環(huán)境條件干擾了產(chǎn)酸菌的正常代謝; 另一方面, 外層產(chǎn)酸菌為處于顆粒污泥內(nèi)部的產(chǎn)甲烷菌提供了保護(hù)屏障以遠(yuǎn)離因納米TiO2長(zhǎng)期暴露導(dǎo)致的外界不良環(huán)境.
2.3 納米TiO2在厭氧反應(yīng)器內(nèi)的歸趨
為確定納米TiO2在厭氧反應(yīng)器內(nèi)的歸趨, 對(duì)R2反應(yīng)器出水中的化合態(tài)(TiO2)及離子態(tài)(Ti4+)的Ti含量進(jìn)行了測(cè)定, 結(jié)果如圖 5所示.
水平線(xiàn)表示測(cè)試指標(biāo)平均含量
圖 5 出水中納米TiO2及溶解性Ti4+的濃度
由圖 5(a)結(jié)果可見(jiàn), 出水中TiO2的平均含量只有0.632 mg·L-1, 說(shuō)明絕大多數(shù)納米TiO2都被厭氧顆粒污泥截留在了反應(yīng)器內(nèi). Gómez-Rivera等[25]和Lombi等在研究納米顆粒在污水處理構(gòu)筑物中的歸趨時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)納米顆粒會(huì)被活性污泥所截留.但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng), 出水中TiO2的含量有增高的趨勢(shì).這可能與納米TiO2的團(tuán)聚特性和R2反應(yīng)器內(nèi)微環(huán)境條件隨暴露時(shí)間延長(zhǎng)有所變化有關(guān).有研究表明, 液相中的有機(jī)物成分能明顯改變納米顆粒的團(tuán)聚行為.因此, R2反應(yīng)器內(nèi)VFAs的積累不僅是納米TiO2長(zhǎng)期暴露的結(jié)果, 同時(shí)也能反作用于納米TiO2的團(tuán)聚、遷移及沉降行為.由于納米TiO2吸附了更多的有機(jī)酸, 使得顆粒之間的靜電斥力和空間位阻增大, 進(jìn)而阻礙了顆粒的聚集, 增強(qiáng)了納米TiO2在液相中的穩(wěn)定性[28].另一方面, VFAs的積累將導(dǎo)致pH值有所下降, 從而使液相pH值更加遠(yuǎn)離納米TiO2的等電點(diǎn), 范德華引力降低而靜電斥力增加, 納米顆粒的聚集體尺寸減小, 從而進(jìn)一步增強(qiáng)了納米TiO2隨出水遷移的能力.
圖 5(b)表明納米TiO2的溶解度極低, 納米TiO2的溶解行為與暴露時(shí)間無(wú)關(guān), 也證實(shí)了之前的猜測(cè), 納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥的抑制作用與Ti4+釋放無(wú)關(guān), 這也與之前的多項(xiàng)研究結(jié)果一致.
2.4 納米TiO2長(zhǎng)期暴露下厭氧顆粒污泥形貌及種群動(dòng)態(tài)的變化
SEM-EDS分析可直觀(guān)反映納米TiO2是否可被厭氧顆粒污泥所截留.長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)結(jié)束后, R2反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥樣品SEM圖像[圖 6(a)]顯示了顆粒污泥表面沉積了多個(gè)顆粒團(tuán)聚體, 而EDS分析證實(shí)所觀(guān)察到的顆粒物即為T(mén)iO2.掃描電鏡圖像還反映出納米TiO2長(zhǎng)期暴露后顆粒污泥形貌的變化. R1反應(yīng)器內(nèi)的污泥樣品表面均勻覆蓋了EPS, 且大量的具有產(chǎn)酸菌典型形態(tài)的絲狀、棒狀及不規(guī)則球狀細(xì)菌被包裹在EPS內(nèi)[圖 7(a)].而R2反應(yīng)器的污泥樣品出現(xiàn)了局部EPS剝落, 細(xì)菌直接暴露在了外部, 表明顆粒污泥外層結(jié)構(gòu)受損[圖 7(b)], 這也間接證明了上文“納米TiO2的長(zhǎng)期暴露會(huì)對(duì)位于顆粒污泥外層產(chǎn)酸菌產(chǎn)生一定抑制作用”的結(jié)論.
圖 6 納米TiO2長(zhǎng)期暴露后厭氧顆粒污泥表面的掃描電鏡及能譜分析圖
(a)、(b)分別代表R1及R2反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥形貌
圖 7 納米TiO2長(zhǎng)期暴露下厭氧顆粒污泥形貌的變化
為考察納米TiO2長(zhǎng)期暴露對(duì)厭氧顆粒污泥微生物的種群結(jié)構(gòu)的影響, 本研究中分別采用不同的特異性探針對(duì)兩反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥中的真細(xì)菌、古細(xì)菌、產(chǎn)甲烷絲菌和產(chǎn)甲烷八疊球菌進(jìn)行檢測(cè), 以確定其相對(duì)數(shù)量關(guān)系, 結(jié)果如表 2所示.
表 2 納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥微生物種群結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期影響/%
經(jīng)過(guò)90 d的納米TiO2暴露后, R2反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥中的總活細(xì)胞、真細(xì)菌及古菌含量沒(méi)有明顯變化, 說(shuō)明納米TiO2長(zhǎng)期暴露對(duì)產(chǎn)酸菌及產(chǎn)甲烷菌都沒(méi)有明顯的致死效應(yīng), 側(cè)面證實(shí)了前述“厭氧條件下納米TiO2的抑制作用主要來(lái)自于物理遮蔽效應(yīng)”的推論.
甲烷絲狀菌和甲烷八疊球菌是最主要嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌, 鑒于厭氧體系內(nèi)70%以上的甲烷都來(lái)自于嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌, 因此在正常運(yùn)行的厭氧顆粒污泥反應(yīng)器內(nèi), 這兩種產(chǎn)甲烷菌一般占優(yōu)勢(shì)地位.納米TiO2的長(zhǎng)期暴露使產(chǎn)甲烷古菌的種群結(jié)構(gòu)和相對(duì)豐度發(fā)生了比較明顯的變化：甲烷絲狀菌減少了19.4%, 而甲烷八疊球菌的含量則大幅增加了115.6%.可見(jiàn)納米TiO2使得顆粒污泥內(nèi)的微環(huán)境更適于甲烷八疊球菌的生長(zhǎng).這也可以從這兩種產(chǎn)甲烷菌不同的生理生態(tài)特性角度解釋.盡管R2反應(yīng)器內(nèi)的乙酸濃度更低, 更適于具有高基質(zhì)親和性的甲烷絲狀菌生長(zhǎng), 但須注意的是, 乙酸濃度的減少不僅是嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌代謝的結(jié)果, 同樣也是產(chǎn)乙酸菌代謝受抑的表現(xiàn).而甲烷絲狀菌能利用的底物只有乙酸, 因此當(dāng)乙酸濃度不足時(shí), 甲烷絲狀菌的生長(zhǎng)會(huì)受到一定限制, 而甲烷八疊球菌可利用的基質(zhì)種類(lèi)更多, 在某一底物濃度不足時(shí)可轉(zhuǎn)而利用其它底物生長(zhǎng), 更強(qiáng)的底物適應(yīng)能力保證了其能在產(chǎn)乙酸菌受抑制時(shí)仍維持正常生長(zhǎng).從顆粒污泥本身的結(jié)構(gòu)來(lái)講, 由于納米TiO2是從顆粒污泥外部干擾菌群正常代謝的, 因此顆粒污泥有減小其比表面積來(lái)減少與納米TiO2接觸的趨勢(shì), 而甲烷八疊球菌能比甲烷絲狀菌分泌出更多的EPS, 因此甲烷八疊球菌為主的厭氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)更加密實(shí), 具有更小的孔隙度, 能有效地將納米顆粒摒除在污泥外部.不僅如此, EPS也能補(bǔ)償納米TiO2所占據(jù)的活性點(diǎn)位, 并藉由這些活性點(diǎn)位來(lái)運(yùn)輸?shù)孜? 彌補(bǔ)產(chǎn)酸菌代謝受抑造成的EPS分泌量不足[圖 7(b)].
3 結(jié)論
(1) 低于150 mg·g-1納米TiO2的短期暴露對(duì)厭氧顆粒污泥的產(chǎn)酸階段及產(chǎn)甲烷階段的代謝產(chǎn)物總量沒(méi)有明顯影響, 但納米TiO2的沖擊負(fù)荷會(huì)減慢產(chǎn)烷速率. (2) 納米TiO2的長(zhǎng)期持續(xù)暴露對(duì)厭氧顆粒污泥反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性有負(fù)面影響, 出水指標(biāo)顯示產(chǎn)酸菌的代謝受抑比產(chǎn)甲烷更明顯, 納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥的抑制機(jī)制是“物理遮蔽”作用與顆粒污泥的層狀結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果, 污泥外層的產(chǎn)酸菌為內(nèi)部的產(chǎn)甲烷菌提供了有效的保護(hù).
(3) 出水中TiO2的平均含量只有0.632 mg·L-1, 絕大多數(shù)納米TiO2都被截留在了反應(yīng)器中, 納米TiO2的團(tuán)聚特性和反應(yīng)器內(nèi)微環(huán)境條件的變化能夠影響納米TiO2的歸趨.
(4) 納米TiO2的長(zhǎng)期持續(xù)暴露能夠破壞污泥表面覆蓋的EPS; 盡管納米TiO2對(duì)厭氧顆粒污泥中的各功能菌群沒(méi)有明顯的致死效應(yīng), 但能夠改變顆粒污泥中產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu).
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