Long-term exposure to nano-TiO? interferes with microbial metabolism and electron behavior to influence wastewater nitrogen removal and associated N?O emission

長期暴露于納米TiO2 會干擾微生物代謝和電子行為，從而影響廢水脫氮和相關的N2O排放

來源：Environmental Pollution 311 (2022) 119930

 

摘要核心內容

 

本研究首次揭示長期暴露于納米二氧化鈦（nano-TiO?）對廢水生物脫氮（BNR）系統氮轉化效率及溫室氣體N?O排放的劑量效應與恢復潛力。通過四級濃度（1、10、25、50 mg/L）的序批式反應器（SBR）實驗發現：

 

氮去除抑制：≥10 mg/L nano-TiO?顯著降低氨氮（NH??-N）和總氮（TN）去除率（圖3），50 mg/L時TN去除率降至72.2%（對照80.1%）。

 

 

N?O排放激增：N?O排放通量隨nano-TiO?濃度升高增加22.7%-46.6%，排放因子最高達61.8%（對照37.6%，圖4A）。

 

 

分子機制：nano-TiO?抑制碳源代謝（GAPDH、MDA酶活性↓）、電子傳遞鏈（ETC活性↓）及反硝化酶（NOS活性↓），導致電子競爭失衡（圖5）。

 

 

恢復潛力：停用nano-TiO?后30天，脫氮效率與N?O排放完全恢復（圖3-4）。

 

研究目的

 

量化長期暴露效應：評估nano-TiO?對BNR系統脫氮效率及N?O排放的劑量依賴性影響。

 

揭示分子機制：從微生物代謝（碳源利用、電子傳遞）、功能酶活性及菌群結構角度解析N?O生成機制。

 

評估恢復潛力：探究停用nano-TiO?后系統的自我修復能力。

 

研究思路與技術路線

 

采用 梯度暴露→多組學分析→恢復驗證 策略：

 

SBR長期運行：

 

建立SBR反應器（1.5 L），以厭氧/好氧交替模式運行（周期8 h）。

 

分階段添加nano-TiO?（1→10→25→50 mg/L，每級30天），隨后30天恢復期（無添加）。

 

多維度監測：

 

性能指標：NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN去除率及N?O排放（圖3-4）。

 

代謝活動：糖酵解（GK、GAPDH）、TCA循環（MDA、SCS）、ETC活性及NADH含量（圖5）。

 

分子生物學：功能基因（amoA、nirK、nosZ）豐度、酶活性及微生物群落（高通量測序，圖6）。

 

 

機制驗證：

 

批次實驗區分硝化/反硝化途徑對N?O貢獻（圖4B）。

 

相關性分析揭示環境因子與菌群關聯（圖7D-F）。

 

 

關鍵數據及研究意義

1. 氮去除與N?O排放（圖3-4）

 

數據：

 

50 mg/L nano-TiO?暴露時，TN去除率↓至72.2%（對照80.1%），N?O排放因子↑至61.8%（圖4A）。

 

批次實驗顯示：異養反硝化對N?O貢獻從37.6%（對照）↑至47.7%（50 mg/L，圖4B）。

 

意義：首次量化nano-TiO?對BNR系統溫室氣體排放的長期影響，為廢水廠碳足跡評估提供依據。

 

2. 微生物代謝抑制（圖5）

 

數據：

 

50 mg/L nano-TiO?使GAPDH、MDA酶活性↓21.2%，ETC活性↓33.7%，NADH↓28.5%（圖5C）。

 

NOS活性↓76.5%，nosZ基因豐度↓66.5%（圖5A）。

 

意義：證實nano-TiO?通過抑制電子傳遞與競爭（NOR vs. NOS）導致N?O積累（圖5B）。

 

3. 菌群結構變化（圖6）

 

數據：

 

黃桿菌屬（Flavobacterium）豐度↓65.9%（50 mg/L），其攜帶nosZ基因（圖6C）。

 

群落多樣性（Chao指數）從1231.6↓至1106.7（表S2）。

 

意義：功能菌衰減（如Flavobacterium）直接關聯N?O還原能力下降。

 

4. 恢復潛力（圖3-4）

 

數據：停用nano-TiO?后30天，TN去除率恢復至80.4%，N?O排放因子回歸基線（圖3-4）。

 

意義：BNR系統對nano-TiO?脅迫具強恢復力，支撐廢水廠應對突發納米污染的策略設計。

 

核心結論

 

劑量效應：≥10 mg/L nano-TiO?顯著抑制脫氮效率并促進N?O排放，主要歸因于 電子傳遞抑制 和 NOS酶活性下降。

 

微生物機制：碳源代謝受阻→NADH↓→ETC活性↓→反硝化酶電子競爭失衡（NOR優先于NOS）→N?O積累。

 

恢復特性：停用后30天系統功能完全恢復，歸因于 菌群多樣性緩沖 及 功能冗余。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與部署

 

型號與功能：丹麥Unisense N?O微電極（N2O-NP®），檢測限0.1 μM，每30秒實時監測液相/氣態N?O（方法2.5）。

 

部署場景：

 

SBR周期內N?O通量動態（圖4A）。

 

批次實驗中硝化/反硝化途徑貢獻率量化（圖4B）。

 

關鍵發現與機制解析

 

高分辨率通量監測（圖4A）：

 

電極捕捉到50 mg/L nano-TiO?暴露期N?O通量峰值↑46.6%，且排放持續至好氧期結束。

 

意義：秒級分辨率揭示nano-TiO?暴露下N?O生成與電子傳遞抑制的實時關聯。

 

途徑貢獻解析（圖4B）：

 

電極數據顯示：異養反硝化對N?O貢獻率↑30.8%（50 mg/L），直接驗證 電子競爭失衡 機制。

 

意義：區分硝化（AOB）與反硝化（DNB）途徑貢獻，明確nano-TiO?主要刺激 異養反硝化途徑N?O生成。

 

恢復動態追蹤：

 

恢復期N?O通量逐日下降，30天后回歸基線，印證 代謝活性可逆性。

 

研究意義

 

方法學突破：

 

Unisense電極實現 原位、秒級監測，克服傳統離線分析的滯后性，精準量化瞬態N?O排放峰值（如好氧末期的通量驟升）。

 

機制深度解析：

 

高時間分辨率數據關聯 亞硝酸鹽積累（圖3C）與 N?O生成動態，為“電子競爭理論”提供實證。

 

工程預警價值：

 

實時監測N?O可作為nano-TiO?毒性的 生物標志物，指導廢水廠及時調控應對納米污染事件。

 

理論與應用價值

 

納米風險預警：建議控制進水中nano-TiO?濃度<10 mg/L（環境相關濃度）以避免脫氮效率損失及N?O激增。

 

恢復策略：短期停用納米材料可激活系統自我修復，減少物化處理依賴。

 

電極技術推廣：Unisense微電極適用于復雜污泥體系，為界面反應與電子傳遞研究提供工具支持。

 

總結：本研究通過Unisense電極揭示nano-TiO?干擾微生物電子傳遞鏈的劑量效應，為廢水處理廠應對納米污染提供機制依據與恢復策略，凸顯實時N?O監測在環境風險評估中的關鍵作用。