Chronic effects of cerium dioxide nanoparticles on biological nitrogen removal and nitrous oxide emission: Insight into impact mechanism and performance recovery potential

二氧化鈰納米顆粒對(duì)生物脫氮和一氧化二氮排放的慢性影響：深入了解影響機(jī)制和性能恢復(fù)潛力

來源：Bioresource Technology 351 (2022) 126966

 

一、摘要概述

 

論文研究了二氧化鈰納米顆粒（CeO? NPs）對(duì)生物脫氮（BNR）過程和氧化亞氮（N?O）排放的慢性影響。結(jié)果表明：

 

CeO? NPs（10–50 mg/L）的慢性暴露抑制了BNR性能（氨氮和總氮去除效率下降），并引發(fā)亞硝酸鹽積累和N?O排放增加。

 

N?O還原酶（NOS）活性與N?O排放水平呈負(fù)相關(guān)，機(jī)制涉及CeO? NPs抑制反硝化菌的代謝活動(dòng)（如葡萄糖和氮代謝）。

 

系統(tǒng)在停止NPs暴露后能部分恢復(fù)氨氮去除效率，但N?O排放無法完全恢復(fù)至暴露前水平，可能與污泥中殘留CeO? NPs有關(guān)。

 

研究揭示了CeO? NPs通過干擾電子傳遞和酶活性影響B(tài)NR的機(jī)制，為納米顆粒污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新見解。

 

二、研究目的

 

核心目標(biāo)：探究CeO? NPs慢性暴露對(duì)污水生物脫氮（BNR）過程的影響，包括氮去除效率、N?O排放（一種強(qiáng)效溫室氣體），以及系統(tǒng)的自我恢復(fù)潛力。

 

背景動(dòng)機(jī)：CeO? NPs廣泛應(yīng)用于工業(yè)和消費(fèi)品，易進(jìn)入污水處理廠（WWTPs）。其氧化還原特性（Ce??/Ce3?轉(zhuǎn)換）可能干擾微生物代謝，但慢性暴露對(duì)BNR和N?O排放的綜合影響尚未明確。研究旨在填補(bǔ)這一空白，評(píng)估NPs污染對(duì)污水處理可持續(xù)性的威脅。

 

三、研究思路

 

研究采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模序批式反應(yīng)器（SBR），模擬污水處理過程：

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

接種活性污泥，在穩(wěn)定BNR性能后，分階段添加CeO? NPs（0、1、10、25、50 mg/L），暴露周期151天（Fig. 1）。

 

 

停止NPs添加后，監(jiān)測(cè)60天恢復(fù)期（至第210天），評(píng)估系統(tǒng)恢復(fù)潛力。

 

關(guān)鍵方法：

 

性能監(jiān)測(cè)：定期測(cè)量NH??-N、TN、NO??-N去除效率及N?O排放（使用丹麥Unisense N?O微傳感器）。

 

機(jī)制探究：分析酶活性（AMO、NXR、NAR、NIR、NOR、NOS）、基因豐度（amoA、nxrA、narG等）、微生物群落（16S rRNA測(cè)序）、電子傳遞系統(tǒng)（ETS）活性和NADH含量。

 

N?O來源區(qū)分：通過批實(shí)驗(yàn)（添加抑制劑）量化異養(yǎng)反硝化（HD）和硝化驅(qū)動(dòng)（ND）過程對(duì)N?O的貢獻(xiàn)。

 

數(shù)據(jù)分析：結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)（ANOVA）和冗余分析（RDA），揭示NPs影響的關(guān)鍵路徑。

 

四、測(cè)量的數(shù)據(jù)及其研究意義

 

研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，以下按數(shù)據(jù)類型分類，注明來源圖/表，并解釋其研究意義：

1. 氮去除性能與N?O排放

 

數(shù)據(jù)來源：Fig. 1（氮轉(zhuǎn)化性能動(dòng)態(tài)）和 Table 1（關(guān)鍵參數(shù)匯總）。

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

 

NH??-N去除效率：50 mg/L暴露時(shí)下降至85.7%（vs. 暴露前99.8%）。

 

TN去除效率：50 mg/L暴露時(shí)降至73.1%（vs. 暴露前80.5%）。

 

N?O排放量：50 mg/L暴露時(shí)增至3.41 mg（vs. 暴露前2.55 mg）。

 

亞硝酸鹽積累：暴露期NO??-N濃度升至0.4–1.4 mg/L（暴露前未檢出）。

 

研究意義：

 

證明CeO? NPs劑量依賴性地抑制BNR（高濃度時(shí)顯著降低脫氮效率），并導(dǎo)致溫室氣體N?O排放增加。

 

亞硝酸鹽積累（Fig. 1）提示NPs選擇性抑制反硝化酶（NIR）而非硝化酶（NXR），為機(jī)制解析提供線索。

 

2. N?O排放來源貢獻(xiàn)

 

數(shù)據(jù)來源：Fig. 2B（ND與HD過程對(duì)N?O生成的貢獻(xiàn)）。

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

 

暴露前：HD過程貢獻(xiàn)35.1%，ND過程貢獻(xiàn)64.8%。

 

50 mg/L暴露：HD貢獻(xiàn)增加37.6%，成為主要N?O來源。

 

研究意義：

 

揭示CeO? NPs通過促進(jìn)異養(yǎng)反硝化（HD）而非硝化驅(qū)動(dòng)（ND）過程增加N?O排放，這與微生物代謝抑制相關(guān)（后續(xù)機(jī)制數(shù)據(jù)支持）。

 

3. 酶活性與基因豐度

 

數(shù)據(jù)來源：Fig. 3（葡萄糖/氮代謝酶活性及基因豐度）。

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

 

氮代謝酶：50 mg/L暴露時(shí)，NOS活性下降72.2%，NIR活性下降23.1%。

 

葡萄糖代謝酶：GAPDH、PFK等活性下降24.0–36.1%。

 

基因豐度：nosZ（編碼NOS）豐度下降76.5%。

 

研究意義：

 

NOS活性與N?O排放負(fù)相關(guān)（結(jié)論核心），證實(shí)NPs抑制反硝化末端還原酶是關(guān)鍵排放機(jī)制。

 

葡萄糖代謝酶抑制導(dǎo)致NADH（電子供體）減少（Supplementary Material），解釋電子傳遞受損如何影響氮代謝。

 

4. 微生物群落結(jié)構(gòu)

 

數(shù)據(jù)來源：Fig. 4（微生物群落組成與RDA分析）。

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

 

反硝化菌屬豐度：Flavobacterium（關(guān)鍵N?O還原菌）在50 mg/L暴露時(shí)豐度下降4倍。

 

RDA分析：N?O排放與Flavobacterium豐度呈顯著負(fù)相關(guān)（Fig. 4D）。

 

研究意義：

 

群落變化（如Proteobacteria減少）直接關(guān)聯(lián)nosZ基因抑制，從微生物生態(tài)角度解釋N?O排放增加的原因。

 

5. CeO? NPs歸趨與殘留

 

數(shù)據(jù)來源：Fig. 5A（反應(yīng)器與出水中Ce濃度）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

 

污泥中Ce積累：50 mg/L暴露時(shí)達(dá)1656 mg/L。

 

恢復(fù)期殘留：第210天殘留137.6 mg/L。

 

研究意義：

 

殘留NPs（Fig. 5A）解釋恢復(fù)期N?O排放無法完全恢復(fù)的機(jī)制（持續(xù)抑制酶活性）。

 

 

6. 電子傳遞與代謝活動(dòng)

 

數(shù)據(jù)來源：Supplementary Material（NADH含量與ETS活性），關(guān)聯(lián)Fig. 3A。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

 

ETS活性：50 mg/L暴露時(shí)下降28.9%。

 

NADH含量：下降35.4%。

 

研究意義：

 

證明NPs通過抑制電子生成（NADH）和傳遞（ETS），削弱反硝化菌代謝能力，是NOS活性下降的根本原因。

 

五、結(jié)論

 

主要發(fā)現(xiàn)：

 

CeO? NPs（≥10 mg/L）慢性暴露顯著抑制BNR性能（NH??-N和TN去除效率下降），并增加N?O排放（Fig. 2A）。

 

機(jī)制核心：NPs抑制NOS活性（Fig. 3B）和反硝化菌（如Flavobacterium）代謝，通過干擾電子傳遞（ETS活性下降）和酶功能。

 

系統(tǒng)恢復(fù)：氨氮去除可完全恢復(fù)（第210天效率99.8%），但N?O排放和TN去除無法恢復(fù)（殘留NPs持續(xù)抑制，F(xiàn)ig. 5A）。

 

技術(shù)貢獻(xiàn)：

 

首次量化CeO? NPs對(duì)BNR過程中N?O排放的慢性影響，為污水處理廠納米顆粒風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)。

 

揭示殘留NPs的長(zhǎng)期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)調(diào)污泥處置中NPs去除的必要性。

 

六、丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 測(cè)量方法與數(shù)據(jù)作用

 

技術(shù)原理：使用丹麥Unisense N?O微傳感器（方法2.7節(jié)），直接測(cè)量SBR反應(yīng)器中溶解態(tài)N?O濃度。傳感器基于電化學(xué)檢測(cè)，具有高靈敏度（檢測(cè)限低）、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，適用于復(fù)雜水環(huán)境。

 

數(shù)據(jù)生成：

 

連續(xù)監(jiān)測(cè)SBR循環(huán)中的N?O濃度動(dòng)態(tài)（Fig. 2A），量化暴露期與恢復(fù)期的排放通量。

 

在批實(shí)驗(yàn)中（方法2.5節(jié)），結(jié)合抑制劑（烯丙基硫脲、氯酸鹽）區(qū)分HD與ND過程對(duì)N?O的貢獻(xiàn)（Fig. 2B）。

 

2. 關(guān)鍵測(cè)量結(jié)果

 

N?O排放動(dòng)態(tài)（Fig. 2A）：

 

暴露期：50 mg/L CeO? NPs使N?O排放峰值增加33.7%（vs. 暴露前），排放通量隨NPs濃度升高而上升。

 

恢復(fù)期：第210天排放仍高于暴露前10.6%，證明殘留NPs的持續(xù)影響。

 

N?O來源貢獻(xiàn)（Fig. 2B）：

 

50 mg/L暴露時(shí)，HD過程貢獻(xiàn)增加至72.7%（vs. 暴露前35.1%），表明NPs主要促進(jìn)異養(yǎng)反硝化途徑的N?O生成。

 

3. 研究意義

 

精準(zhǔn)量化環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：

 

Unisense電極提供高精度N?O濃度數(shù)據(jù)，使研究成為首個(gè)量化CeO? NPs對(duì)污水處理N?O排放慢性影響的工作。N?O是強(qiáng)效溫室氣體（溫室效應(yīng)為CO?的300倍），數(shù)據(jù)直接支撐環(huán)境政策（如IPCC排放因子修訂）。

 

機(jī)制解析的關(guān)鍵工具：

 

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（Fig. 2A）揭示N?O排放與亞硝酸鹽積累的正相關(guān)性（p < 0.01），驗(yàn)證NPs通過NO??積累間接增加排放的假說。

 

來源區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)（Fig. 2B）結(jié)合酶活性（Fig. 3B）證明：HD過程主導(dǎo)N?O增加是由于NOS抑制（而非NOR激活），為靶向減排策略（如優(yōu)化反硝化菌群落）提供依據(jù)。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與推廣價(jià)值：

 

相較于氣相色譜等離線方法，Unisense電極允許原位、連續(xù)監(jiān)測(cè)，減少采樣誤差，特別適合動(dòng)態(tài)生物過程研究。

 

數(shù)據(jù)可靠性高（誤差<5%），為后續(xù)納米材料生態(tài)毒理研究（如其他金屬氧化物NPs）設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)方法。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)是研究的環(huán)境影響核心指標(biāo)，不僅量化了CeO? NPs的溫室氣體貢獻(xiàn)，還通過機(jī)制關(guān)聯(lián)（酶活性、微生物群落）為污水處理廠減污降碳提供了科學(xué)依據(jù)。