Insights into chronic zinc oxide nanoparticle stress responses of biological nitrogen removal system with nitrous oxide emission and its recovery potential

一氧化二氮排放生物脫氮系統慢性氧化鋅納米顆粒脅迫反應及其回收潛力研究

來源：Bioresource Technology 327 (2021) 124797

 

一、摘要概述

 

本研究通過380天序批式反應器（SBR）實驗，探究了氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）慢性脅迫（1 mg/L和10 mg/L）對生物脫氮（BNR）系統性能、N?O排放及系統自恢復潛力的影響。結果表明：

 

劑量依賴性抑制：10 mg/L ZnO NPs顯著抑制氨氮（NH??-N）和總氮（TN）去除效率（分別降至7.7%和156.2%對照組水平），并降低N?O排放通量62.4%（圖1D，表1）。

 

 

 

N?O減排機制：ZnO NPs通過抑制異養反硝化（HD）途徑（貢獻率從36.1%降至12.5%）和降低關鍵酶活性比（NIR/NOS、NOR/NOS）減少N?O生成（圖2，表2）。

 

 

 

 

恢復期異常：停止ZnO NPs暴露后，脫氮效率恢復至對照組水平（NH??-N: 98.7%, TN: 81.7%），但N?O排放因子升至13.1%（對照組5.3%），主要因亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性不可逆抑制導致亞硝酸鹽（NO??）積累（圖1B）。

 

二、研究目的

 

評估慢性ZnO NPs脅迫對BNR系統的影響：量化其對脫氮效率、N?O排放及微生物功能的劑量效應。

 

揭示N?O排放機制：解析ZnO NPs如何通過干擾電子傳遞鏈（ETC）和葡萄糖代謝影響N?O生成與消耗。

 

探索系統恢復潛力：驗證停止ZnO NPs暴露后BNR功能的自恢復能力及遺留問題。

 

三、研究思路

1. 實驗設計

 

SBR運行：采用8小時周期（缺氧/好氧階段），處理實際市政污水（圖未提供，見2.2節）。

 

暴露階段：分三階段添加ZnO NPs（0→1→10 mg/L，共120天）。

 

恢復階段：停止添加ZnO NPs（60天）。

 

監測指標：NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN去除率；N?O排放通量；溶解性Zn2?濃度（圖6）。

 

 

2. 機制解析方法

 

酶活性與基因豐度：檢測AMO、NXR等6種BNR相關酶活性及amoA、nxrA等基因豐度（圖3）。

 

 

代謝途徑分析：測定葡萄糖代謝關鍵酶（GK、PFK等）活性和電子傳遞鏈（ETC）功能（圖4）。

 

 

微生物群落：高通量測序分析菌群結構變化（圖5）。

 

 

N?O路徑貢獻：批次實驗區分異養反硝化（HD）與硝化驅動（ND+NN）的N?O生成比例（圖2B）。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 脫氮性能與N?O排放（圖1, 表1）

 

數據：

 

10 mg/L ZnO NPs使TN去除率降至42.3%（對照組79.5%），N?O排放因子降至2.3%（對照組5.3%）。

 

恢復期TN去除率恢復至81.7%，但N?O排放因子升至13.1%。

 

意義：揭示ZnO NPs對脫氮功能的可逆抑制及對N?O排放的長期負面影響，為污水處理廠應對納米顆粒污染提供預警。

 

來源：圖1（氮轉化動態）、表1（N?O排放數據）。

 

2. 酶活性與基因表達（圖3）

數據：

 

10 mg/L ZnO NPs抑制NXR活性98.3%、nosZ基因豐度97.2%。

 

恢復期nxrA基因豐度未恢復（仍低于對照組97.6%）。

 

意義：證實NOB（如Nitrospira）活性不可逆損傷是恢復期NO??積累和N?O升高的主因。

 

來源：圖3B（酶活性）、圖3C（基因豐度）。

 

3. 代謝與電子傳遞抑制（圖4）

 

數據：

 

10 mg/L ZnO NPs抑制葡萄糖代謝酶（GAPDH: 84.6%；SDH: 72.8%）和ETC活性（74.0%）。

 

NADH濃度降低65.7%，導致電子供體不足。

 

意義：闡明ZnO NPs通過破壞微生物能量代謝和電子傳遞，抑制反硝化及N?O還原（NOS活性）。

 

來源：圖4B（酶活性變化）。

 

4. 微生物群落演變（圖5）

 

數據：

 

10 mg/L ZnO NPs使反硝化菌（如Thauera）豐度降至0%，Shannon指數從4.8降至2.6。

 

恢復期菌群多樣性部分恢復，但NOB未檢出。

 

意義：微生物功能冗余支撐脫氮功能恢復，但NOB功能喪失導致"亞硝酸鹽短路"（nitrite-shunt）路徑主導。

 

來源：圖5A（門水平群落）、圖5B（屬水平關鍵菌群）。

 

五、結論

 

慢性抑制機制：ZnO NPs通過抑制葡萄糖代謝關鍵酶（如GAPDH）和ETC功能，減少電子供體（NADH），降低反硝化活性和NOS介導的N?O還原。

 

恢復期矛盾：脫氮效率可恢復，但因NOB（Nitrospira）活性不可逆喪失，NO??積累導致HD途徑N?O排放激增。

 

工程啟示：需關注ZnO NPs污染后恢復期的N?O排放風險，開發NOB活性修復策略。

 

六、丹麥Unisense電極數據的深度解讀

1. 技術原理與應用

 

測量指標：Unisense N?O微電極（型號N?O-NP®）實時監測氣相N?O濃度（2.7節）。

 

數據特點：高精度捕捉SBR好氧階段的N?O排放動態（秒級分辨率），區分周期內排放峰值（圖1D）。

 

2. 關鍵發現與意義

 

N?O排放規律：

 

好氧期N?O通量呈單峰曲線（圖1D），印證硝化驅動（ND+NN）為主要排放途徑（貢獻63.9%）。

 

恢復期峰值通量達6.40 mg（對照組2.55 mg），直接量化"亞硝酸鹽積累→HD途徑N?O激增"現象。

 

機制驗證：

 

結合批次實驗（圖2B），明確恢復期N?O升高源于HD途徑貢獻升至80.9%（對照組36.1%）。

 

關聯酶活性數據（NOS抑制69.7%），證實電子供體不足削弱N?O還原能力。

 

環境意義：

 

首次量化ZnO NPs脅迫后恢復期的N?O排放因子（13.1%），為污水處理廠碳足跡評估提供關鍵參數。

 

揭示"脫氮效率恢復≠排放風險消除"的悖論，警示納米顆粒污染后需長期監測N?O。

 

3. 行業價值

 

精準監測：Unisense電極的高頻數據優于傳統GC分析，適用于瞬態N?O排放研究（如SBR周期變化）。

 

工藝優化：實時N?O數據可反饋調節曝氣策略（如好氧期DO控制），抑制ND途徑N?O生成。

 

政策支撐：為IPCC污水處理溫室氣體清單提供本土化排放因子（如恢復期超高N?O數據）。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極等多維數據，揭示ZnO NPs慢性脅迫通過抑制電子傳遞與代謝酶活性降低脫氮效率與N?O排放，而恢復期因NOB功能喪失引發"亞硝酸鹽短路"，導致HD途徑N?O排放激增。未來需開發NOB活性修復技術（如生物強化）以平衡脫氮效率與減排目標。