Insights into spatial effects of ceria nanoparticles on oxygen mass transfer in wastewater biofilms: Interfacial microstructure, in-situ microbial activity and metabolism regulation mechanism  

二氧化鈰納米顆粒對廢水生物膜氧傳質空間效應的深入解析：界面微觀結構、原位微生物活性及代謝調控機制  

來源：Water Research, Volume 176, 2020, Article 115731

《水研究》第176卷，2020年，文章編號115731  

 

摘要

二氧化鈰納米顆粒（CeO? NPs）的廣泛應用導致其大量釋放至污水處理廠。廢水生物膜中的氧傳質（MTO）對生物膜活性和凈化能力至關重要。本研究通過測定氣-液-生物膜三相中氧的空間分布、界面微觀結構和原位微生物活性，揭示了CeO? NPs對廢水生物膜中MTO的影響及機制。暴露于1和10 mg/L CeO? NPs后，氣-液界面的氧傳質系數（KLa）分別增加28.1%和75.3%，氣-液邊界層厚度減小，表明氣-液界面MTO增強。相反，液-生物膜界面MTO受到負面影響，邊界層厚度顯著增加，主要歸因于生物膜表面更光滑和表面積差減小。在生物膜內部，10 mg/L CeO? NPs抑制了微生物活性，但胞外聚合物（EPS）產量顯著提高，導致內部有效擴散系數（DB）下降35.0%，氧滲透深度減少300 μm。糖代謝關鍵酶的相對活性表明，Embden-Meyerhof途徑（EMP）向磷酸戊糖途徑（PPP）轉變，這可能促進了EPS生成，從而增加了液-生物膜界面和生物膜內部的傳質阻力。這些結果拓展了納米顆粒暴露下廢水生物膜中營養物或污染物傳質的知識。  

 

研究目的

探究CeO? NPs對廢水生物膜中氧傳質過程（包括氣-液、液-生物膜界面及生物膜內部）的空間影響，揭示其微觀機制（界面結構、微生物活性和代謝調控），并評估NPs對生物膜功能及污水處理效率的潛在風險。  

 

研究思路

1 暴露實驗：在序批式生物膜反應器（SBBR）中培養異養生物膜，分別暴露于0（對照）、0.1、1和10 mg/L CeO? NPs 24小時。  

2 多尺度測量：  

   ? 使用Unisense微電極測定25個位點的氧濃度剖面，計算氣-液（LG-L）和液-生物膜（LL-B）邊界層厚度、氧滲透深度（LB）及有效擴散系數（DG-L、DL-B、DB）。  

 

   ? 通過環境掃描電鏡（ESEM）和原子力顯微鏡（AFM）分析生物膜表面形貌、粗糙度（Rq）和表面積差（SAD）。  

 

   ? 采用熒光染色（RNA/DNA）、CLSM成像、ATP含量、脫氫酶活性（DHA）評估原位微生物活性和空間分布。  

 

   ? 測定EPS產量及糖代謝關鍵酶（HK、GAPDH、PK用于EMP；GPDH、PGDH用于PPP）活性，揭示代謝途徑轉變。  

 

3 機制整合：結合傳質模型、微觀結構數據和代謝指標，解析CeO? NPs對三相傳質的影響及微生物的適應性調控機制。  

 

測量的數據及研究意義

1 氧傳質參數：邊界層厚度（LG-L、LL-B）、氧滲透深度（LB）、有效擴散系數（DG-L、DL-B、DB）（來自圖1、2）。研究意義：量化CeO? NPs對三相傳質效率的影響，證明氣-液界面傳質增強（LG-L↓、DG-L↑）而液-生物膜界面及內部傳質減弱（LL-B↑、DB↓）。  

 

 

2 再曝氣曲線與KLa：氧濃度隨時間變化（圖3）。研究意義：直接驗證CeO? NPs通過布朗運動和界面湍流提升氣-液傳質速率（KLa增加75.3%）。  

 

3 表面微觀結構：ESEM圖像顯示EPS分泌增多、孔隙減少；AFM圖像顯示表面光滑化、接觸電位差（LCPD）降低（圖4）。研究意義：解釋液-生物膜界面傳質阻力增加的原因（SAD↓導致LL-B↑）。  

 

4 微生物活性：RNA/DNA比率下降（圖5a）、活性菌向表面遷移（圖5b）、ATP和DHA降低。研究意義：證實CeO? NPs抑制深層微生物活性，加劇氧傳質限制。  

 

5 代謝酶活性：EMP途徑酶（HK、GAPDH、PK）活性抑制，PPP途徑酶（GPDH、PGDH）活性增強（圖6b）。研究意義：揭示代謝轉向PPP以生成更多NADPH（抗氧化）和EPS（防御機制），導致傳質阻力增加。  

 

6 EPS產量：EPS含量顯著上升。研究意義：證明EPS增加是內部傳質阻力（DB↓）和界面光滑化的直接原因。  

 

結論

1 CeO? NPs通過布朗運動和界面湍流增強氣-液傳質（KLa↑、LG-L↓），但通過誘導EPS分泌和表面光滑化抑制液-生物膜界面及內部傳質（LL-B↑、DB↓、LB↓）。  

2 微生物響應機制包括：活性抑制（RNA/DNA↓、ATP↓）、代謝途徑從EMP向PPP轉變（產生更多NADPH和EPS），以抵御NPs毒性。  

3 EPS增加是傳質阻力的主要來源，導致氧滲透深度減少300 μm，深層微生物缺氧。  

4 研究首次揭示了三相傳質過程的納米效應，為評估NPs在污水處理中的生態風險提供了理論依據。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極測量的氧濃度剖面數據（圖1）是本研究的核心實驗證據，其研究意義包括：  

1 高分辨率空間解析：通過25個位點的剖面測量（而非傳統3點），準確捕捉了生物膜異質性，避免了隨機誤差，提升了數據可靠性（NRMSE<10%）。  

2 定量傳質參數：基于Fick定律和膜理論，計算了邊界層厚度（LG-L、LL-B）和擴散系數（DG-L、DL-B、DB），直接量化CeO? NPs對三相傳質的差異化影響（如10 mg/L NPs使LG-L減少592 μm但LL-B增加248 μm）。  

3 揭示限制區域：數據顯示生物膜內部擴散系數（DB）比邊界層低1-2數量級（DB≈10?1? m2/s），證明內部傳質是全局限速步驟；NPs暴露后DB進一步下降35%，加劇了內部傳質限制。  

4 驗證模型準確性：剖面數據用于校準PROFILING軟件中的傳質模型，使模擬值與實測值高度吻合（R2>0.99），為機制預測提供了可靠工具。  

5 關聯微生物活性：氧滲透深度（LB）減少300 μm與RNA/DNA比率下降、活性菌向表遷移（圖5b）直接對應，證實NPs導致深層微生物缺氧和活性抑制。  

總之，Unisense數據實現了從宏觀傳質效率到微觀擴散機制的橋梁作用，為揭示CeO? NPs的生態效應提供了原位、精準的實驗證據。