纳米颗粒对厌氧氨氧化污泥毒性效应与作用机制研究进展

王殿惠

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)

纳米材料是指三维空间中至少有一维处在100 nm以下的人造材料，具有独特的物理化学性质，如小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，被广泛应用于生产和生活的各个领域。AgNPs因高导电性和热导性、化学稳定性和非线性光学行为，在墨水、微电子和医学成像领域具有重要价值[1]。具有光学、催化和半导体特性的ZnONPs和CuONPs，在催化、油漆、涂料和传感器中也有广泛的应用[2]；CuNPs由于其优异的光学和电子性能，被广泛应用于橡胶、发电站、燃料电池等领域[3]。TiO2NPs因其光学、催化和抗菌性能，广泛应用于催化剂、化妆品、油漆和塑料中[4]。磁铁矿NPs(MHNPs)和磁铁矿NPs(MNNPs)是去除重金属最有前景的材料[5]。

然而纳米材料的大量使用会对环境造成潜在的危害，特别是进入污水处理厂中。城市污水中的NPs水平在μg/L至mg/L范围内，NPs可能积聚在污泥中，然后部分释放到污泥消化池中[6]。因此，越来越多的研究人员关注NPs对污水处理厂生物处理中的功能微生物的不利影响。由于独特的物理化学性质，功能性细菌和NPs之间的相互作用可能是复杂的，包括相关的，目前仍未完全了解。

1 纳米颗粒的作用机制

纳米颗粒在葡萄糖发酵、产甲烷、氨氧化、亚硝酸盐氧化、反硝化和除磷过程中对功能微生物有不同的作用。NPs对微生物的影响包括底物利用、酶活性、膜完整性、氧化应激、毒性离子释放、转录调控和群落结构。

NPs对人体动物以及微生物的潜在影响也引起了广泛关注。有研究发现，NiONPs可以诱导细胞毒性，并激活参与人类炎症的细胞。NPs可以通过在大鼠的肺中直接释放细胞内的趋化因子来募集嗜酸性粒细胞[8]。ZnONPs对污泥厌氧消化的水解和甲烷化步骤产生抑制作用；荧光原位杂交研究表明，较高浓度的ZnO纳米粒降低了蛋白酶和辅酶的活性，降低了产甲烷菌的丰度[9]。添加10和50 mg/L ZnONPs会使总氮去除率明显下降，相应的出水磷浓度增加，表明较高浓度的ZnONPs会导致正常除磷损失[10]。

Yu等[11]研究N.europaea暴露于3种常用的NPs(TiO2、CeO2和ZnO)及其二组分混合物6 h后的反应，表明CeO2与TiO2联合作用对细胞产生拮抗毒性，而CeO2和ZnO的共存诱导了协同的细胞毒性。Choi等[12]研究发现AgNPs与TiO2NPs共存会对硝化耗氧速率的胁迫产生协同效应，但与ZnONPs共存时则会产生拮抗效应。这些发现表明，不同类型的NPs的共存可能对微生物产生协同或拮抗效应。这可能是由于不同种类的NPs在水中易相互吸附或结合，并改变各自的物理化学性质，从而导致其对活性污泥系统产生联合胁迫效应。目前关于不同种类NPs对活性污泥系统的联合胁迫影响研究较少。

2 纳米颗粒对厌氧氨氧化细菌的毒性效应

NPs在Anammox系统内存在5种行为：①溶解，NPs外部的金属及金属氧化物会与OH-发生反应，利于NPs溶解；②胞外吸附，Anammox细菌分泌的EPS含有大量的官能团，如氨基、羧基，提供了结合位点，释放出的金属离子也会由于静电引力吸附在EPS；③腐蚀，EPS与细胞膜分离后，NPs发生氧化还原反应直接作用于细胞膜或金属离子间接破坏膜成分；④跨膜传递，当金属离子过量时，会被非特异性金属转运系统的膜金属蛋白转运到细胞内；⑤胞内积累，NPs与金属离子进入细胞内会破坏蛋白质结构和功能，抑制关键酶活性，降低厌氧氨氧化细菌的代谢。

2.1 溶出金属离子

NPs自身释放的金属离子会对细胞造成毒害。低浓度下，NPs的抑制与释放的金属离子有关，在细胞外如铜离子过多的异常条件下膜金属蛋白会通过细胞质膜转运离子，这些膜金属蛋白在正常情况下会转运非抑制性金属如钙、镁，铜离子的内化就会引起关键酶的代谢紊乱，导致中间产物积累，Anammox细菌活性受到抑制，EPS产量减少。

Xu等[14]运用UASB反应器进行了连续流实验，研究了NiONPs胁迫下系统脱氮性能，结果表明NiONPs(<10 mg/L)利于AnammoxUASB反应器系统运行，这是由于低浓度的Ni2+是微生物必须的一种营养元素。10～60 mg/L NiONPs对Anammox颗粒有抑制作用。随着NiONPs的增加，CandidatusKuenenia仍为优势菌种，其丰度变化与脱氮性能相似。与NiONPs相比，Ni2+水平与Candidatus Kuenenia的丰度呈较高的负相关。Zhang等[15]发现CuONPs、ZnONPs和AgNPs达到50 mg/g悬浮固体(SS)不影响Anammox活性。CuONPs的无毒可能与CuONPs的溶解能力较低有关，而CuNPs的毒性则部分归因于其较高的溶解能力。Zheng[16]研究了AgNPs对厌氧氨氧化细菌长期暴露的影响，结果显示浓度低于50 mg/L的AgNPs颗粒对脱氮性能和相对丰度没有不利影响，低浓度的AgNPs甚至会增加细菌群落的多样性和相对丰度。AgNPs的毒性机制完全归因于其释放的有毒Ag+，Ag+通过与蛋白质的巯基结合来破坏蛋白质功能，并通过损害膜的通透性来诱导细胞溶解和死亡。通过批量实验，计算得出Ag+水平导致对Anammox活性抑制50%为11.52±0.49 mg/L[17]，因此实验进水中0.22±0.04 mg/L的Ag+不会抑制Anammox颗粒的活性或影响细胞膜的完整性。

2.2 细胞膜损伤

NPs具有较大的比表面积，能够充分地与细胞膜接触反应，损伤细胞膜，但NPs与膜反应较复杂，可能改变脂肪酸成分或者通过物理方法增加膜的通透性，或者通过氧化还原破坏膜等。

细胞外乳酸脱氢酶水平被描述为膜完整性的指标[18]，乳酸脱氢酶水平越高，细胞受损越严重。在NPs超过EPS结合能力后，更多的NPs到达细胞膜表面甚至会进入细胞内。

Zhang等[15]认为NPs诱导的细胞膜损伤是NPs毒性的重要原因。在CuONPs、ZnONPs和AgNPs下，没有观察到细胞外乳酸脱氢酶(LDH)的显著增加。然而，在12.5 mg/gSS CuNPs下检测到乳酸脱氢酶显著增加，在更高的负荷下，这一现象极其显著。Zhang等[19]发现暴露于5 mg/g悬浮固体(SS)的CuNPs使Anammox活性降低至47.1%±8.5%，并刺激细胞外LDH的释放，LDH水平升高至110.5%±3.4%。细胞外N2H4浓度增加16倍，但未引起明显的ROS积累。

2.3 氧化应激

NPs诱导氧化损伤自身产生ROS，对细胞内脂质、蛋白质有毒，降低亚硝酸盐还原酶的活性，抑制胞外多糖的产生。此外，光的存在是纳米颗粒产生ROS的先决条件，有研究表明无光无氧的厌氧氨氧化系统不会产生ROS。

Zhang等[20]认为光照是MONPs诱导产生活性氧的先决条件，氧的参与也是产生ROS的另一个必要因素。对于厌氧和黑暗厌氧氨氧化系统，MONPs可能不会对厌氧氨氧化细胞造成氧化损伤。Zhao等[21]在实验中观察到细胞内ROS的产生随着ZnONPs浓度的升高而显著增加，降低Anammox细菌的生存力。ROS生成的增加可归因于ZnONPs和释放的Zn2+。由于ZnONPs的电子性质，ROS也可以在纳米粒子表面产生[22]。此外，释放的Zn2+也可以被带负电的细菌细胞壁吸收，从而导致ROS的产生[23]。

2.4 活性抑制

进入细胞内的NPs引起细胞的氧化应激行为导致蛋白质转录翻译受阻。此外，进入细胞的NPs会与蛋白质、DNA相互作用。

Zhang等[20]也发现暴露于MONPs后，参与厌氧氨氧化代谢的3种关键酶的活性受到不同程度的影响。总的来说，Al2O3NPs或TiO2NPs的存在具有积极作用，而SiO2NPs具有消极作用。此外，CeO2NPs对NXR和HDH的活性产生了消极影响。尽管如此，厌氧氨氧化是一种偶联反应，对酶活性的轻微差异影响可能不会明显干扰厌氧氨氧化的性能。

3 结语与展望

为评估纳米颗粒对污水处理微生物的潜在危害，目前针对厌氧氨氧化系统内不同NPs对厌氧氨氧化污泥的毒性机制研究逐渐丰富。然而，纳米颗粒对整体微生物群落结构和功能及长期影响方面的实验仍然较少。此外，由于环境中纳米材料种类众多，不同类型纳米颗粒物对微生物的毒性有较大区别。即使同种纳米颗粒也会因粒径、pH等外界因素变化，导致其性质和颗粒稳定性存在差别。因此，此后的研究应更加关注纳米颗粒对厌氧氨氧化菌的长期影响，以及多种纳米颗粒对厌氧氨氧化菌的复合胁迫作用。