氧化石墨烯对硝化作用和N2O排放的影响:剂量和暴露时间

作者: vch11602707
发布于: 2021-09-17 14:52
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分类: 产品知识

氧化石墨烯(GO)因其优异的压缩性、理想的生物相容性、优越的吸附能力和高导热性而受到广泛关注。预计到2023年,石墨烯市场生产价值将达到约13亿美元。无处不在的商业或工业应用将不可避免地导致这些纳米材料的暴露和释放,并最终在污水处理厂中积累。硝化作用是污水处理厂生物脱氮过程的中心和限速过程,主要是由氨氧化微生物(AOM)、亚硝酸盐氧化细菌(NOB)和完全氨氧化细菌(CAOB)主导进行。污水处理厂进水中的有毒物质会削弱这些硝化细菌的活性,降低脱氮效率,甚至加速氧化亚氮气体(N2O)的生成,从而导致温室效应的加剧和臭氧层的损耗。因此,必须重视对废水处理过程中氧化石墨烯暴露的评估。

 

氧化石墨烯的抗菌活性可通过与细菌培养物的直接接触来提高氧化应激和膜应激。除此之外,低浓度氧化石墨烯暴露还会使细菌功能化蛋白差异表达,最终导致细胞死亡。急性暴露于50~300 mg/L氧化石墨烯浓度中可使氧化石墨烯在活性污泥内部积累,从而通过影响水的浊度和污泥脱水能力来恶化出水质量。另外,0.06g/L的氧化石墨烯可以在4h内快速提高氨氧化细菌(AOB)NOB的生物活性,且对活性污泥微生物功能的影响可忽略不计。综上所述,氧化石墨烯毒性的差异主要取决于暴露时间和氧化石墨烯的剂量。然而,长期接触下的氧化石墨烯对硝化细菌的潜在毒性尚不清楚。考虑到氧化石墨烯与活性污泥极容易结合共存,因此评估活性污泥长期暴露于氧化石墨烯下的风险是至关重要的。本研究采用序批模式运行的密封反应器评估浓度为10100mg/L的氧化石墨烯在4h10天内对硝化过程和N2O生成的影响。此外,通过对硝化污泥活性氧(ROS)、胞外聚合物(EPS)和代谢活性的分析,揭示了氧化石墨烯毒性的潜在作用机制。最后,对总细菌和硝化细菌(AOBNOBCAOB)进行量化,揭示了氧化石墨烯暴露下细菌丰度的变化。

研究表明,在初始4h,两种浓度的氧化石墨烯对氮转化均无负面影响。然而,100 mg/L氧化石墨烯暴露10天后显著削弱了NH4+-N和NO2--N的转化能力,加剧了N2O的生成,对活性污泥产生毒性作用。胞外聚合物(EPS)分析表明,100mg/L氧化石墨烯降低了硝化活性污泥的蛋白质含量。高浓度氧化石墨烯还抑制了过氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)等内源抗氧化酶的活性,提高了活性污泥产生活性氧(ROS)的水平,使微生物受到更高的氧化应激。最后,定量PCR结果证实,氧化石墨烯暴露显著降低了CAOBNOB的丰度,导致NO2--N积累,进一步刺激了N2O的生成。这是高浓度下氧化石墨烯显著促进N2O生成的主要原因。本研究从剂量和暴露时间两方面为氧化石墨烯对硝化作用和N2O生成的影响提供了新的认识,强调了避免氧化石墨烯向污水处理厂释放的重要性。

 

与对照组相比,在第一个循环中,10mg/L氧化石墨烯对NH4+-N和NO2--N转化率没有明显影响。100mg/L GO显著提高了NH4+-N的去除率和NO2--N的降解效率。短期相互作用的加速可能是由于硝化细菌与氨离子通过表面化学和纳米生物界面的更加密切的相互作用造成的。然而,当运行到第30个循环时,与对照组相比,100mg/L GO对硝化作用的促进被抑制,NH4+-N和NO2--N的转化率降低;同时N2O排放因子不断上升,并在第30循环中逐渐攀升至0.46%说明长期暴露于氧化石墨烯下会削弱活性污泥中硝化细菌对氨和亚硝酸盐的氧化能力,并且可以推断在高浓度氧化石墨烯下,亚硝酸盐浓度的增加是刺激N2O积累的关键因素。

在第1次和第30次循环中,在不同氧化石墨烯浓度下测定了EPS的两种主要成分多糖(PS)和蛋白(PN)。在第30个循环中,各组氧化石墨烯浓度均显著提高了EPS含量。然而,PN浓度在100mg/LGO组显著低于对照组。在本研究中,EPS水平的显著增加可能是NH4+-N去除速率增加的主要原因,因为在第30个循环中完成氮转化的时间比第1循环少。此外,100mg/L GO组EPS含量大幅降低可能是NH4+-N去除效率下降的原因。因此,推测氧化石墨烯对EPS含量的抑制可能导致了脱氮效率的下降。

在第1个循环中,三种氧化石墨烯浓度之间产生的ROS水平没有显著差异,说明100 mg/L氧化石墨烯的毒性短期内不会对细菌造成严重的氧化损伤。在第30个循环时,各试验组产生的ROS水平均升高,100 mg/L GO组的ROS水平明显高于对照组,证明细菌接触到100mg/L浓度的GO时会面对更严重的氧化应激风险。
在面临氧化应激时细菌细胞可产生内源性抗氧化酶,如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等,构建酶促抗氧化防御系统清除过量ROS。在第1周期中,SOD和CAT的酶活性维持在较高水平,有助于开始时ROS的降低。在第30个循环,对照组与100mg/L GO组SOD水平差异显著,可以推测是造成ROS水平差异的主要原因。

采用qPCR方法对活性污泥中16SrRNA、CAOB、AOB和NOB的丰度进行定量分析。对照组和10 mg/L GO组在10天的培养过程中,总细菌量增长显著。而100 mg/L GO组在第30个循环时,总生物量显著下降,这可能会削弱活性污泥的硝化能力。此外,生物量减少导致的EPS含量下降是NH4+-N和NO2--N去除性能下降的另一个重要因素。结果表明,GO的存在对AOB没有明显影响,但100mg/L GO组显著抑制了CAOB和NOB的增长。同时也可以推断,高浓度下氧化石墨烯毒性导致的CAOB和NOB丰度下降是使N2O排放被显著促进的根本原因。
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