納米材料由于其獨(dú)特的性質(zhì)已被廣泛使用，其應(yīng)用過程中的副產(chǎn)品之一就是納米顆粒，納米顆粒粒徑通常在40～100nm之間，其中40～60nm的納米顆粒占比達(dá)到了46.1%。在制造、運(yùn)輸和應(yīng)用的過程中，納米顆粒（Nanoparticles，NPs）不可避免地會(huì)被釋放到環(huán)境中，最終在污水中被無害化處理。

現(xiàn)階段，在許多污水中都能檢測到納米顆粒的存在，例如在紡織廢水中，納米氧化鋅累積濃度可達(dá)到150μg/L。而市政污水中納米銀的濃度范圍主要在0.1～0.2μg/L之間，同時(shí)在市政污水中檢測到納米二氧化鈦的濃度為181～1233μg/L，這是由于納米二氧化鈦在醫(yī)藥、表面涂料和化妝品中被廣泛使用。盡管目前污水中部分納米顆粒的濃度還未達(dá)到較高水平，但是隨著納米科技的快速發(fā)展，含納米材料的消費(fèi)品將呈顯著上升趨勢(shì)，納米顆粒在環(huán)境中的濃度將不斷增加，其對(duì)污水處理的潛在影響不能被忽視。

厭氧氨氧化（AnaerobicAmmoniumOxidation，Anammox）作為一種新型的自養(yǎng)脫氮工藝，被認(rèn)為是最高效、最具經(jīng)濟(jì)效益的污水脫氮技術(shù)之一。然而，厭氧氨氧化菌很容易受到進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)的影響，污水中的納米顆粒會(huì)對(duì)其產(chǎn)生正面或負(fù)面的影響。

到目前為止，許多試驗(yàn)研究結(jié)果表明納米材料對(duì)細(xì)菌、藻類和哺乳動(dòng)物都具有一定的毒性，但是不同類型的納米材料之間的毒性效果并不一致。為此，筆者從厭氧氨氧化工藝的角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有研究文獻(xiàn)，從長期和短期影響、毒性機(jī)理、微生物的抗毒機(jī)制等角度綜述納米顆粒對(duì)厭氧氨氧化過程的影響，同時(shí)還提出今后的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

1、納米材料對(duì)厭氧氨氧化菌活性的影響

根據(jù)最近的納米技術(shù)與材料消費(fèi)品目錄，金屬和金屬氧化物納米材料是使用最廣泛的兩種納米材料，占全球納米產(chǎn)品總量的37%。不同納米材料的理化性質(zhì)隨著尺寸、形狀、化學(xué)成分和表面結(jié)構(gòu)而變化，因此，上述這些材料對(duì)厭氧氨氧化菌所造成的影響也不盡相同。

納米材料的一些常見特點(diǎn)（如表面、形態(tài)、材質(zhì)、特性等）見圖1。

1.1 金屬納米材料

在厭氧氨氧化系統(tǒng)中，Cu、Fe和Ag是研究最廣泛的三種金屬納米材料，GonzalezEstrella等研究表明，0.50mmol/L的納米銅顆粒（CuNPs）使厭氧氨氧化菌的活性降低了82.9%。Zhang等的試驗(yàn)得到了類似結(jié)果，CuNPs在短期試驗(yàn)（4h）中顯著抑制了厭氧氨氧化活性，而長期暴露于5mg/L的CuNPs使得反應(yīng)器在30d內(nèi)幾乎失去了所有的脫氮能力。零價(jià)納米鐵（nZVI）與CuNPs不同，nZVI對(duì)厭氧氨氧化菌的生長具有促進(jìn)作用，在暴露于低濃度nZVI（濃度<5mg/L）條件下，厭氧氨氧化菌活性（SAA）顯著提高，因此nZVI可以加速厭氧氨氧化系統(tǒng)的啟動(dòng)。然而短期高濃度nZVI釋放的可溶性亞鐵離子可能對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生危害，但是損害是可恢復(fù)的。納米銀顆粒（AgNPs）由于其具有抗菌能力對(duì)微生物具有較大的毒性。Li等在AgNPs對(duì)厭氧氨氧化的影響研究中得出，短期低濃度（1mg/L）的AgNPs暴露對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)沒有明顯的抑制作用，提高AgNPs濃度（10mg/L）后厭氧氨氧化菌受到抑制，并且隨著暴露時(shí)間的延長系統(tǒng)脫氮能力并沒有得到恢復(fù)。

1.2 金屬氧化物納米材料

金屬氧化物納米材料的毒性不同于金屬納米材料。例如，Zhang等對(duì)比了納米氧化銅（CuONPs）和CuNPs對(duì)厭氧氨氧化的短期和長期影響。結(jié)果表明，CuONPs對(duì)厭氧氨氧化菌長期和短期活性的抑制作用均大于CuNPs，長期暴露于CuONPs中總氮去除效率最低降至14%，脫氮能力顯著下降。

其他金屬氧化物納米顆粒對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)的影響也不盡相同。研究發(fā)現(xiàn)，ZnONPs短期內(nèi)對(duì)厭氧氨氧化過程具有抑制作用，然而ZnONPs的長期抑制作用是可逆的，并且通過增加氨氮濃度，可以緩解ZnONPs對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)的抑制作用。Xu等在NiONPs作為抑制劑的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在添加的NiONPs濃度為2～10mg/L時(shí)，總氮去除效率小幅提升。反應(yīng)器性能的提升可能與NiONPs釋放Ni2+有關(guān)，因?yàn)榈退�平�?/span>Ni2+是厭氧氨氧化菌的一種必需的微量營養(yǎng)元素，而高濃度的NiONPs顯著抑制了厭氧氨氧化菌活性。此外，還有多種金屬氧化物納米顆粒會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌群落結(jié)構(gòu)和污泥性質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，如SiO2、CeO2、Al2O3、TiO2等，它們對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制順序?yàn)椋?/span>SiO2>CeO2>Al2O3>TiO2。這可能是由于它們獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)決定了它們釋放金屬離子的能力以及與微生物的相互作用。

2、納米材料對(duì)厭氧氨氧化菌影響的作用機(jī)理

納米材料的生物毒性一般與細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的破壞有關(guān)。納米材料對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)影響的作用機(jī)理主要分為金屬離子的釋放以及納米效應(yīng)兩大類，在厭氧氨氧化菌接觸到有毒納米顆粒之前，其細(xì)胞外層的胞外聚合物（EPS）會(huì)先吸附納米顆粒及其釋放出的金屬離子，在納米顆粒與細(xì)胞膜接觸后，通過細(xì)胞中的金屬蛋白酶（一種轉(zhuǎn)運(yùn)酶）發(fā)生跨膜運(yùn)輸，在細(xì)胞體內(nèi)累積并產(chǎn)生毒性，其影響在厭氧氨氧化菌中則表現(xiàn)為細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞、毒性中間產(chǎn)物的積累和代謝破壞，如圖2所示。事實(shí)上，某些納米顆粒對(duì)微生物的毒性可能涉及上述一種或多種途徑。

2.1 金屬離子的釋放

許多研究表明，納米顆粒在缺氧或無氧條件下的抗菌機(jī)理歸因于有毒金屬離子的釋放。從納米顆粒中釋放出來的金屬離子比納米顆粒更容易滲透到細(xì)胞內(nèi)部，從而產(chǎn)生毒性。溶解的金屬離子會(huì)大量附著在細(xì)胞表面，然后滲透到細(xì)胞中，導(dǎo)致金屬離子在細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中的積累。影響金屬離子釋放量的因素包括納米材料類型、溶解氧、pH值等。

釋放的金屬離子對(duì)厭氧氨氧化菌的不利影響之一是導(dǎo)致關(guān)鍵酶失活。例如，90%以上溶解的Cu2+離子存在于污泥中，而不是液相或出水中。CuNPs釋放的可溶性Cu2+離子可破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞溶解，并由于銅與其他蛋白質(zhì)功能組的親和力而導(dǎo)致酶功能的破壞，從而擾亂厭氧氨氧化菌的代謝。類似情況如ZnONPs對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制也是由于其在液相中的溶解釋放了有毒的Zn2+離子。據(jù)測算，1.0、5.0和10mg/L的ZnONPs溶解所產(chǎn)生的Zn2+離子濃度分別為0.5、2.7和4.1mg/L。又例如，NiONPs對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)的促進(jìn)作用是由于其釋放出的Ni2+為微生物生長所必需的營養(yǎng)元素。有研究表明，60mg/L的NiONPs釋放的Ni2+濃度為（13.53±4.29）mg/L。同樣對(duì)厭氧氨氧化菌具有促進(jìn)作用的還有nZVI溶解反應(yīng)產(chǎn)生的溶解態(tài)Fe2+，這主要是因?yàn)殍F是許多含血紅素酶的關(guān)鍵成分，這些酶在厭氧氨氧化菌分解代謝中有著重要的作用。

值得注意的是，厭氧氨氧化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致堿度增加，以及由于配體交換或靜電吸引作用，大量的納米顆粒在細(xì)胞表面聚集或沉淀，然后與EPS、SMP甚至細(xì)胞膜功能基團(tuán)相互作用，這些過程均可以加速納米顆粒中金屬離子的釋放。

2.2 活性氧簇及乳酸脫氫酶的抑制作用

活性氧簇（ReactiveOxygenSpecies，ROS）又稱活性氧自由基。在關(guān)于納米顆粒毒性的研究中，ROS被認(rèn)為是產(chǎn)生微生物毒性和細(xì)胞損傷的主要原因之一。由于光照是ROS產(chǎn)生的前提條件，因此在厭氧氨氧化的避光環(huán)境中，即使水體中存在納米顆粒，也不會(huì)產(chǎn)生光催化活性氧。然而微生物的生命活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生胞內(nèi)活性氧，同時(shí)有研究證實(shí)納米顆粒的存在會(huì)誘導(dǎo)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和累積，高水平的ROS含量會(huì)對(duì)脂質(zhì)和細(xì)胞膜造成氧化損傷，誘導(dǎo)一系列細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)，進(jìn)而影響微生物的正常代謝。Hou等在CuONPs對(duì)厭氧氨氧化的影響研究中發(fā)現(xiàn)，納米顆粒會(huì)導(dǎo)致活性氧自由基的生成和乳酸脫氫酶（LDH）的釋放，加入50mg/L的CuONPs后，ROS濃度比對(duì)照組提高了35.01%，而LDH濃度提高了51.18%。LDH的濃度表征了細(xì)胞膜的完整性，LDH的釋放意味著細(xì)胞膜被破壞，從而對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生了不可逆的損害。同時(shí)通過DNA測序?qū)ξ⑸�物群落變化的研究表明氨氧化�?xì)菌（AOB）的增殖與厭氧氨氧化菌（AAOB）的抑制，推測是由于CuONPs促進(jìn)了氧氣從空氣向反應(yīng)器的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的。Zhao等在ZnONPs的研究中也證實(shí)了ROS的毒性作用，相比于空白對(duì)照，50mg/L的ZnONPs會(huì)使反應(yīng)器中的ROS含量提高40%，ROS的存在代表著納米顆粒對(duì)厭氧氨氧化菌的氧化應(yīng)激作用，它不僅會(huì)破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，還會(huì)引起糖鏈斷裂，從而對(duì)厭氧微生物產(chǎn)生毒害作用。然而ZnONPs的加入不會(huì)導(dǎo)致LDH的釋放，這意味著細(xì)胞膜的完整性未被破壞，這說明其對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制是可逆的。

3、厭氧氨氧化菌抗納米材料毒性的機(jī)制

厭氧氨氧化菌在受到環(huán)境污染物脅迫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列保護(hù)機(jī)制來免受毒害作用。例如在受到納米顆粒的毒性影響時(shí)，厭氧氨氧化菌會(huì)通過分泌EPS、上調(diào)抗性基因的表達(dá)等方法來保護(hù)自己。

3.1 增加EPS分泌

相較于其他微生物，厭氧氨氧化菌周圍會(huì)存在更多的EPS。例如，在活性污泥法的SBR反應(yīng)器中污泥中的EPS濃度為53.38mg/gVSS，MBR反應(yīng)器中則為91.94mg/gVSS，而在厭氧氨氧化體系中，污泥中的EPS濃度通常在200mg/gVSS以上，細(xì)胞周圍的EPS可以通過吸附納米顆粒來阻止其破壞細(xì)胞膜，從而減輕納米顆粒的毒性。EPS通常被認(rèn)為是保護(hù)厭氧氨氧化菌免受納米顆粒毒性的第一道屏障。

Zhang等在AgNPs對(duì)厭氧氨氧化菌的影響研究中發(fā)現(xiàn)，EPS可以作為吸附載體和滲透屏障，減少AgNPs與厭氧氨氧化細(xì)胞的直接接觸和相互作用，從而阻隔或緩解其對(duì)細(xì)胞的毒性。在投加50mg/L的AgNPs后，液相中的Ag濃度低于檢測限，而厭氧氨氧化顆粒中的銀含量從（2.7±0.2）mg/gSS增加到（110.5±7.8）mg/gSS，說明大部分游離的AgNPs都被細(xì)胞外圍的EPS吸附，這與Peng等的試驗(yàn)結(jié)果一致。另外，通過X射線斷層攝影技術(shù)觀察到的厭氧氨氧化顆粒的微觀結(jié)構(gòu)表明，納米顆粒的加入會(huì)使微生物的胞外聚合物密度降低，從而產(chǎn)生孔隙，而這些孔隙是底物和代謝物運(yùn)輸?shù)耐ǖ�。孔隙率的增加�?shí)際上提高了厭氧氨氧化顆粒中的基質(zhì)轉(zhuǎn)移效率，從而提高了微生物的活性。類似地，Xu等在投加MnO2NPs后也觀察到EPS濃度的增加。對(duì)污泥中EPS的定量分析表明，在投加納米顆粒后，顆粒污泥中EPS的含量從360.2mg/gVSS增加到481.5mg/gVSS，厭氧氨氧化菌傾向于分泌更多的EPS，以應(yīng)對(duì)納米顆粒不斷增加產(chǎn)生的毒性。這種行為被認(rèn)為是微生物的一種防御機(jī)制，通過增加EPS分泌來減少與納米顆粒的直接接觸和相互作用，從而形成保護(hù)性的“繭”。

此外，Zhang等在磁鐵礦納米顆粒（MHNPs）對(duì)厭氧氨氧化的研究中發(fā)現(xiàn)，MHNPs的加入使得厭氧氨氧化污泥中的EPS含量從196.5mg/gVSS增加至272.6mg/gVSS，這表明MHNPs會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌加速EPS的分泌，并且EPS含量的增加可以加速絮凝污泥的造粒過程，因此MHNPs可以改善厭氧氨氧化絮凝污泥的沉降性能，同時(shí)對(duì)微生物群落的功能特異性也有一定的增強(qiáng)。不同納米材料對(duì)厭氧氨氧化菌EPS分泌的影響見表1。

從表1可以看到，不同類型的納米顆粒的影響不盡相同，通常來說納米顆粒毒性越強(qiáng)，其對(duì)厭氧氨氧化菌分泌EPS的刺激效果越顯著，EPS含量增加13.3%~67.3%。

值得注意的是，Zhou等的研究證實(shí)CuONPs對(duì)厭氧氨氧化的抑制很大程度上是由于納米效應(yīng)，粒徑越小，影響越嚴(yán)重。試驗(yàn)表明，相同濃度下40nm尺寸的CuONPs對(duì)厭氧氨氧化活性的影響（脫氮效率下降61%）遠(yuǎn)大于200nm（脫氮效率下降33%），這一方面是由于粒徑較大的納米顆粒更易聚集為沉淀物，從而通過出水排出；另一方面是由于大粒徑的納米顆粒會(huì)被EPS吸附，無法進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，而小粒徑有助于穿透EPS所組成的屏障，從而對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用。此研究也從側(cè)面說明了EPS對(duì)厭氧氨氧化菌的保護(hù)作用。

3.2 調(diào)控基因的表達(dá)

在納米顆粒對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用后，厭氧氨氧化菌可以通過上調(diào)相關(guān)功能基因或者抗性基因的豐度來抵抗這種抑制作用，從而保證細(xì)菌細(xì)胞的生存。例如，長期暴露于低于抑制濃度的納米銀顆粒中，可以促使厭氧氨氧化菌激活基于基因表達(dá)的離子轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)，用于抵抗納米銀的毒性。

在厭氧氨氧化菌的代謝途徑中，通過肼合酶（hydrazinesynthase，hzsA）可以將一氧化碳和銨合成為肼（N2H4），肼合酶是一種獨(dú)特的只存在于厭氧氨氧化菌中的酶，因此通過測定hzsA基因的豐度可以表征厭氧氨氧化菌中肼合酶的豐度，從而定量評(píng)估厭氧氨氧化菌的活性。例如，在Zhang等對(duì)ZnONPs的研究中，加入納米顆粒前后，hzsA基因的拷貝數(shù)維持不變，均在5.5×109copies/gVSS左右，然而hzsA基因的相對(duì)豐度在受到?jīng)_擊時(shí)從32%降至28%，并且在隨后的恢復(fù)階段上升至36%，可以看出恢復(fù)的厭氧氨氧化生物量具有比沖擊前更高的hzsA基因豐度。

與此相似，在MHNPs對(duì)厭氧氨氧化的影響中也觀察到了類似的結(jié)果，在進(jìn)水MHNPs濃度增加至200mg/L后，hzsA基因的含量從5.03×109copies/gVSS增加到7.12×109copies/gVSS，相對(duì)豐度從17.7%增加至39.2%。這說明在受到諸如納米顆粒的污染物沖擊后，厭氧氨氧化菌傾向于產(chǎn)生更多肼合酶來加速繁殖，以獲得更多的微生物量來抵抗納米顆粒的毒性。

Li等在研究Fe3O4NPs對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響中也觀察到了類似的現(xiàn)象。在低濃度（1mg/L）Fe3O4NPs的暴露下，厭氧氨氧化菌中的離子轉(zhuǎn)運(yùn)與脂質(zhì)代謝的基因豐度相較對(duì)照組分別從4.85%和3.1%增至5.25%和3.5%，這是由于亞鐵離子作為一種厭氧氨氧化菌所需要的微量元素，其需要鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來進(jìn)行攝取。然而在過高濃度（10mg/L）的Fe3O4NPs脅迫下，離子轉(zhuǎn)運(yùn)與脂質(zhì)代謝的基因豐度均會(huì)下調(diào)，證明厭氧氨氧化細(xì)菌可以通過下調(diào)與鐵轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因來防止細(xì)胞內(nèi)過量鐵的積累。

對(duì)于一部分具有毒害作用的納米顆粒，厭氧氨氧化菌還會(huì)通過上調(diào)相關(guān)抗性基因的豐度來保護(hù)自己。已有研究表明，厭氧氨氧化菌對(duì)ZnONPs的間歇性擾動(dòng)有著很強(qiáng)的適應(yīng)能力。為了減輕過量Zn2+離子造成的毒性損害，厭氧氨氧化菌可能通過上調(diào)ZntA基因（一種Zn2+離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)基因）的豐度，從而增加Zn2+離子的排出量。與ZnONPs類似，Zhang等在向厭氧氨氧化系統(tǒng)中加入1mg/L的CuNPs后發(fā)現(xiàn)，copA基因的相對(duì)表達(dá)量從對(duì)照組的3.56×10-4增加到12.4×10-4。copA基因可以促使厭氧氨氧化菌細(xì)胞中產(chǎn)生更多外排酶將有毒的Cu2+離子從細(xì)胞內(nèi)排除到周質(zhì)空間，從而達(dá)到減毒的作用。Peng等對(duì)加入AgNPs后厭氧氨氧化菌中的差異表達(dá)蛋白的分析結(jié)果表明，相較于沒有加入AgNPs的對(duì)照組，KEGG數(shù)據(jù)庫中的550個(gè)差異表達(dá)蛋白中有344個(gè)是上調(diào)蛋白，而下調(diào)蛋白有206個(gè)，說明AgNPs的加入導(dǎo)致某些功能蛋白的上調(diào)表達(dá)，加快了厭氧氨氧化菌的生長速度和豐度。

4、結(jié)語

隨著納米科技的快速發(fā)展，越來越多的納米材料被大規(guī)模應(yīng)用，厭氧氨氧化作為一種新型的污水脫氮工藝，污水中日益增加的納米顆粒對(duì)其影響已經(jīng)不可忽視。大多數(shù)金屬納米材料與金屬氧化物納米材料通過納米效應(yīng)、重金屬離子的釋放等作用均會(huì)對(duì)厭氧氨氧化過程產(chǎn)生抑制，在較高濃度下甚至?xí)��?dǎo)致厭氧氨氧化菌的死亡。

在受到納米顆粒的脅迫時(shí)，厭氧氨氧化菌會(huì)通過增加EPS的分泌來阻止其與細(xì)胞的接觸，同時(shí)通過上調(diào)功能基因（如hzsA基因）與抗性基因（如ZntA、copA基因）的表達(dá)來達(dá)到減毒的作用。然而現(xiàn)有研究大多集中在納米材料對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響過程及機(jī)理方面，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用方面仍研究較少，針對(duì)現(xiàn)有研究成果，提出以下幾點(diǎn)未來的研究方向：

①大多數(shù)金屬（氧化物）納米材料由于其獨(dú)特的物化性質(zhì)（納米效應(yīng)、重金屬毒性等）而會(huì)抑制厭氧氨氧化過程，但是有相當(dāng)一部分納米材料不僅不會(huì)抑制厭氧氨氧化反應(yīng)，反而還會(huì)促進(jìn)其活性，如納米零價(jià)鐵、納米氧化石墨烯等。如何利用這些材料來縮短厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)周期或是提高厭氧氨氧化工藝的處理效率則是今后重要的研究方向。

②現(xiàn)有研究內(nèi)容大多局限于小試規(guī)模的小型反應(yīng)器，可以進(jìn)一步增加對(duì)中試或工業(yè)化應(yīng)用的厭氧氨氧化系統(tǒng)中納米顆粒的影響研究。

③各種環(huán)境條件，包括溫度和污水成分（如重金屬、有機(jī)物、抗生素等）都會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌的活性產(chǎn)生影響，納米材料與這些因素對(duì)厭氧氨氧化過程的復(fù)合影響仍需進(jìn)一步研究。（來源：同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海污染控制與生態(tài)安全研究院）