隨著納米科技的迅猛發(fā)展，各類新型的人工納米材料（NMs）不斷涌現(xiàn)。然而，在給生活帶來便利和創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，NMs的安全性和生物效應(yīng)成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)問題。污水處理廠作為多種環(huán)境污染物的最終受體，勢(shì)必會(huì)有越來越多的NMs經(jīng)由工業(yè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和市政污水管網(wǎng)等多種途徑進(jìn)入污水處理廠。
進(jìn)入污水處理系統(tǒng)中的NMs會(huì)被活性污泥或生物膜等微生物聚集體吸附并與之發(fā)生相互作用。一方面，微生物聚集體表面復(fù)雜的微環(huán)境會(huì)影響NMs的環(huán)境行為和理化性質(zhì)，進(jìn)而改變其對(duì)微生物聚集體的毒性作用。另一方面，與微生物聚集體接觸的NMs也會(huì)直接或者間接地對(duì)微生物聚集體產(chǎn)生影響：一是直接與微生物聚集體相對(duì)外層的胞外聚合物（EPS）發(fā)生作用，造成其含量、組成和物化特性的變化；二是給相對(duì)內(nèi)層的微生物細(xì)胞帶來影響，引起群落結(jié)構(gòu)的變化；三是對(duì)微生物聚集體最為重要的功能屬性——凈污特性產(chǎn)生影響。上述影響最終可能會(huì)帶來微生物聚集體表面性能的變化，從而引起污水處理系統(tǒng)運(yùn)行效率的降低，造成污水廠出水水質(zhì)變差。
1、微生物聚集體對(duì)NMs環(huán)境行為的影響
1.1 對(duì)NMs遷移轉(zhuǎn)化及其毒性的影響
微生物聚集體是由覆蓋在微生物表面的EPS通過橋接作用將各種微生物聚集在一起而形成的巨大的三維結(jié)構(gòu)，其在污染物的截留、維持污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用。由于微生物聚集體具有良好的吸附性能，NMs進(jìn)入污水處理系統(tǒng)后，90%以上的NMs（少數(shù)性質(zhì)特殊而難以吸附的除外）通過靜電作用、配位作用、氫鍵作用等方式被吸附、截留在微生物聚集體中。尺寸較小的NMs可以由細(xì)胞膜表面的小孔或破損處進(jìn)入細(xì)胞，尺寸較大的NMs可以通過胞吞作用進(jìn)入細(xì)胞。類似地，金屬NMs溶出的相應(yīng)金屬離子可以由特定的離子通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。微生物聚集體對(duì)NMs的吸附、內(nèi)化作用以及NMs在其表面或內(nèi)部發(fā)生的一系列轉(zhuǎn)化過程對(duì)描述NMs的生物毒性具有重要的指導(dǎo)意義。例如，Ag、Fe、ZnO、CuO、TiO2等納米顆粒（NPs）會(huì)通過接觸損傷、遮蔽效應(yīng)等對(duì)微生物聚集體產(chǎn)生直接或間接的毒性效應(yīng)。因而，人工納米材料在微生物聚集體中的分布和轉(zhuǎn)化對(duì)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)尤為關(guān)鍵。
由于微生物聚集體中復(fù)雜而多變的微環(huán)境，NMs在與微生物聚集體接觸后，還會(huì)發(fā)生氧化、還原、硫化、絡(luò)合等一系列化學(xué)反應(yīng)。例如，由于CeO2-NPs獨(dú)特的儲(chǔ)-釋氧能力，其在微生物聚集體表面的微還原環(huán)境下會(huì)發(fā)生Ce（Ⅳ）與Ce（Ⅲ）的相互轉(zhuǎn)化，并伴隨自由基的生成和細(xì)胞氧化損傷的出現(xiàn)。磷及其化合物是微生物聚集體不可或缺的組成元素之一，廣泛存在于DNA、脂類、細(xì)胞膜等分子或結(jié)構(gòu)中。人工納米材料在進(jìn)入細(xì)胞的過程中，首先會(huì)接觸到細(xì)胞膜，進(jìn)而與細(xì)胞膜中的磷脂雙分子層發(fā)生作用。研究發(fā)現(xiàn)，稀土氧化物CeO2-NPs與磷脂雙分子層的反應(yīng)會(huì)將磷酸根從其組成結(jié)構(gòu)中剝離出來，進(jìn)一步引起細(xì)胞器損傷。微生物聚集體中的磷酸基團(tuán)還可以與ZnO-NPs和CeO2-NPs反應(yīng)生成穩(wěn)定的絡(luò)合物。此外，納米材料進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部后會(huì)與細(xì)胞內(nèi)的蛋白、氨基酸等生物分子發(fā)生特異性的結(jié)合。例如，CuO-NPs會(huì)與生物膜細(xì)胞中的半胱氨酸結(jié)合并形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而破壞微生物細(xì)胞的生理代謝功能。硫化作用是環(huán)境中納米材料的一個(gè)重要轉(zhuǎn)化過程和潛在的解毒機(jī)制，特別是在低氧或者厭氧污水處理?xiàng)l件下，金屬和金屬氧化物NMs會(huì)與硫離子發(fā)生反應(yīng)。Ma等在中試污水處理廠中發(fā)現(xiàn)，ZnO-NPs和Ag-NPs在微生物聚集體的還原性作用下最終轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的ZnS和Ag2S。類似地，Cd-NPs和CeO2-NPs在含硫的厭氧生物體系下也會(huì)轉(zhuǎn)化生成CdS和Ce2S3。在微生物聚集體的作用下，金屬硫化物的形成導(dǎo)致金屬NPs溶解釋放的離子量進(jìn)一步下降，同時(shí)形成的硫化物沉淀并附著在NPs的表面，進(jìn)而降低NPs的生物毒性。
上述研究結(jié)果表明，微生物聚集體的吸附、還原特性及生物組成成分對(duì)NPs的穩(wěn)定性具有明顯的影響，而NPs穩(wěn)定性的變化與其毒性效應(yīng)息息相關(guān)。因此，目前階段針對(duì)污水生物處理系統(tǒng)中NPs的遷移轉(zhuǎn)化行為及生物毒性效應(yīng)研究難以得出一致的結(jié)論。在接下來的研究中，從NPs的材料特性、微生物聚集體的表面與功能特性、環(huán)境影響因素三個(gè)方面入手，分析NPs遷移轉(zhuǎn)化過程的驅(qū)動(dòng)因素是進(jìn)一步揭示其毒性變化的關(guān)鍵。
1.2 EPS對(duì)NMs賦存及毒性效應(yīng)的影響
EPS是由微生物自身分泌的高分子物質(zhì)、細(xì)胞裂解產(chǎn)物和吸附的外界高分子有機(jī)物形成的，以松散EPS（LB-EPS）或緊密結(jié)合態(tài)EPS（TB-EPS）形式包裹在細(xì)胞表面的水凝膠層。作為微生物的物理保護(hù)屏障，當(dāng)遇到有毒性效應(yīng)的NPs時(shí)，微生物會(huì)分泌更多的EPS來抵抗納米毒性。一方面增加的EPS可以促進(jìn)NPs的團(tuán)聚，增加其水力學(xué)直徑，從而降低NPs進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的幾率，減輕NPs的毒性影響；另一方面，EPS中的兩性分子和無機(jī)基團(tuán)（如硫酸基、磷酸基等）可以吸附水體中的NPs或其釋放的金屬離子，保護(hù)細(xì)胞免受外部的毒性影響；再一方面EPS除阻擋NPs入侵外，還可能對(duì)NPs進(jìn)行包覆，進(jìn)一步增加其向細(xì)胞內(nèi)部運(yùn)移的阻力。EPS在調(diào)控微生物聚集體應(yīng)對(duì)納米毒性中發(fā)揮的作用及相關(guān)組成成分見表1。
研究表明，EPS可以通過絡(luò)合、無機(jī)沉淀、離子交換、還原等方式與NPs相互作用，進(jìn)而影響NPs對(duì)微生物的毒性作用，常用分析方法和檢測(cè)手段如表2所示。具體來說，EPS內(nèi)常常含有多糖、蛋白質(zhì)、核酸、磷脂、褐藻酸、腐殖酸等有機(jī)質(zhì)，因而可以對(duì)NPs產(chǎn)生與生物膜類似的化學(xué)吸附作用。進(jìn)一步利用透射電子顯微鏡結(jié)合熒光顯微滴定分析和傅里葉變換紅外光譜分析表明，EPS中的蛋白類物質(zhì)和羧酸中的二級(jí)羰基、多糖是主要的結(jié)合位點(diǎn)。已有研究表明，被吸附在微生物聚集體中的人工納米材料，部分被截留在相對(duì)表層的LB-EPS和TB-EPS中，部分附著在細(xì)胞的表面，剩余的極少部分進(jìn)入細(xì)胞的內(nèi)部。例如，Xu等發(fā)現(xiàn)98%的CeO2-NPs進(jìn)入SBBR反應(yīng)器后被截留在EPS中或附著在細(xì)胞表面，很少一部分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。
上述EPS對(duì)NPs的吸附截留作用對(duì)保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理活性免受納米脅迫的影響具有重要作用。此外，由于原子排列以及電荷穩(wěn)定的作用，EPS中的蛋白質(zhì)、腐殖酸、富里酸等具有減弱NPs聚集和沉降的傾向；而由于架橋作用，多聚糖類物質(zhì)往往會(huì)促進(jìn)NPs的沉降。利用動(dòng)態(tài)光散射和石英晶體微天平研究發(fā)現(xiàn)，EPS中的小分子可以使ZnO-NPs的表面Zeta電位由正值變?yōu)樨?fù)值，從而減少ZnO-NPs在污泥細(xì)胞表面的吸附量，進(jìn)而降低對(duì)活性污泥的毒害作用。對(duì)于零價(jià)鐵納米顆粒（ZVI-NPs），EPS對(duì)其理化性質(zhì)的影響在調(diào)控其毒性中發(fā)揮著重要的作用。一方面，EPS表面帶負(fù)電的官能團(tuán)對(duì)ZVI-NPs的吸附作用增加了微生物細(xì)胞與ZVI-NPs的接觸機(jī)會(huì)，導(dǎo)致細(xì)胞受到損傷，但這種損傷并不能直接致死，在合適的條件下微生物可以實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)；另一方面，EPS吸附ZVI-NPs后促進(jìn)了ZVI的腐蝕，產(chǎn)生了低毒性的鐵氧化物，降低了其對(duì)微生物的毒性。
綜上所述，在不同生物體系下，EPS對(duì)不同種類NPs的賦存和轉(zhuǎn)化的影響在緩解NPs生物效應(yīng)方面具有重要作用，因此探明NMs在微生物聚集體EPS中的原位分布規(guī)律和環(huán)境行為，對(duì)闡明其“老化”過程、揭示其毒性作用機(jī)理、緩解其環(huán)境影響至關(guān)重要。但受限于檢測(cè)技術(shù)和方法，實(shí)際僅能夠檢測(cè)到元素總量，而難以鑒別納米級(jí)別的含量和分布。
2、NMs對(duì)微生物聚集體的影響
2.1 對(duì)微生物聚集體中EPS組成與特性的影響
微生物聚集體的表面往往帶有許多基團(tuán)，而納米材料由于本身尺寸微小、質(zhì)量較輕，很容易成為微生物聚集體吸附的對(duì)象。Geyik等研究Ag-NPs對(duì)活性污泥的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，Ag-NPs可以與LB-EPS及TB-EPS結(jié)合且結(jié)合能力與EPS的分子質(zhì)量分布有關(guān)，結(jié)合后的Ag-NPs會(huì)對(duì)EPS的吸附點(diǎn)位和性質(zhì)產(chǎn)生影響。類似地，暴露于石墨烯類材料后，EPS的光譜性能和組成結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯改變，其中蛋白類的組成變化最大。進(jìn)一步，楊曉南發(fā)現(xiàn)，TiO2-NPs會(huì)與蛋白組成中的疏水氨基酸發(fā)生結(jié)合，從而引起EPS中蛋白熒光譜圖的紅移。此外，外加TiO2-NPs后，污泥表面EPS中的蛋白質(zhì)和多糖降解成小分子的能力有所提高，而膜生物反應(yīng)器在應(yīng)對(duì)外加TiO2-NPs的毒性時(shí)，微生物聚集體的EPS中含有更多的脂肪酸和膽固醇。上述TiO2-NPs對(duì)EPS組成及含量的影響會(huì)進(jìn)一步影響微生物聚集體的表面電荷、表面形貌和表面張力。同時(shí)，高濃度的TiO2-NPs會(huì)顯著降低微生物聚集體中蛋白質(zhì)和多糖的含量，主要是因?yàn)槲⑸锞奂w表面覆蓋了大量TiO2-NPs，阻礙外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向內(nèi)部的輸移，導(dǎo)致微生物細(xì)胞活性降低，從而引起蛋白質(zhì)和多糖含量的減少。在生物膜系統(tǒng)中，CeO2-NPs短期和長(zhǎng)期暴露對(duì)EPS組成及空間分布會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。短期暴露后，生物膜表面EPS中多糖和蛋白質(zhì)的含量明顯增加、腐殖酸含量降低、EPS的官能團(tuán)和絮凝效率受到影響；長(zhǎng)期暴露后，EPS中多糖含量增加而蛋白質(zhì)含量基本不變、TB-EPS中高表觀分子質(zhì)量的相對(duì)占比增加、乙�；教岣撸鞍踪|(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中（α-螺旋+3-反螺旋）/β-折疊比值增加。因此，微生物聚集體主要通過改變生理代謝水平進(jìn)而調(diào)節(jié)其表面EPS含量和組成的變化，以適應(yīng)并響應(yīng)CeO2-NPs引起的不利影響。
EPS組成、含量的變化勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步引起微生物聚集體空間結(jié)構(gòu)和表面性能的變化。相比于未添加TiO2-NPs的絮體，暴露于TiO2-NPs后的活性污泥絮體中EPS減少，其表面呈現(xiàn)出不同程度的粗糙度，并給體系的穩(wěn)定性和絮凝性能帶來影響。然而，也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)暴露于碳納米管的顆粒污泥會(huì)分泌更多的EPS，使得污泥表面更加密實(shí)平整；進(jìn)一步利用激光共聚焦掃描顯微鏡結(jié)合顯色分析對(duì)其內(nèi)部EPS的分布進(jìn)行原位觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在原始的顆粒污泥中蛋白質(zhì)和多糖分布均勻，支撐起整個(gè)污泥的空間結(jié)構(gòu)；而添加碳納米管后，多糖和蛋白質(zhì)主要聚集在顆粒污泥的外層，這將有助于顆粒污泥抵抗納米毒性。在序批式生物反應(yīng)器內(nèi)，經(jīng)不同濃度的CeO2-NPs短期暴露，活性污泥的沉降性能基本不變，但絮凝和團(tuán)聚效率隨CeO2-NPs濃度的增加而下降、出水濁度升高，水質(zhì)變差。此外，不同濃度的CeO2-NPs暴露對(duì)活性污泥流變性的影響不同：在低濃度CeO2-NPs短期暴露條件下，活性污泥的表觀黏度降低、流動(dòng)性增強(qiáng)，這與細(xì)菌活性的變化有關(guān)；而在高濃度CeO2-NPs暴露條件下，污泥表觀黏度增大、彈性行為增強(qiáng)，表現(xiàn)出更多與固體相似的性質(zhì)，該結(jié)果與EPS分泌量增加、微生物聚集體表面結(jié)構(gòu)更加密實(shí)有關(guān)。上述研究表明，微生物聚集體可以通過改變其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來應(yīng)對(duì)CeO2-NPs的毒性效應(yīng)。
2.2 對(duì)微生物聚集體中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響
在微生物聚集體中，由于EPS包裹在微生物細(xì)胞表面，各營(yíng)養(yǎng)要素在不同深度處形成濃度梯度，在空間上形成協(xié)同共生的復(fù)雜多群落結(jié)構(gòu)。Miao等開展CuO-NPs對(duì)污水生物膜的毒性研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)CuO-NPs暴露后生物膜內(nèi)微生物多樣性水平增加，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為：變形菌門和產(chǎn)酸菌門的比例升高，擬桿菌門占比降低；更進(jìn)一步在屬水平發(fā)現(xiàn)，對(duì)重金屬具有抗性的叢毛單胞菌屬豐度增加，與生物絮凝相關(guān)的動(dòng)膠菌屬豐度降低。經(jīng)CeO2-NPs暴露后，對(duì)污水生物膜脫氮過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響研究發(fā)現(xiàn)，與氨氧化過程相關(guān)的Rhodoferax和Pseudoclavibacter豐度降低；與硝化過程相關(guān)的Devosia和Salinibacterium的豐度增加，而Nitrospira的豐度降低；與反硝化過程相關(guān)的Citrobacter、Simplicispira、Dechloromonas和Zoogloea豐度增加；群落結(jié)構(gòu)的變化可能與CeO2-NPs引起的生物膜內(nèi)部溶解氧、pH和氧化還原電勢(shì)的變化相關(guān)。同樣地，CeO2-NPs也會(huì)改變生物膜除磷過程中微生物的群落結(jié)構(gòu)。經(jīng)CeO2-NPs暴露后，與好氧聚磷密切相關(guān)的Burkholderia的豐度大幅降低；而與厭氧釋磷相關(guān)的Rhodocyclaceae和Comamonadaceae豐度卻有所增加，這很可能與不同菌群在生物膜中所處的位置深度有關(guān)。對(duì)于厭氧系統(tǒng)中，Li等發(fā)現(xiàn)碳納米管提高了厭氧微生物活性，增加了產(chǎn)甲烷古菌Methanosaetaconcilii以及與揮發(fā)性脂肪酸發(fā)酵相關(guān)的Clostridium菌群的豐度。He等發(fā)現(xiàn)外加ZVI-NPs后，厭氧產(chǎn)甲烷體系中與糖酵解及酸化產(chǎn)甲烷相關(guān)的細(xì)菌出現(xiàn)減少，而氫營(yíng)養(yǎng)型的產(chǎn)甲烷菌明顯增加，說明外加ZVI-NPs產(chǎn)生的H2通過強(qiáng)化氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑促進(jìn)了甲烷的產(chǎn)生。在自然水體生物膜和底泥沉積物生物膜中，人工納米材料的存在同樣會(huì)改變微生物的群落結(jié)構(gòu)。Cardinale等報(bào)道稱TiO2-NPs對(duì)衣藻、小球藻和柵藻的生長(zhǎng)抑制率不同，從而改變生物膜中附著藻類群落的相對(duì)組成；Miao等發(fā)現(xiàn)TiO2-NPs和CeO2-NPs會(huì)顯著降低表層沉積物中噬甲基菌屬、噬纖維菌屬和藍(lán)藻細(xì)菌的菌群數(shù)量，進(jìn)而對(duì)沉積物表層生物的好氧代謝過程產(chǎn)生抑制作用。以上研究結(jié)果顯示，在活性污泥、生物膜以及厭氧發(fā)酵生物系統(tǒng)中，不同的群落組成和空間分布使其對(duì)不同NPs的毒性響應(yīng)結(jié)果有所不同，各功能菌的豐度和結(jié)構(gòu)變化各異。
盡管已有研究探究了大量有關(guān)不同暴露形式和暴露背景下，NPs對(duì)微生物聚集體內(nèi)功能微生物豐度、組成及功能的影響，但是不同的微生物聚集結(jié)構(gòu)和代謝方式導(dǎo)致其內(nèi)部好氧、兼氧及厭氧微生物縱向分布區(qū)域和空間微環(huán)境不同，進(jìn)而造成其與NPs的接觸方式及接觸的量也不盡相同，導(dǎo)致目前已有研究難以得出一致的結(jié)論。因此，在下一步研究中應(yīng)充分考慮不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物聚集體與NPs相互作用過程的理化特征，以得出普適性的功能微生物對(duì)NPs生物毒性的響應(yīng)規(guī)律。該響應(yīng)規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)如何調(diào)控生物系統(tǒng)應(yīng)對(duì)納米毒性風(fēng)險(xiǎn)、降低NPs的生態(tài)毒性沖擊具有重要意義。
2.3 對(duì)微生物聚集體凈污活性的影響
微生物聚集體（特別是在人工強(qiáng)化的污水處理系統(tǒng)內(nèi)）往往含有豐富的硝化菌、反硝化菌以及聚磷菌等功能細(xì)菌，它們?cè)谖廴疚锏慕到馊コ退w的凈化過程中發(fā)揮著重要作用。人工納米材料的毒性作用會(huì)抑制功能菌的生長(zhǎng)，從而影響微生物聚集體的凈污活性，相關(guān)研究結(jié)果如表3所示。
鄭雄的研究結(jié)果表明，在活性污泥反應(yīng)器中，50mg/L的ZnO-NPs就可抑制活性污泥的脫氮除磷效率，使得總氮的去除率從81.5%降至70.8%；出水溶解性磷的濃度從0.1mg/L以下升至16.5mg/L；而Al2O3-NPs、SiO2-NPs和TiO2-NPs對(duì)污水生物硝化、反硝化以及除磷過程均沒有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)10mg/L的CeO2-NPs暴露后，生物膜反應(yīng)器中氮、磷的去除率受到明顯抑制。生物脫氮除磷過程中關(guān)鍵酶的活性對(duì)去除效果起到了決定性作用。例如，50mg/L的ZnO-NPs不會(huì)影響活性污泥中氨單加氧酶和亞硝酸鹽氧化還原酶的活性，但會(huì)抑制與反硝化過程相關(guān)的硝酸根還原酶的活性，從而導(dǎo)致出水NO3--N濃度顯著增加；同時(shí)，50mg/L的ZnO-NPs還會(huì)抑制活性污泥外切聚磷酸酶和多磷酸鹽激酶的活性，導(dǎo)致活性污泥厭氧釋磷量和低氧吸磷量的顯著降低。
為了更加深入地探尋人工納米材料對(duì)微生物脫氮除磷的抑制機(jī)理，進(jìn)一步利用基因轉(zhuǎn)錄水平對(duì)微生物的功能開展研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)ZnO-NPs暴露后，P.denitrificans中基因的表達(dá)出現(xiàn)顯著性差異，上調(diào)的有556個(gè)，下調(diào)的有1158個(gè)；轉(zhuǎn)錄上調(diào)的基因主要與PHB合成、丙酮酸代謝和胞內(nèi)抗氧化作用等途徑相關(guān)；與糖酵解過程相關(guān)基因的表達(dá)都出現(xiàn)了顯著下調(diào)；而與硝酸鹽代謝密切相關(guān)的nitratereductase（EC1.7.1.1）、nitratereductase1、nitritereductase（EC1.7.2.1）和nitricoxidereductase（EC1.7.99.7）等基因表達(dá)水平的降低可能是脫氮效率受抑制的重要原因。
在微生物聚集體中，除了微生物的代謝作用對(duì)污染物去除具有顯著影響外，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向胞內(nèi)的擴(kuò)散阻力勢(shì)必也會(huì)影響聚集體的凈污效果，而該擴(kuò)散阻力主要是由EPS含量及特性的變化所調(diào)控。已有研究表明，向水中加入納米顆粒形成的納米流體會(huì)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過程。在污水生物膜體系中，You等發(fā)現(xiàn)投加10mg/L的CeO2-NPs強(qiáng)化了氣-液界面的傳質(zhì)能力，降低了氣-液邊界層的厚度，使得氣-液邊界層的傳質(zhì)效率增大；但是經(jīng)CeO2-NPs暴露后，生物膜表面凹凸多孔的結(jié)構(gòu)變?yōu)楦泳鶆蚱秸拿軐?shí)結(jié)構(gòu)，生物膜的表面積差異度減小，使得生物膜表面液-膜邊界層的厚度增加，液-膜界面的傳質(zhì)能力降低。進(jìn)一步對(duì)微生物活性及EPS特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，升高的EPS含量增大了膜內(nèi)傳質(zhì)阻力。綜合來看，受NPs影響，EPS含量及特性變化對(duì)微生物聚集體的凈污活性具有多重影響。一方面EPS具有良好的吸附性能，其含量增加會(huì)促進(jìn)部分污染物的富集去除；另一方面，增加的EPS會(huì)降低污染物向微生物細(xì)胞的傳質(zhì)效率，進(jìn)而降低污染物的生物降解水平。因此，考慮NPs對(duì)微生物聚集體EPS特性及傳質(zhì)性能的影響，綜合評(píng)價(jià)微生物聚集體凈污活性的變化有待進(jìn)一步深入研究。
目前，NPs對(duì)污水處理系統(tǒng)內(nèi)微生物聚集體凈污活性的影響研究多關(guān)注于脫氮除磷效率的變化，而對(duì)有機(jī)物或新污染物的降解效率、去除過程的影響及機(jī)制研究還較少。此外，已有研究中NPs的濃度梯度設(shè)置跨度較大，忽略了NPs暴露濃度逐漸增加時(shí)微生物聚集體的適應(yīng)性響應(yīng)過程，而這一過程將影響微生物聚集體對(duì)NPs的抵抗能力，該現(xiàn)象對(duì)評(píng)估污水處理系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)態(tài)累積的NPs的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、明確NPs長(zhǎng)期暴露下污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。今后，利用蛋白質(zhì)組學(xué)或宏基因組學(xué)揭示微生物聚集體對(duì)NPs暴露的響應(yīng)機(jī)制有望為研發(fā)納米CeO2毒性效應(yīng)的緩解措施提供科學(xué)依據(jù)。
3、結(jié)語
目前，有關(guān)NPs在污水處理系統(tǒng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化、賦存規(guī)律及生物效應(yīng)研究已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，在幾乎明確了納米金屬與其氧化物在污水處理系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境行為與生物作用機(jī)制后，下一步應(yīng)更加深入、全面地了解NPs與污水微生物聚集體的相互作用及環(huán)境影響。
①盡管已有研究充分揭示了微生物聚集體及其表面EPS對(duì)NPs理化性質(zhì)的影響，但不同實(shí)驗(yàn)背景下得到的研究結(jié)果往往不一致。因此，進(jìn)一步考慮NPs的材料特性、聚焦微生物對(duì)EPS響應(yīng)過程的調(diào)控作用，對(duì)闡明NPs的環(huán)境行為與生物效應(yīng)具有重要意義。
②盡管已有研究系統(tǒng)地揭示了納米材料對(duì)污水微生物聚集體的脅迫作用，但有關(guān)如何恢復(fù)受損微生物活性的研究還非常有限。因此，從微生物群落結(jié)構(gòu)變化、修復(fù)基因的富集和表達(dá)等方面探究微生物抵抗和恢復(fù)機(jī)制對(duì)維持污水處理系統(tǒng)的正常生態(tài)功能具有重要意義。（來源：河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院）
