纳米颗粒对人工湿地中厌氧氨氧化的影响机理研究

Nanomaterials are widely used in various fields of production and life, and wetland systems are as one of the main destinations of nanoparticles in the environment. Anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) is a major route of denitrification in constructed wetland systems, but nanoparticles have an impact on the process of ANAMMOX through the interaction between microorganisms and nanoparticles in wetland systems. At present, the potential toxicity mechanisms of nanoparticles on ANAMMOX in wetland systems are unclear. Therefore, this study is to investigate the effect of nanoparticles on ANAMMOX nitrogen removal in wetland systems by simulation experiments of nanotoxicity impact wetland systems combined toxicity and molecular biology techniques, and the mechanisms of toxicity of different nanoparticles and coexistence pollutants on ANAMMOX nitrogen removal are clarified, and the relationships of nanoparticles, coexistence pollutants, process parameters, functional microorganisms and ANAMMOX performance are established, and the effects and mechanisms of process parameters of wetland systems on mitigating nanotoxicity are explored. This study provides a theoretical basis and technical support for ecological risk assessment of nanoparticles and the ANAMMOX process optimization in wetland systems affected potentially by nanoparticles.

纳米材料广泛应用于生产生活的各个领域，湿地系统是纳米颗粒在环境中的主要归宿地之一。厌氧氨氧化（ANAMMOX）是人工湿地脱氮的主要途径，而纳米颗粒可能会对湿地系统中功能微生物产生抑制作用，对ANAMMOX过程产生影响。目前关于湿地生态系统中纳米颗粒对ANAMMOX影响效应和机制尚不清晰，本研究通过模拟纳米毒性冲击人工湿地系统实验，结合毒理学和分子生物学等先进技术手段，明确纳米颗粒对人工湿地ANAMMOX氮去除效果的影响；解析纳米颗粒性质及共存污染物对人工湿地ANAMMOX氮去除的毒性机理；建立ANAMMOX脱氮效果、功能菌群与纳米颗粒性质、人工湿地运行方式之间的响应关系；通过优化人工湿地工艺参数，缓解纳米颗粒对ANAMMOX的毒性影响并探讨其缓解机理。本研究为纳米颗粒对人工湿地的生态风险评估及潜在受纳米颗粒冲击的湿地系统ANAMMOX脱氮效果优化提供理论基础和技术支撑。

纳米材料广泛应用于生产生活的各个领域，湿地系统是纳米颗粒在环境中的主要归宿地之一。纳米颗粒可能会对湿地系统中厌氧氨氧化功能微生物产生抑制作用，进而对脱氮过程产生影响。本研究模拟纳米材料冲击潜流人工湿地系统实验，结合毒理学和分子生物学等先进手段，明确纳米颗粒对潜流人工湿地厌氧脱氮效果的影响、毒性机理和功能菌群落之间的响应关系，提出缓解ANAMMOX纳米毒性的措施并探讨其机理。结果表明：纳米Fe3O4和GO加入对系统性能产生急性抑制作用，但长期运行条件下此抑制作用消失，最终表现为ANAMMOX脱氮促进作用。相反，高浓度纳米Ag抑制则表现出不可恢复现象。纳米材料对ROS产量造成显著影响，且浓度越高促进作用越大。仅低浓度纳米Ag对微生物LDH释放起到促进作用，其毒性机制包括：氧化应激和膜破损。纳米胁迫对功能酶Nir活性基本没有影响，而对HDH酶活性影响较大。群落结构分析表明：纳米胁迫下物种丰度呈现增高现象，浮霉菌门的主要菌属为Cadidatus Anammoxoglobus，以及少量的Cadidatus Brocadia。低浓度纳米Fe3O4胁迫有利于Fe-ANAMMOX的发生，厚壁菌门（Firmicutes）的Exiguobacterium属具有利用三价铁进行氨氧化的能力。高浓度纳米Ag胁迫下具有ANAMMOX能力菌种的消失是系统性能不可恢复的主要原因。通过投加AHLs外源信号分子能够在一定程度上修复受损的微生物菌群，提高ANAMMOX功能微生物的相对丰度和酶活，促进系统脱氮性能的恢复。本研究为纳米材料的生态风险评估及潜在受纳米颗粒冲击的湿地系统脱氮效果优化提供科技支撑。