铭盛环境——工业污水，工业废水处理专家，提供污水处理解决方案
市政污水处置是现代城市不可或缺的重要一环，污水处置中的常见办法有物理法、化学法、生物处置法。其中，生物处置法以其杰出的经济性、高效性一直在污水处置中扮演着重要角色，同时其在无害化、资源化方面也有无可比较的优越性。生活污水和工业废水处理中的生物处置法主要是应用微生物代谢反响实施的一种水处置办法，废水生物处置普通是多种细菌协同作用的结果。例如：Candidantusaccu⁃mulibacter是污水处置系统中重要的除磷菌，承当着生物除磷的作用;Zoogloea菌属被证明在生长过程中能够经过分泌含有大量阴离子基团的胞外聚合物与某些重金属离子构成络合物，到达经过吸附去除重金属的目的;Bacteroidetes对含碳有机物有很好的降解作用。因而，微生物群落的丰度和多样性使得污水中多数污染物都可以被去除。微生物主要经过本身代谢活动发挥作用，因而，微生物的活性影响着生态系统的运转，关于以微生物为中心的污水生物处置系统的运转效果至关重要。但是，微生物的生命活动在遭到外界环境中不利要素的影响时，正常的代谢活动容易被干扰，相应的功用功效就会随之降落。
市政污水处置厂是污水进入水体前的最后一道屏障，收纳了生活废水、工业废水等多种成分复杂的混合废水，其中含有的有毒有害物质势必会增加污水厂的处置负荷。往常，随着纳米技术的疾速开展，纳米金属及其氧化物应用普遍，AgNPs以其出色的抗菌作用被应用在洗衣机、食品包装等生活用品中，ZnONPs在塑料添加剂和涂料中被大量运用，而CeO2NPs则因其良好的储氧释氧性能被普遍应用于抗氧化剂、燃油燃料等范畴。纳米金属及其氧化物的大量运用增加了纳米资料在运输与运用过程中进入到自然水体以及污水处置厂的可能性，进而对微生物的生理生化特性以及微生物群落产生难以估量的影响。目前，常见的纳米金属及其氧化物包括Ag、TiO2、Cu、ZnO、CuO、Al2O3、CeO2等。截至2014年，每年全球约有8.3×106t的纳米资料经过扩散等行为释放到环境中。固然有报道指出含有AgNPs涂层的纺织品洗出液中的Ag+浓度数量级约处于mg/L的程度，0.10mg/L又通常在实验室尺度下作为研讨纳米资料影响的目的浓度，但是目前来说，关于水环境中纳米金属及其氧化物浓度的准确丈量仍然是一个难题。但是，随着人工纳米资料的普遍应用，纳米金属及其氧化物在水体中的释放必然将呈现上升趋向。由于纳米金属及其氧化物具有特殊的理化特性，其在水环境中趋向于聚会，且聚会水平取决于粒径大小、外形、浓度、电荷、品种以及环境温度，以聚会方式存在的纳米金属及其氧化物将在一定水平上加强其在水体中的停留时间，而局部水解构成的纳米金属离子由于尺寸效应，对水中的生物具有更强的毒性。因而，纳米金属及其氧化物作为新型污染物将会严重影响水环境生态平安。
群体感应作为细菌细胞间的信息调控行为，影响着细菌生物膜的构成，能够调理生物膜的厚度及活性。应用信号分子增强群体感应行为来强化特定菌群、优化微生物群落构造与组成，能够加强群落构造稳定性，完成微生物功用的修复，从而提升微生物对特定污染物的去除效率，使得污水处置反响器的稳定运转成为可能，但是这方面的研讨非常有限。鉴于纳米资料共同的性能和尺寸，探求处于纳米金属及其氧化物胁迫中的微生物活性、生理生化特性以及微生物群落等变化的研讨显得尤为重要，同时，如何减轻以至修复纳米金属及其氧化物对污水处置系统的冲击影响也火烧眉毛。因而，为了明白纳米金属及其氧化物对污水处置中微生物性能的影响，本文从微生物汇集体存在方式的角度动身，探求纳米资料对微生物特性的影响，剖析微生物在不利条件下的应对机制，为从群体感应角度深化探求微生物应对纳米资料等胁迫作用提供重要理论根据，并对微生物功用修复的可能性提出瞻望。
一、微生物汇集体主要存在方式
目前，水污染控制的主要技术手腕是生物处置，而在生物处置中承当主要作用的絮体污泥、生物膜以及颗粒污泥就是微生物汇集体的主要存在方式。这3种微生物汇集体由于存在方式的差别在污水处置过程中扮演着不同的角色，微生物汇集体存在方式的不同也造成了其构造、功用与特性的差别，这也标明不同微生物汇集体在应对纳米金属及其氧化物的胁迫时呈现出共同的表现力及应对机制。
1.1 悬浮絮体污泥
絮体污泥通常呈现在传统活性污泥法工艺中，是活性污泥处置系统的主体局部。絮体污泥主要由有机和无机两局部组成，以细菌为主的微生物群落组成了有机的一局部，在以细菌为絮体骨架的微生态系统中，交错其中的丝状菌以及附着的微型动物让这个群体愈加稳定。工程纳米颗粒与絮体活性污泥的互相作用在不少文献中被报道。当絮体污泥遭到纳米金属及其氧化物冲击时，会在污泥沉降性能上做出直观响应。这种纳米金属及其氧化物暴露形成的污泥沉降性的降落可能是由于活性污泥中纳米资料的堆积以及絮体外表因吸附局部纳米资料而形成的外表斥力的改动。
絮体污泥多孔松懈，纳米金属及其氧化物暴露浓度以及暴露时间的改动共同影响着絮体污泥的形态构造，悬浮污泥系统通常采用污泥体积指数(SVI)来反映纳米资料对污泥沉降、凝聚性能以及松懈水平的影响。Gu等发现，当暴露于1～8mg/L的AgNPs溶液中时，絮体污泥体系去除率相较于纯水体系高30%～58%，标明絮体可经过生物质相关功用如生物吸附和共沉淀来去除纳米金属及其氧化物。由于絮体污泥比外表积大，“网状”构造松懈，EPS中嵌有大量细菌细胞，有利于纳米资料的吸附和缠结。这一结论与Kiser等的发现分歧，共同提醒了悬浮污泥去除纳米资料的机制。
1.2 附着生物膜
除活性污泥外，生物膜已成为污水处置的主要处置手腕。生物膜由多种微生物组成，在水的净化中起着十分重要的作用。附着生物膜主要应用于生物膜法工艺中，是经过膜上微生物吸附、降解污水中有机污染物实施污水处置。微生物需求依托附着介质完成挂膜，普通膜厚2mm，整体构造呈现扁平化。与活性污泥的絮凝构造相比，生物膜具有复杂的三维构造，包括孔隙、通道和不规则的突起。由于微生物汇集体存在方式的差别，在应对相同纳米资料的暴露时，流露出不同的响应措施，生物膜由于胞外聚合物的致密维护以及微生物群落之间的作用，生物膜相较于悬浮污泥絮体关于纳米资料的暴露具有更强的耐受力。Sheng等在去除松懈分离的胞外聚合物(EPS)后发现，生物膜的活性较去除前降低，这也证明了生物膜系统中EPS的维护作用。
1.3 聚会颗粒污泥
颗粒污泥主要包括好氧颗粒污泥与厌氧颗粒污泥，与构造松懈、不规则的传统絮状污泥相比，颗粒污泥呈现不同的表观构造。在构造上，颗粒污泥能够看作是一种具有三维平面和更复杂构造的特殊生物膜，其中微生物互相衔接，嵌入细胞外基质中，不同功用的微生物种群散布在不同的平面空间。由于共同的构造，颗粒污泥在泥水别离效果、耐负荷冲击才能、剩余污泥产泥率等方面，具有无可比较的优越性，也使得好氧颗粒污泥近年来在污水处置中得到更多的关注，连同序批式反响器(SBRs)被普遍讨论。由于污泥颗粒较大的尺度与较小的比外表积，吸附纳米金属及其氧化物的才能稍逊于絮体污泥，因此在抗冲击、维持系统稳定性方面具有显著优势。研讨发现，颗粒污泥在AgNPs中暴露22d仍然坚持着稳定的微生物活性，同样条件下，絮体污泥的活性则被严重抑止。这能够解释为颗粒污泥中微生物汇集严密并被密集的EPS包裹，很大水平延缓了内部细菌与外界的接触，进而局部缓解了纳米金属及其氧化物的毒害作用。
二、纳米金属及其氧化物对微生物理化特性的影响
纳米金属及其氧化物在生产、运输、应用中会不可防止地泄露到土壤和水体中，城市污水处置厂作为纳米资料在环境释放前的最后一道屏障，进到污水厂内的纳米金属及其氧化物将对污水生物处置系统中的微生物产生影响，系统处置性能随之动摇。在目前的研讨中，急性高浓度的纳米金属及其氧化物暴露对微生物的胁迫被普遍研讨，同时低浓度纳米金属及其氧化物的长期胁迫作用也被给予了足够的注重，以期深化而全面地理解纳米金属及其氧化物对污水处置系统中微生物的作用效果及其影响机理。
2.1 微生物在纳米金属及其氧化物胁迫下污染物去除表现
化学需氧量(COD)是表征水体中有机污染的一项重要指标，COD的去除率被以为是权衡废水处置性能的指标之一。徐梦莹等研讨1、10mg/LCeO2NPs在SBR中作用8h时发现，COD的去除率均到达95%。Zheng等研讨颗粒污泥时发现，在50mg/LCuONPs下暴露5d，COD去除率仍然坚持稳定。有趣的是，林玲玲等在研讨7h紫外线映照条件下，MgONPs暴露对COD去除率的影响时发现，COD去除效果与暴露浓度正相关。在纳米资料的暴露中，COD的去除率在短期内没有显著变化，但是作为废水处置性能的另一个指标———脱氮除磷率更容易遭到纳米资料的负面影响。在1mg/LCeO2NPs的短期暴露中，Hou等发现，氮磷去除没有明显变化。Chen等在研讨1mg/L和50mg/LAl2O3NPs的急性作用时也得出了没有显著影响的结论。但是，Zheng等发现，急性接触ZnON⁃Ps对废水营养去除特别是生物除磷产生了负面影响。微生物对纳米资料不同的急性反响与所暴露的纳米资料具有不同的溶解度特性相关，由于纳米金属及其氧化物关于微生物的毒性作用之一就是溶解释放的金属离子。
在纳米金属及其氧化物的短期作用下，微生物废水处置性能总体变化不明显，但是在较长的纳米金属及其氧化物暴露的时间尺度状况下，微生物对有机物和氮磷的去除效果呈现显著的差别性。絮体污泥在CeO2NPs作用下20d发现，COD去除率并未形成显著影响，这一结论与Xu等在生物膜70d暴露分歧。Chen等在研讨1mg/L和50mg/LAl2O3NPs暴露中发现，即便在70d的作用下，脱氮除磷率在低浓度暴露中没有显著变化，但是氮的去除在高浓度中被显著抑止。张肖静等在自养反硝化工艺中发现，1mg/LCuNPs对亚硝化污泥有严重的抑止作用。而Zheng等在对好氧颗粒污泥实施70d的CuNPs暴露研讨时发现，TN去除率相较于空白值上升5.2%。这也从侧面反映了颗粒污泥较絮体污泥有更强的抗冲击性能。也有研讨发现，生物膜长期暴露于10～50mg/LCeO2NPs时，除磷和脱氮过程固然都被不同水平的抑止，但抑止水平与暴露剂量正相关。
在不同汇集体存在方式中，固然暴露着不同的纳米金属及其氧化物，但关于抗冲击性能，颗粒污泥最优，生物膜次之，絮体污泥最差；同时，纳米金属及其氧化物对微生物的影响取决于暴露剂量以及暴露时间，抑止作用与暴露时间与暴露浓度正相关。
2.2 纳米金属及其氧化物胁迫下微生物生化酶系探求
虽然在各种暴露条件下，微生物的处置性能有不同的响应，但是生物脱氮除磷依赖于多种生化反响，而这些生化反响是由微生物群落中共有的某些关键细菌分泌的关键酶催化的。关于每一种细菌，酶在代谢活动中都扮演着重要的角色。表1提醒了特征纳米金属及其氧化物对污水的处置效果及其要素表征。污染物的去除是由大量微生物种群一同完成的，主要过程有：有机物降解、脱氮和除磷，去除效果取决于污泥细菌活性以及相关酶的代谢(图1)。生物脱氮过程由3局部组成，分别是氨化作用、硝化作用、反硝化作用。除磷的生化阶段分为好氧吸磷、厌氧释磷。而氨单加氧酶(AMO)、亚硝酸盐氧化复原酶(NOR)、硝酸盐复原酶(NAR)、亚硝酸盐复原酶(NIR)、聚磷酸盐水解酶(PPX)、聚磷酸盐激酶(PPK)这6种酶被以为是生物脱氮除磷的关键酶。当关键酶的基因表达和催化活性遭到抑止时，污水处置系统则表现为脱氮除磷效率降低，表1所示结论证明了这一点。因而，微生物种群多样性和稳定性的维持有利于细菌关键酶的持续分泌，进而可以到达稳定脱氮除磷的目的。而纳米金属及其氧化物的暴露通常对微生物群落有抑止作用，详细表现为纳米金属及其氧化物溶解释放的纳米金属离子局部吸附在细胞外表，局部进入细胞内，对细胞诱导产生氧化胁迫作用，形成微生物活性降低、细胞完好性损坏，扰乱细胞功用。
三、微生物在纳米金属及其氧化物冲击下的防御机制
以胞外聚合物(extracellularpolymericsub⁃stances，EPS)为代表的微生物分泌的大分子物质是决议微生物汇集体外表性质的关键物质。EPS掩盖在微生物外表或填充在汇集体中间，将微生物细胞包裹、黏结起来。关于松懈构造中的絮体污泥、稍严密的生物膜、致密的颗粒污泥，EPS都在维护微生物抵御纳米金属及其氧化物毒性中起到了重要的作用。但是，与纳米资料的互相作用会造成EPS的理化性质发作复杂变化，易降低污泥汇集体系统的稳定性。
通常微生物汇集体构造可分为松懈分离EPSs(LB⁃EPSs)的外区、严密分离EPSs(TB⁃EPSs)的内区和中心细菌细胞，以及固体物质外溶解的SMP。Hou等经过扫描电镜(SEM)察看LB⁃EPSs，发现其外表粗糙、呈蜂窝状，有利于吸附污染物，能在一定水平上维护污泥汇集体中的微生物。大量研讨标明，在纳米金属及其氧化物的急性暴露中，微生物会增加EPSs的产生，以维护细胞免受损伤。吴杨芳在研讨短期活性污泥对CeO2NPs的作用时，察看到胞内LB⁃EPS组分的含量较TB⁃EPS增加。这从侧面证明了，短期纳米资料的毒性作用是从汇集体外部到内部的一个过程，LB⁃EPS在初期会最先响应。但是，在生物膜体系中，Wang等对CeO2NPs慢性暴露的响应中发现，EPS的含量较空白值有所降落，且随着暴露浓度的增大，其降落水平愈加显著。由于EPS是微生物分泌产生，据此揣测，纳米资料长期的毒性作用对微生物曾经产生了负面影响，而对应微生物中的功用菌群也被抑止，这与大局部纳米资料作用下脱氮除磷效果遭到抑止的结论相吻合。同时，在Wang等的研讨中也提及，固然EPS总量降落，但是LB⁃EPS的含量上升，而TB⁃EPS呈现相反的规律。据此，TB⁃EPS含量的降落能够解释为微生物活性遭到抑止，微生物群落丰度降低，致使产生分泌物量减少;同时，局部TB⁃EPS脱离并转化为LB⁃EPS，形成LB⁃EPS的上升，这阐明，长期纳米资料暴露对微生物的作用是从内部主导的。Gu等在对细胞实施SEM剖析时发现，胞内含有Ag+NPs，也证明了纳米资料关于细胞胞内的入侵。同时，污泥沉降性能遭到EPS的影响，构造松懈的LB⁃EPS含量的增加势必会形成污泥稳定性的降低与粒径的收缩，Zheng等的研讨印证了这个推论。
依据统一理论的观念，EPS和SMP之间存在转化关系，溶解的EPS(S⁃EPS)被称为SMP，而SMP中与微生物内源呼吸相关联的微生物产物(BAP)则源于EPS的水解。据此能够揣测，在长期纳米资料的暴露下，EPS含量的降低受多种要素的影响，一是微生物活性降低，分泌被抑止;二是EPS构造逐步疏松，最终崩溃，水解成局部SMP。目前，研讨者大多着眼于EPS分层组分在纳米资料长期暴露中的变化，而SMP与EPS之间相互转化的统一机理缺乏讨论。
四、微生物群落构造变化及生物恢复探求
微生物种群的多样性和稳定性对完成生物脱氮除磷具有重要作用，废水处置性能的降落主要是由于微生物群落的变化和活性的抑止。Zheng等发现，TiO2NPs和ZnONPs的存在降低了活性污泥的微生物多样性，其中氨氧化细菌如亚硝酸单胞菌的丰度降低较为明显，但是Candidatus、Accumulibacterphosphatis以及Rhodocyclaceaebacterium作为典型的多磷酸盐积聚生物(PAOs)在暴露中并没有察看到抑止现象，这一结论与长期纳米金属及其氧化物作用下的除磷效果并没有遭到显著抑止的现象相吻合。
由于纳米资料在不同时间尺度上的暴露对微生物在表观与机理层面的影响存在显著差别，纳米资料对微生物的负面影响需求较长时间的累积才会显现。但是在工程实践中，与长期影响的控制相比，纳米资料短期暴露的解除更具有预先发现和恢复受抑止微生物活性的可行性。研讨发现，一些细菌产生的群体感应(QS)信号分子能够促进微生物群落中细胞与细胞的通讯。其中，N-乙酰-高丝氨酸内酯(N⁃acyl⁃homoserines，AHL)被以为是最主要的脂肪类衍生物信号分子，也是在生物膜细胞之间起主要信息传送作用的信号分子。由于特定菌株产生的AHL能够激活该菌株的群体感应，又能同时抑止其他菌株的群体感应体系来提升竞争性，这使得提升脱氮除磷菌群在总群落中的竞争性有了理论根据，借此应用细胞的群体感应现象提升优势菌株，优化微生物群落，进而提升废水处置性能成为可能。遗憾的是，在纳米金属及其氧化物暴露条件下，关于微生物群体感应变化机制的研讨非常稀少，应用AHL来调控细菌群体感应抵御损害的研讨仍属空白。
五、前景与倡议
目前，对纳米资料的研讨曾经进入了一个全新的阶段，在曾经简直明晰纳米金属及其氧化物对活性污泥的作用机制时，后续的研讨将从愈加深化的角度全面地理解纳米资料的暴露在环境行为中的详细表现以及作用效应，给出的倡议如下。
(1)虽然目前的研讨中，充沛思索了微生物在纳米金属及其氧化物胁迫下的长期累积效应，但是都只是停留在时间尺度较小的周期内，暴露的时间尺度只局限于季度周期，而理想中的泄露危害可能是迟缓、耐久的，关于这方面的研讨目前非常缺乏。
(2)固然已有文献研讨了多种纳米资料的混协作用，但是纳米资料与其他微污染物的耦协作用对污水处置系统的影响研讨非常匮乏，需充沛思索进厂水复杂的成分有利于全面评价纳米资料的存在对环境的风险性，使纳米金属及其氧化物在环境行为中变化的研讨愈加全面和详细。
(3)目前，在纳米金属及其氧化物胁迫作用下，对污染物暴露解除后微生物性能修复的研讨十分有限。由于从微生物群落变化角度探求群体感应现象在微生物群落中的作用非常必要，这关于重塑微生物活性和丰度以此优化群落构造，提升微生物群落在风险条件下的抵御机制有重要意义。
