Responses of nitrogen transformation processes and N2O emissions in biological nitrogen removal system to short-term ZnO nanoparticle stress  

生物脫氮系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化過程和N2O排放對(duì)短期ZnO納米顆粒脅迫的響應(yīng)  

來源：Science of the Total Environment, Volume 705, 2020, Article 135916  

《總體環(huán)境科學(xué)》第705卷，2020年，文章編號(hào)135916  

 

摘要

摘要指出，盡管ZnO納米顆粒（ZnO NPs）對(duì)生物脫氮（BNR）過程的不利影響已被廣泛報(bào)道，但ZnO NPs對(duì)整個(gè)氮轉(zhuǎn)化過程，尤其是BNR系統(tǒng)中溫室氣體N2O產(chǎn)生的影響尚未被系統(tǒng)研究。本研究在序批式反應(yīng)器（SBR）中短期暴露于1、25或50 mg/L ZnO NPs一個(gè)周期，同時(shí)監(jiān)測(cè)了硝化和反硝化過程性能及N2O排放。結(jié)果表明，ZnO NPs對(duì)反硝化過程、總氮（TN）去除效率和N2O排放產(chǎn)生劑量依賴性抑制效應(yīng)，但對(duì)硝化過程無顯著影響。N2O排放與好氧階段亞硝酸鹽（NO2-N）積累呈正相關(guān)。進(jìn)一步研究顯示，硝酸鹽還原相關(guān)基因narG表達(dá)下調(diào)，nirK/nosZ和norB/nosZ轉(zhuǎn)錄比率降低。ZnO NPs釋放的Zn2+在抑制反硝化過程中起重要作用。ZnO NPs還誘導(dǎo)超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性劑量依賴性變化，可能通過抑制過量活性氧（ROS）生成來減輕納米毒性。當(dāng)ZnO NPs濃度低于25 mg/L時(shí)，緊密結(jié)合胞外聚合物（TB-EPS）中蛋白質(zhì)（PN）的過量分泌進(jìn)一步支持了系統(tǒng)對(duì)納米毒性的潛在自我調(diào)節(jié)機(jī)制。  

 

研究目的

系統(tǒng)評(píng)估短期ZnO NPs脅迫對(duì)生物脫氮系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化過程（特別是N2O排放）的影響，并探討其機(jī)制，包括功能基因表達(dá)、抗氧化酶活性、ROS生成和EPS變化。  

 

研究思路  

1. 設(shè)置SBR反應(yīng)器，短期暴露于不同濃度ZnO NPs（0、1、25、50 mg/L）一個(gè)周期。  

2. 監(jiān)測(cè)氮轉(zhuǎn)化性能：NH4-N、NO2-N、NO3-N、TN去除效率和N2O排放。  

3. 分析功能基因表達(dá)：使用RT-qPCR測(cè)量amoA、hao、nxrA（硝化基因）和narG、nirS、nirK、norB、nosZ（反硝化基因）的轉(zhuǎn)錄水平。  

4. 評(píng)估Zn2+釋放影響：測(cè)量ZnO NPs釋放的Zn2+濃度，并測(cè)試其對(duì)氮轉(zhuǎn)化和N2O排放的影響。  

5. 測(cè)定氧化應(yīng)激指標(biāo)：ROS生成、乳酸脫氫酶（LDH）釋放、SOD和CAT活性。  

6. 分析EPS組成：測(cè)量S-EPS、LB-EPS和TB-EPS中的多糖（PS）和蛋白質(zhì)（PN）含量。  

7. 整合數(shù)據(jù)，揭示ZnO NPs脅迫下的響應(yīng)機(jī)制和系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 氮轉(zhuǎn)化效率數(shù)據(jù)：NH4-N、NO2-N、NO3-N濃度變化和TN去除效率（來自圖1和表1）。研究意義：顯示ZnO NPs對(duì)反硝化的劑量依賴性抑制，證實(shí)TN去除效率降低與NO2-N積累相關(guān)。  

 

 

2. N2O排放數(shù)據(jù)：氣體N2O排放通量（來自圖1D）。研究意義：表明ZnO NPs降低N2O排放，且與NO2-N積累正相關(guān)，揭示NPs對(duì)反硝化途徑的影響。  

3. 功能基因表達(dá)數(shù)據(jù)：amoA、hao、nxrA、narG、nirS、nirK、norB、nosZ的轉(zhuǎn)錄水平（來自圖2B）。研究意義：narG下調(diào)解釋NO3-N積累，nirK/nosZ和norB/nosZ比率降低說明N2O還原增強(qiáng)，從分子機(jī)制解釋N2O排放減少。  

 

4. Zn2+釋放數(shù)據(jù)：ZnO NPs釋放的Zn2+濃度及其對(duì)氮轉(zhuǎn)化和N2O的影響（來自圖3）。研究意義：證明Zn2+是ZnO NPs毒性的主要來源，直接導(dǎo)致反硝化抑制和N2O減排。  

 

5. 氧化應(yīng)激數(shù)據(jù)：ROS生成、LDH釋放、SOD和CAT活性（來自圖4）。研究意義：ROS增加表明氧化應(yīng)激，SOD和CAT活性增強(qiáng)顯示系統(tǒng)抗氧化響應(yīng)，有助于減輕納米毒性。  

 

6. EPS組成數(shù)據(jù)：S-EPS、LB-EPS、TB-EPS中的PS和PN含量（來自圖5）。研究意義：TB-EPS中PN增加提供物理屏障和營(yíng)養(yǎng)，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)NPs的抵抗能力。  

 

結(jié)論

1. ZnO NPs對(duì)反硝化過程產(chǎn)生劑量依賴性抑制，降低TN去除效率和N2O排放，但對(duì)硝化過程影響不顯著。  

2. N2O排放減少與NO2-N積累正相關(guān)，且由于narG基因下調(diào)和nirK/nosZ、norB/nosZ轉(zhuǎn)錄比率降低，導(dǎo)致N2O還原增強(qiáng)。  

3. ZnO NPs釋放的Zn2+是毒性的主要來源，誘導(dǎo)ROS生成，但系統(tǒng)通過增強(qiáng)SOD和CAT活性以及增加TB-EPS中PN分泌來自我調(diào)節(jié)，減輕納米毒性。  

4. 系統(tǒng)具有潛在自我調(diào)節(jié)機(jī)制，包括抗氧化酶活性和EPS變化，以應(yīng)對(duì)ZnO NPs脅迫。  

 

使用丹麥Unisense電極的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量的N2O排放數(shù)據(jù)（圖1D）提供了高精度、實(shí)時(shí)的氣體N2O通量信息，研究意義包括：  

? 精準(zhǔn)量化N2O排放：電極直接測(cè)量氣體N2O濃度，避免了溶解相N2O的低估（溶解N2O僅占總量≤0.5%），確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。  

 

? 揭示劑量依賴性效應(yīng)：數(shù)據(jù)顯示1 mg/L ZnO NPs對(duì)N2O排放無顯著影響，而25和50 mg/L NPs分別降低排放10.7%和32.1%，直接證明NPs的抑制效應(yīng)。  

 

? 關(guān)聯(lián)過程機(jī)制：N2O排放峰值出現(xiàn)在好氧階段，與NO2-N積累同步（圖1B和1D），支持N2O主要來自硝化菌反硝化或羥胺氧化途徑，而非反硝化過程。  

 

? 支持基因表達(dá)結(jié)論：N2O排放減少與nosZ基因表達(dá)相對(duì)增強(qiáng)（nirK/nosZ和norB/nosZ比率降低）一致，驗(yàn)證了分子水平上的N2O還原機(jī)制。  

 

? 環(huán)境應(yīng)用價(jià)值：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有助于評(píng)估ZnO NPs在污水處理中的風(fēng)險(xiǎn)，為控制溫室氣體排放提供實(shí)踐指導(dǎo)。  

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)是關(guān)鍵證據(jù)，將N2O排放動(dòng)態(tài)與微生物過程和基因表達(dá)聯(lián)系起來，全面揭示了ZnO NPs對(duì)BNR系統(tǒng)的影響。