Insights into spatial effects of ceria nanoparticles on oxygen mass transfer in wastewater biofilms: Interfacial microstructure, in-situ microbial activity and metabolism regulation mechanism  

二氧化鈰納米顆粒對廢水生物膜氧傳質(zhì)空間效應(yīng)的深入解析：界面微觀結(jié)構(gòu)、原位微生物活性及代謝調(diào)控機(jī)制  

來源：Water Research, Volume 176, 2020, Article 115731

《水研究》第176卷，2020年，文章編號115731  

 

摘要

二氧化鈰納米顆粒（CeO? NPs）的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致其大量釋放至污水處理廠。廢水生物膜中的氧傳質(zhì)（MTO）對生物膜活性和凈化能力至關(guān)重要。本研究通過測定氣-液-生物膜三相中氧的空間分布、界面微觀結(jié)構(gòu)和原位微生物活性，揭示了CeO? NPs對廢水生物膜中MTO的影響及機(jī)制。暴露于1和10 mg/L CeO? NPs后，氣-液界面的氧傳質(zhì)系數(shù)（KLa）分別增加28.1%和75.3%，氣-液邊界層厚度減小，表明氣-液界面MTO增強(qiáng)。相反，液-生物膜界面MTO受到負(fù)面影響，邊界層厚度顯著增加，主要?dú)w因于生物膜表面更光滑和表面積差減小。在生物膜內(nèi)部，10 mg/L CeO? NPs抑制了微生物活性，但胞外聚合物（EPS）產(chǎn)量顯著提高，導(dǎo)致內(nèi)部有效擴(kuò)散系數(shù)（DB）下降35.0%，氧滲透深度減少300 μm。糖代謝關(guān)鍵酶的相對活性表明，Embden-Meyerhof途徑（EMP）向磷酸戊糖途徑（PPP）轉(zhuǎn)變，這可能促進(jìn)了EPS生成，從而增加了液-生物膜界面和生物膜內(nèi)部的傳質(zhì)阻力。這些結(jié)果拓展了納米顆粒暴露下廢水生物膜中營養(yǎng)物或污染物傳質(zhì)的知識。  

 

研究目的

探究CeO? NPs對廢水生物膜中氧傳質(zhì)過程（包括氣-液、液-生物膜界面及生物膜內(nèi)部）的空間影響，揭示其微觀機(jī)制（界面結(jié)構(gòu)、微生物活性和代謝調(diào)控），并評估NPs對生物膜功能及污水處理效率的潛在風(fēng)險(xiǎn)。  

 

研究思路

1 暴露實(shí)驗(yàn)：在序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）中培養(yǎng)異養(yǎng)生物膜，分別暴露于0（對照）、0.1、1和10 mg/L CeO? NPs 24小時(shí)。  

2 多尺度測量：  

   ? 使用Unisense微電極測定25個(gè)位點(diǎn)的氧濃度剖面，計(jì)算氣-液（LG-L）和液-生物膜（LL-B）邊界層厚度、氧滲透深度（LB）及有效擴(kuò)散系數(shù)（DG-L、DL-B、DB）。  

 

   ? 通過環(huán)境掃描電鏡（ESEM）和原子力顯微鏡（AFM）分析生物膜表面形貌、粗糙度（Rq）和表面積差（SAD）。  

 

   ? 采用熒光染色（RNA/DNA）、CLSM成像、ATP含量、脫氫酶活性（DHA）評估原位微生物活性和空間分布。  

 

   ? 測定EPS產(chǎn)量及糖代謝關(guān)鍵酶（HK、GAPDH、PK用于EMP；GPDH、PGDH用于PPP）活性，揭示代謝途徑轉(zhuǎn)變。  

 

3 機(jī)制整合：結(jié)合傳質(zhì)模型、微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和代謝指標(biāo)，解析CeO? NPs對三相傳質(zhì)的影響及微生物的適應(yīng)性調(diào)控機(jī)制。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 氧傳質(zhì)參數(shù)：邊界層厚度（LG-L、LL-B）、氧滲透深度（LB）、有效擴(kuò)散系數(shù)（DG-L、DL-B、DB）（來自圖1、2）。研究意義：量化CeO? NPs對三相傳質(zhì)效率的影響，證明氣-液界面?zhèn)髻|(zhì)增強(qiáng)（LG-L↓、DG-L↑）而液-生物膜界面及內(nèi)部傳質(zhì)減弱（LL-B↑、DB↓）。  

 

 

2 再曝氣曲線與KLa：氧濃度隨時(shí)間變化（圖3）。研究意義：直接驗(yàn)證CeO? NPs通過布朗運(yùn)動(dòng)和界面湍流提升氣-液傳質(zhì)速率（KLa增加75.3%）。  

 

3 表面微觀結(jié)構(gòu)：ESEM圖像顯示EPS分泌增多、孔隙減少；AFM圖像顯示表面光滑化、接觸電位差（LCPD）降低（圖4）。研究意義：解釋液-生物膜界面?zhèn)髻|(zhì)阻力增加的原因（SAD↓導(dǎo)致LL-B↑）。  

 

4 微生物活性：RNA/DNA比率下降（圖5a）、活性菌向表面遷移（圖5b）、ATP和DHA降低。研究意義：證實(shí)CeO? NPs抑制深層微生物活性，加劇氧傳質(zhì)限制。  

 

5 代謝酶活性：EMP途徑酶（HK、GAPDH、PK）活性抑制，PPP途徑酶（GPDH、PGDH）活性增強(qiáng)（圖6b）。研究意義：揭示代謝轉(zhuǎn)向PPP以生成更多NADPH（抗氧化）和EPS（防御機(jī)制），導(dǎo)致傳質(zhì)阻力增加。  

 

6 EPS產(chǎn)量：EPS含量顯著上升。研究意義：證明EPS增加是內(nèi)部傳質(zhì)阻力（DB↓）和界面光滑化的直接原因。  

 

結(jié)論

1 CeO? NPs通過布朗運(yùn)動(dòng)和界面湍流增強(qiáng)氣-液傳質(zhì)（KLa↑、LG-L↓），但通過誘導(dǎo)EPS分泌和表面光滑化抑制液-生物膜界面及內(nèi)部傳質(zhì)（LL-B↑、DB↓、LB↓）。  

2 微生物響應(yīng)機(jī)制包括：活性抑制（RNA/DNA↓、ATP↓）、代謝途徑從EMP向PPP轉(zhuǎn)變（產(chǎn)生更多NADPH和EPS），以抵御NPs毒性。  

3 EPS增加是傳質(zhì)阻力的主要來源，導(dǎo)致氧滲透深度減少300 μm，深層微生物缺氧。  

4 研究首次揭示了三相傳質(zhì)過程的納米效應(yīng)，為評估NPs在污水處理中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供了理論依據(jù)。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極測量的氧濃度剖面數(shù)據(jù)（圖1）是本研究的核心實(shí)驗(yàn)證據(jù)，其研究意義包括：  

1 高分辨率空間解析：通過25個(gè)位點(diǎn)的剖面測量（而非傳統(tǒng)3點(diǎn)），準(zhǔn)確捕捉了生物膜異質(zhì)性，避免了隨機(jī)誤差，提升了數(shù)據(jù)可靠性（NRMSE<10%）。  

2 定量傳質(zhì)參數(shù)：基于Fick定律和膜理論，計(jì)算了邊界層厚度（LG-L、LL-B）和擴(kuò)散系數(shù)（DG-L、DL-B、DB），直接量化CeO? NPs對三相傳質(zhì)的差異化影響（如10 mg/L NPs使LG-L減少592 μm但LL-B增加248 μm）。  

3 揭示限制區(qū)域：數(shù)據(jù)顯示生物膜內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)（DB）比邊界層低1-2數(shù)量級（DB≈10?1? m2/s），證明內(nèi)部傳質(zhì)是全局限速步驟；NPs暴露后DB進(jìn)一步下降35%，加劇了內(nèi)部傳質(zhì)限制。  

4 驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性：剖面數(shù)據(jù)用于校準(zhǔn)PROFILING軟件中的傳質(zhì)模型，使模擬值與實(shí)測值高度吻合（R2>0.99），為機(jī)制預(yù)測提供了可靠工具。  

5 關(guān)聯(lián)微生物活性：氧滲透深度（LB）減少300 μm與RNA/DNA比率下降、活性菌向表遷移（圖5b）直接對應(yīng)，證實(shí)NPs導(dǎo)致深層微生物缺氧和活性抑制。  

總之，Unisense數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了從宏觀傳質(zhì)效率到微觀擴(kuò)散機(jī)制的橋梁作用，為揭示CeO? NPs的生態(tài)效應(yīng)提供了原位、精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。