银纳米颗粒与聚氯乙烯微塑料对废水处理系统中氨氧化微生物的单一及联合效应研究

本综述深入探讨了银纳米颗粒（AgNPs）和聚氯乙烯微塑料（PVC MPs）对废水处理系统中关键微生物——氨氧化微生物（AOMs）的活性及丰度的单一与联合效应。研究揭示了AgNPs的浓度依赖性毒性，以及不同AOMs群体（AOA、AOB、comammox）的差异性耐受机制，并首次发现预处理沉降的PVC MPs能有效缓解AgNPs的毒性，为评估新兴污染物对水处理系统氮去除效率的生态风险提供了重要科学依据。

　　

引言

氨氧化是硝化过程的核心步骤，将氨（NH₃）转化为亚硝酸盐（NO₂^?），这一转化对于废水处理中的氮去除至关重要。新兴污染物如银纳米颗粒（AgNPs）和微塑料（MPs）存在于废水中，可能破坏氨氧化过程，对生态系统和人类健康构成风险。AgNPs因其强抗菌特性被广泛用于消费品和医疗产品，而MPs则源于塑料废物的分解。随着其生产和使用的持续增加，这些污染物不可避免地进入水资源回收设施（WRRFs）。AgNPs和MPs均被报道对氨氧化微生物（AOMs）产生负面影响，但其联合效应及对不同AOMs群体的影响尚不完全清楚。

材料与方法

研究使用从工业区和市政废水处理厂混合的硝化污泥，在连续流模式的硝化反应器中培养。AgNPs购自Prime Nanotechnology Co., Ltd.，尺寸范围为5-20 nm，以可溶性淀粉包被的胶体形式存在。PVC MPs由新购买的蓝色PVC水管研磨而成，尺寸范围为106-500 μm。微宇宙实验在150 mL锥形瓶中进行，接种硝化污泥至最终浓度100 mg MLSS/L，添加NH₄Cl至40 mgN/L，pH维持在7.5。AgNPs浓度设置为0、0.1、0.5、1、2.5、5和10 mg/L，PVC MPs浓度为500 mg/L。实验分为AgNPs单独作用、PVC MPs单独作用及两者联合作用组，并设置正负对照。氨氧化速率通过测定总氨氮（TAN）浓度随时间变化计算，AOMs的amoA基因丰度通过定量PCR（qPCR）测定。

结果与讨论

AgNPs对氨氧化的抑制

AgNPs表现出浓度依赖性毒性。0.1 mg/L AgNPs未观察到抑制效应，0.5和1.0 mg/L AgNPs部分抑制氨氧化（抑制率分别为59.8%和80.5%），而2.5、5.0和10 mg/L AgNPs则导致近乎完全抑制（≥90%）。正对照的氨氧化速率为20.1 mgN/L/天，0.1 mg/L组为21.2 mgN/L/天（-5.8%抑制），表明该浓度下无毒性效应。较高浓度下的抑制与先前研究一致，但抑制程度因操作模式和环境因素差异而有所不同。

AgNPs对AOMs的抑制

qPCR分析揭示了不同AOM群体对AgNPs的差异性耐受。氨氧化细菌（AOB）在1 mg/L及以下浓度表现出良好耐受性，其amoA基因数量在0、0.1、0.5和1 mg/L组均显著增加。然而，在2.5、5和10 mg/L组，AOB的amoA基因数量出现0.67至1.22的对数减少。完全氨氧化菌（comammox）对AgNPs最为敏感，在0.5 mg/L及以上浓度即出现≥0.99对数减少的显著下降。氨氧化古菌（AOA）则表现出更高的耐受性，在所有测试浓度下amoA基因减少均小于0.61对数，且在2.5-10 mg/L高浓度范围内耐受性优于AOB。这种差异性可能与古菌和细菌细胞膜结构差异有关：古菌细胞膜含有醚键、高度甲基化的异戊二烯链和四醚脂质，通透性较低，从而对AgNPs毒性更具抵抗力。而comammox与AOB虽同属细菌，但属于不同属，其生理特性可能导致对AgNPs敏感性的差异。

AgNPs与PVC MPs的联合抑制

PVC MPs单独作用（500 mg/L）对氨氧化活性和AOMsamoA基因数量均无显著影响。然而，当与AgNPs（0.5 mg/L）联合时，观察到有趣的相互作用：预先沉降7天的PVC MPs（模拟老化MPs）能够减轻AgNPs的毒性，使氨氧化抑制率从AgNPs单独组的39.9%降至23.9%；而初始漂浮的PVC MPs则无此缓解效应（抑制率42.9%）。在基因水平上，comammox在所有含AgNPs的微宇宙中均出现0.35-0.49对数减少，再次证实其敏感性；AOA在AgNPs单独组和AgNPs+漂浮MPs组出现0.27-0.40对数减少，但在AgNPs+沉降MPs组仅减少0.02对数，表明预处理MPs可能保护了AOA免受AgNPs毒性。

这种保护机制可能源于PVC MPs对AgNPs的吸附作用。PVC作为强极性聚合物，其表面的氯原子可能通过静电作用吸附AgNPs或Ag⁺离子，从而减少其生物可利用性。在7天预沉降期间，无机介质中的阳离子（如Na⁺、Ca²⁺、K⁺）可能与PVC相互作用，使溶液中阴离子（如Cl^?、SO₄^2?）更易与Ag⁺形成低毒性复合物。此外，MPs表面性质在预处理过程中可能发生改变，增强其与AgNPs的相互作用（如通过范德华力或孔隙填充），但具体机制仍需进一步研究。

结论

本研究系统评估了AgNPs和PVC MPs对废水处理系统中氨氧化过程及微生物群落的单一与联合效应。主要结论包括：AgNPs对氨氧化具有浓度依赖性抑制，comammox是最敏感的AOM群体，AOB在低浓度下耐受但高浓度下受损，AOA则表现出最强耐受性；PVC MPs单独作用无显著毒性，但预处理沉降后的PVC MPs能有效缓解AgNPs的毒性，这可能通过吸附AgNPs或改变其生物可利用性实现。这些发现为理解新兴污染物对水处理系统氮循环的影响提供了重要见解，对评估其生态风险及优化污水处理工艺具有指导意义。未来研究应关注环境相关浓度下的效应、comammox敏感性的内在机制、MPs与AgNPs相互作用的详细 forces，以及实际废水基质中的行为。