从表面截留到生物量淘洗：氧化铜纳米颗粒对好氧颗粒化的合成途径依赖性效应

《Journal of Hazardous Materials Advances》：From surface retention to biomass washout: Synthesis-dependent effects of copper oxide nanoparticles on aerobic granulation

　　

好氧颗粒污泥（AGS）系统可能接触废水中的氧化铜纳米颗粒（CuO NPs），然而纳米颗粒合成途径在颗粒形成与成熟过程中的作用仍不明确。本研究在65天的好氧颗粒污泥反应器运行中，以等效的名义总铜负荷，比较了化学合成CuO NPs（cCuO NPs）与真菌来源生物合成CuO NPs（bCuO NPs）的影响。对照反应器和cCuO反应器在第35天达到基于尺寸的颗粒化，而bCuO反应器在第28天即超过颗粒化阈值，但形成的却是丝状菌连接的聚集体，而非致密的成熟颗粒。cCuO投加反应器仅在沉降性和生物量截留方面表现出中度恶化，而bCuO投加反应器的5分钟沉降污泥体积指数（SVI₅）达到149.4 mL/g，混合液悬浮固体（MLSS）浓度为4.57 g/L。胞外聚合物（EPS）分析表明，cCuO基本保留了富含蛋白质的紧密结合基质，而bCuO暴露则与松散结合多糖的富集和紧密结合蛋白的耗竭相关，这与水合但内聚力较弱的结构一致。过滤后出水中Cu浓度在cCuO条件下为0.13–0.15 mg/L，在bCuO条件下为0.36–0.41 mg/L。在R3中，最终氨氮（NH₄⁺-N）和磷酸盐磷（PO₄^3--P）去除效率分别降至81.7%和47.7%，而对照分别为99.5%和85.7%。多变量模式和反应器内相关性一致表明，在bCuO投加反应器中，生物量结构、EPS组织和处理性能之间的解耦最为显著。这些结果表明，合成途径依赖的CuO归趋可影响AGS的发育和功能稳定性。

**论文解读：合成途径依赖的氧化铜纳米颗粒对好氧颗粒污泥形成与稳定的影响**

**1. 研究背景与科学问题**

好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）技术因其致密的自固定化聚集体结构，具有沉降速度快、生物量截留能力强、占地面积小（较传统活性污泥减少可达75%）及能耗低（降低50–63%）等优势，已成为污水生物处理领域的重要替代技术。截至2025年，Nereda?工艺已在全球超过140座污水处理厂实现工程应用，标志着AGS技术的实践成熟度。然而，颗粒化过程通常需要25–35天以上，且易受沉降压力、 feast-famine 条件、剪切强度、有机负荷及毒性进水化合物等因素干扰。胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS），尤其是其中的蛋白质（Protein, PN）与多糖（Polysaccharide, PS），在颗粒形成中发挥核心作用，介导微生物粘附、聚集体内聚力、表面相互作用及对毒物的抵抗。

铜氧化物纳米颗粒（Copper Oxide Nanoparticles, CuO NPs）因广谱抗菌、催化、电子、涂层及农业应用而被大量生产和使用，其全球产量从2010年的200吨增长至2014年的570吨，预计2025年达1600吨。CuO NPs可通过多种途径进入污水系统，在污水处理厂中经历聚集、沉降、生物吸附、溶解及污泥蓄积等过程。已有研究多采用预成型颗粒污泥考察CuO NPs的影响，且主要关注化学合成纳米颗粒，对于颗粒形成早期及成熟过程中纳米颗粒合成途径的差异化效应尚缺乏直接比较。化学合成与真菌介导生物合成路线可赋予纳米颗粒不同的粒径、表面电荷、聚集行为及表面有机组分，进而影响其溶解性、胶体稳定性、与污泥固体的结合以及微生物实际暴露水平。因此，在等效名义总铜负荷下，不同合成途径的CuO NPs是否会导致AGS发育轨迹和功能稳定性的显著差异，是一个亟待解析的科学问题。

**2. 研究目的与总体设计**

本研究旨在直接比较化学合成CuO NPs（cCuO NPs）与真菌（Chaetomium globosum SZMC 22478）介导生物合成CuO NPs（bCuO NPs）在AGS形成与成熟过程中的影响。研究采用三组平行的序批式反应器（Sequencing Batch Reactors, SBRs）：R1为无纳米颗粒对照，R2投加1.0 mg/L cCuO NPs，R3投加1.2 mg/L bCuO NPs（经电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）校准至与R2相同的名义总铜负荷）。反应器运行65天，通过逐步缩短沉降时间施加选择压，驱动颗粒化进程。研究假设：制备依赖的Cu迁移性和污泥结合差异将导致不同的EPS响应和颗粒化轨迹，其中更高的Cu迁移性与更强的结构失稳和生物量淘洗相关。

**3. 主要技术方法**

研究采用多项表征与分析方法。纳米颗粒表征包括X射线衍射（XRD）测定晶相，扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）观察形貌及表面元素组成，动态光散射（DLS）和电泳光散射测定水合粒径与ζ电位，ICP-OES测定总铜含量及水相Cu释放。反应器运行采用1.4 L工作体积、高径比7的SBR，水力停留时间（HRT）为8 h，名义污泥停留时间（SRT）约21天。污泥特征分析包括MLSS、挥发性悬浮固体（MLVSS）、SVI₅，EPS通过热提取分为松散结合EPS（LB-EPS）和紧密结合EPS（TB-EPS），采用改良Lowry法和Anthrone法分别测定PN和PS。颗粒粒径分布通过湿筛分（0.2–1 mm筛系列）测定，傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于表征EPS官能团，SEM用于颗粒形态观察。微生物活性通过比氨氮摄取速率（SAUR）、比亚硝酸盐摄取速率（SNIUR）、比硝酸盐摄取速率（SNUR）和比磷摄取速率（SPUR）评估。多变量模式采用主坐标分析（PCoA）和反应器内Pearson相关性分析。需注意，各条件仅设单一反应器，三次重复为分析/子采样重复，统计学解释限于样本内分析变异性。

**4. 研究结果**

**4.1 纳米颗粒理化特性差异**

XRD分析显示cCuO为单斜黑铜矿相，bCuO主要为结晶CuO但可能含微量Cu₂O相。EDS表明bCuO表面检测到N和P，提示存在真菌来源的表面生物分子。cCuO水合粒径为46.8 nm，ζ电位为?18.31 mV；bCuO水合粒径为59.6 nm，ζ电位为?12.80 mV，表明bCuO更易聚集。此外，在合成废水中悬浮24 h后，bCuO产生的操作定义水相Cu浓度（1 mg/L和10 mg/L名义浓度下分别为0.21和0.43 mg/L）约为cCuO（0.07和0.17 mg/L）的3.0和2.5倍，表明bCuO具有更高的Cu迁移性。

**4.2 生物量截留与沉降性**

运行期间，R1和R2的MLSS逐渐恢复并最终达到5.81和5.78 g/L，而R3仅达4.57 g/L。最终MLVSS在R1和R2为5.14和5.03 g/L，R3仅3.96 g/L，但MLVSS/MLSS比在各反应器间无显著差异（0.86–0.88）。SVI₅方面，R1稳定于22.06 mL/g，R2在第42天后升至53.26 mL/g，R3则急剧升高至149.36 mL/g，表明bCuO暴露导致严重的泥水分离恶化和弱聚集体稳定性。

**4.3 颗粒粒径发展与表面元素组成**

基于粒径>0.2 mm为颗粒化标准，R1和R2均在第35天达到颗粒化（颗粒分数分别为59.5%和53.5%），但R2的粒径分布偏向较小颗粒（0.2–0.4 mm占41.2%）。R3在第28天即超过颗粒化阈值（55.0%），第35天达82.5%，但大颗粒主要与丝状菌连接有关，形成松散、低密度结构。第65天R3粒径分布呈强双峰型：<0.2 mm部分增至48.5%，>1 mm部分仍占23.9%。表面EDS显示R2的C（55.8 at.%）、N（9.1 at.%）、P（1.7 at.%）和Cu（0.35 at.%）均高于R1和R3，表明cCuO衍生物质更强烈地结合于颗粒表面。

**4.4 颗粒形态与FTIR特征**

SEM显示R1形成致密近球形颗粒，表面可见柄纤毛虫，细胞嵌于连续EPS基质中。R2颗粒较小、偏卵形，表面异质，缺乏连续聚合物涂层，但有少量丝状生长。R3则以大量丝状结构（形态类似菌丝）为主的不规则大聚集体为主。FTIR谱图中，2924、1652和1078 cm^-1处条带（分别对应脂肪族C–H、酰胺I C=O、多糖C–O–C/C–O）在R1和R2中较初始污泥显著增强，而在R3中较弱，表明R3的颗粒增大主要靠丝状桥接而非致密的蛋白-多糖基质。

**4.5 EPS响应与官能团变化**

总EPS从初始的15.8 mg/g MLVSS持续增至R1第65天的123.2 mg/g MLVSS，其中TB-EPS（尤其TB-PN）占主导（TB-PN/PS比为1.9）。R2呈双相响应：第35天总EPS达102.3 mg/g MLVSS（略高于R1的96.5 mg/g），随后降至91.1 mg/g，但TB-PN/PS比仍达2.7。R3总EPS最低（85.8 mg/g MLVSS），且LB-EPS占主导，最终LB-PS、LB-PN、TB-PS、TB-PN分别为31.2、14.5、15.8、24.3 mg/g MLVSS，LB-PN/PS比仅0.5，TB-PN含量有限。FTIR分析显示，R3的LB-EPS酰胺I条带（1643 cm^-1）很弱，TB-EPS羧基/羟基相关条带（1396 cm^-1）在CuO暴露组减弱，且R3的TB-EPS中出现621 cm^-1附近的Cu–O振动信号，提示CuO衍生物渗入紧密结合基质。

**4.6 污水处理性能与微生物活性**

NH₄⁺-N去除率最终在R1达99.5%，R2约92%，R3仅81.7%。SAUR在各反应器间无显著差异（21.3–22.1 mg N/(g MLVSS·h)），表明R3的硝化恶化主要源于硝化菌淘洗和生物量截留不足，而非氨氧化活性抑制。NO₂^--N最终浓度R1、R2、R3分别为1.6、5.4、7.1 mg/L，SNIUR无显著差异。NO₃^--N在R3达21.6 mg/L，而R1和R2约4 mg/L，SNUR相当，提示R3硝酸盐积累与丝状开放结构减弱了缺氧微环境有关。PO₄^3--P去除率R1为85.7%，R2为71.0%，R3仅47.7%。SPUR在R3显著降低（10.2 mg P/(g MLVSS·h)），R1和R2分别为12.9和12.6 mg P/(g MLVSS·h)，表明bCuO暴露同时降低了磷累积生物量及其比活性。出水Cu浓度在R2为0.13–0.15 mg/L，R3为0.36–0.41 mg/L，约为R2的2.5–3.0倍。

**4.7 多变量综合评估**

PCoA显示从第21天起R3即与R1和R2分离，第65天时R3仍最独特。反应器内Pearson相关分析表明，R1中MLSS、颗粒尺寸、EPS组分与营养物去除呈正相关，SVI₅为负相关，显示协同发展。R2中PO₄^3--P去除与MLSS、颗粒尺寸和TB-EPS的相关性减弱，提示部分解耦。R3中MLSS与恶化指标呈负相关，EPS、颗粒尺寸和营养物去除间关系弱或不一致，表明颗粒增大与功能性成熟完全脱节。

**4.8 机理阐释**

研究提出，cCuO因表面结合较强，主要形成表面关联型Cu暴露，外层EPS可部分缓冲毒性，但持续的表面应激限制了颗粒向致密大颗粒的转变。bCuO因水相Cu分数更高，导致LB-PS富集、TB-PN耗竭，EPS基质水合且内聚力弱，丝状菌大量增殖形成表观大而松散的聚集体，在短沉降时间下引发生物量淘洗，并因缺氧微环境减少而削弱反硝化，同时通过降低磷积累菌生物量和SPUR双重途径损害除磷。但研究也指出，由于未进行完整Cu质量平衡和形态分析，各Cu形态贡献无法分辨；且两种制备方法后处理条件不同（cCuO经650°C煅烧，bCuO仅80°C干燥），结论应限于所比较的具体制备体系，不能泛化为化学合成与生物合成CuO的整体类别。

**5. 研究结论**

本研究表明，等效名义Cu负荷在AGS形成和成熟过程中并未产生等效反应器响应。cCuO主要引起温和的表面相关胁迫：最终SVI₅升至53.3 mL/g，但MLSS保持5.78 g/L，生物量比活性基本保持。相比之下，bCuO投加反应器出现显著更严重的恶化：SVI₅升至149.4 mL/g，MLSS降至4.57 g/L，丝状关联、沉降性差的聚集体占主导；同时出现LB-PS富集和TB-PN耗竭，对应水合但弱内聚的EPS基质；出水Cu达0.36–0.41 mg/L（R2为0.13–0.15 mg/L）；NH₄⁺-N和PO₄^3--P去除率分别降至81.7%和47.7%。总体而言，cCuO主要限制颗粒成熟，而bCuO暴露与不稳定丝状聚集、生物量淘洗和更广泛的功能恶化相关联。因此，AGS系统的CuO风险评估应考虑制备依赖的溶解性、迁移性、污泥截留和EPS重构差异，而非仅依据名义纳米颗粒或总Cu浓度。