近些年來,隨著納米材料產(chǎn)量及應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大,人們開始逐漸關(guān)注其對人類健康及生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險。污水處理系統(tǒng)作為納米顆粒進(jìn)入天然環(huán)境的最后―屏障‖,其中所包含的大量微生物將可能直接暴露在納米顆粒下,進(jìn)而對污水生物處理效能產(chǎn)生影響。因此,本課題以目前使用量最大的納米材料類別——納米金屬氧化物為研究對象,考察了不同環(huán)境條件下厭氧顆粒污泥對納米金屬氧化物的吸附能力及吸附機(jī)制,綜合評價了不同納米金屬氧化物對厭氧顆粒污泥體系中各微生物功能群落的短期暴露毒性及長期累積影響,分析了厭氧顆粒污泥對不同納米金屬氧化物暴露的響應(yīng)機(jī)制。本課題對控制含納米金屬氧化物的污染物排放、處理含納米金屬氧化物廢水的污廢水處理設(shè)施的運行及管理具有現(xiàn)實意義及指導(dǎo)意義,并為深入研究納米金屬氧化物的環(huán)境風(fēng)險提供了重要的理論依據(jù)。通過序批試驗考察了環(huán)境因素的改變對厭氧顆粒污泥吸附納米TiO2的吸附能力的影響。結(jié)果顯示,污泥粒徑、p H值、生物量、溫度、納米TiO2初始濃度及離子強(qiáng)度等因素均能影響厭氧顆粒污泥對納米TiO2的吸附能力,其中p H值及離子強(qiáng)度對厭氧顆粒污泥的吸附性能的影響最大也更為復(fù)雜。厭氧顆粒污泥對納米TiO2的吸附并不能完全用DLVO理論解釋。在吸附影響因素試驗基礎(chǔ)上,確定了最佳試驗條件,建立了不同條件下厭氧顆粒污泥吸附納米TiO2的吸附等溫線模型、動力學(xué)模型并進(jìn)行了熱力學(xué)分析,并在模型擬合結(jié)果的基礎(chǔ)上,探討了厭氧顆粒污泥與納米TiO2的相互作用機(jī)制。結(jié)果顯示,厭氧顆粒污泥對納米TiO2的吸附過程以單層化學(xué)吸附為主,但同時也具有多相吸附表面。厭氧顆粒污泥對納米TiO2的吸附過程可分成四步:(1)表面形成吸附空間;(2)納米TiO2顆粒向厭氧顆粒污泥表面的遷移;(3)TiOH與顆粒污泥表面羥基及羧基通過氫鍵形成外層配位體;(4)Ti與羧基進(jìn)一步形成內(nèi)層絡(luò)合物。采用了短期突然暴露的試驗評價方法,綜合評價了在不同濃度的典型納米金屬氧化物(納米TiO2、納米ZnO和納米CuO)及其對應(yīng)的金屬離子對厭氧顆粒污泥中各微生物功能菌群代謝能力的影響,及胞外聚合物(EPS)在厭氧顆粒污泥對抗納米金屬氧化物突然暴露時的具體作用,系統(tǒng)闡述了納米金屬氧化物對微生物種群的影響及其毒性作用機(jī)制。結(jié)果顯示,在產(chǎn)酸階段中,高濃度納米ZnO(50 mg/L)及所有試驗濃度下的納米CuO對產(chǎn)酸均有不利影響。納米金屬氧化物的暴露能降低產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段的產(chǎn)氫速率并延長遲滯時間。PCR-DGGE分析表明產(chǎn)氫性能上的差異來自于納米金屬氧化物能顯著改變厭氧顆粒污泥中微生物群落的結(jié)構(gòu)及多樣性。嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌對納米金屬氧化物的暴露更敏感。厭氧顆粒污泥獨特的層狀結(jié)構(gòu)、納米顆粒主要在顆粒污泥外層堆積的特性及厭氧顆粒污泥內(nèi)部微生物互營關(guān)系的建立共同決定了厭氧消化產(chǎn)烷過程與單獨考慮產(chǎn)甲烷階段相比更能有效抵御納米金屬氧化物的突然暴露。納米TiO2能通過“物理屏蔽”阻礙產(chǎn)酸菌對營養(yǎng)物質(zhì)的攝入;納米ZnO的影響主要來源于其所釋放的Zn2+對厭氧消化過程各關(guān)鍵酶活性的影響;而納米CuO可破壞污泥中微生物細(xì)胞細(xì)胞膜的完整性。EPS中的蛋白類物質(zhì)在應(yīng)對納米金屬氧化物暴露的防御機(jī)制里能起到至關(guān)重要的作用。200 mg/L的納米TiO2的暴露可使產(chǎn)烷古菌及其中Methanosaeta的豐度分別提高62.08%和61.46%;納米ZnO和納米CuO的脅迫(200 mg/L)則分別使古菌中Methanosarcina和Methanobacteriales的豐度升高到41.34%和32.57%�？疾炝说湫图{米金屬氧化物(納米TiO2、納米ZnO及納米CuO)對厭氧反應(yīng)器處理效能及運行穩(wěn)定性的長期累積影響(90 d),評估了納米金屬氧化物在污水厭氧處理過程的歸趨,并結(jié)合高通量焦磷酸測序技術(shù)分析了不同納米金屬氧化物長期影響下,厭氧顆粒污泥中微生物菌群結(jié)構(gòu)及生態(tài)多樣性的變化。結(jié)果顯示,小劑量(5 mg/L)累積投加的納米金屬氧化物會在“遲緩期”過后才對厭氧反應(yīng)器的運行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。納米TiO2的長期暴露對反應(yīng)器運行所產(chǎn)生的不利影響很可能是因為產(chǎn)酸菌代謝速率的降低導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌長期無法獲得足夠的底物。除了細(xì)胞膜擾動外,納米ZnO和納米CuO對厭氧顆粒污泥的長期毒性還可能來自于活性氧自由基(ROS)及重金屬離子在污泥層中的積累。絕大多數(shù)納米金屬氧化物均被截留在了反應(yīng)器中。納米TiO2的長期暴露后污泥中真細(xì)菌及古菌的OUT數(shù)量可分別達(dá)到361及199,說明納米TiO2能顯著提高污泥物種的豐富度;產(chǎn)酸菌OUT的數(shù)量增加到335及產(chǎn)甲烷古菌OUT數(shù)量降低至115則說明納米ZnO在污泥中的累積僅能夠抑制產(chǎn)烷古菌的生物多樣性;而納米CuO的長期脅迫則能同時顯著降低厭氧體系內(nèi)真細(xì)菌及古菌的生物多樣性,OUT數(shù)量分別降低到了204和40。各污泥樣本中真細(xì)菌及古菌的群落差異性巨大,表明不同納米金屬氧化物長期作用將誘導(dǎo)不同的厭氧微生物在厭氧顆粒污泥中定殖進(jìn)而發(fā)展出不同的種群動態(tài),進(jìn)而使真細(xì)菌及古菌的優(yōu)勢群落在各生物學(xué)分類水平上均有巨大差異。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

圖 1- 1 與納米顆粒有關(guān)的不同粒徑等級1- 1 Definitions of different size classes relevant for nan夠通過 0.45μm 膜的顆粒即被界定為可溶解則被認(rèn)為是膠體 可見，這一尺寸范圍是與納物質(zhì) 膠體和顆粒物之間的分離方法要求能區(qū)

圖 1- 2 納米金屬氧化物可能的環(huán)境釋放途徑 1- 2 The environment integrating all possible metal oxide NPs屬氧化物在環(huán)境中的分布及穩(wěn)定性氧化物的環(huán)境風(fēng)險很大程度上可由進(jìn)入環(huán)境后納米

圖 1- 3 環(huán)境中納米金屬氧化物的主要遷移途徑[19]igure 1- 3 Most important pathways involving metal oxide NPs in the environm，含有納米金屬氧化物的產(chǎn)品進(jìn)入環(huán)境后，納米顆�？赡軓漠a(chǎn)此，釋放前能夠影響含納米顆粒商品的分布及遷移行為的環(huán)境納米顆粒釋放后對其產(chǎn)生影響，進(jìn)而可能導(dǎo)致納米顆粒的形態(tài)

本文編號：2880559