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Insights into chronic zinc oxide nanoparticle stress responses of biological nitrogen removal system with nitrous oxide emission and its recovery potential
一氧化二氮排放生物脫氮系統(tǒng)慢性氧化鋅納米顆粒脅迫反應(yīng)及其回收潛力研究
來(lái)源：Bioresource Technology 327 (2021) 124797
一、摘要概述
本研究通過(guò)380天序批式反應(yīng)器（SBR）實(shí)驗(yàn)，探究了氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）慢性脅迫（1 mg/L和10 mg/L）對(duì)生物脫氮（BNR）系統(tǒng)性能、N?O排放及系統(tǒng)自恢復(fù)潛力的影響。結(jié)果表明：
劑量依賴性抑制：10 mg/L ZnO NPs顯著抑制氨氮（NH??-N）和總氮（TN）去除效率（分別降至7.7%和156.2%對(duì)照組水平），并降低N?O排放通量62.4%（圖1D，表1）。
N?O減排機(jī)制：ZnO NPs通過(guò)抑制異養(yǎng)反硝化（HD）途徑（貢獻(xiàn)率從36.1%降至12.5%）和降低關(guān)鍵酶活性比（NIR/NOS、NOR/NOS）減少N?O生成（圖2，表2）。
恢復(fù)期異常：停止ZnO NPs暴露后，脫氮效率恢復(fù)至對(duì)照組水平（NH??-N: 98.7%, TN: 81.7%），但N?O排放因子升至13.1%（對(duì)照組5.3%），主要因亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性不可逆抑制導(dǎo)致亞硝酸鹽（NO??）積累（圖1B）。
二、研究目的
評(píng)估慢性ZnO NPs脅迫對(duì)BNR系統(tǒng)的影響：量化其對(duì)脫氮效率、N?O排放及微生物功能的劑量效應(yīng)。
揭示N?O排放機(jī)制：解析ZnO NPs如何通過(guò)干擾電子傳遞鏈（ETC）和葡萄糖代謝影響N?O生成與消耗。
探索系統(tǒng)恢復(fù)潛力：驗(yàn)證停止ZnO NPs暴露后BNR功能的自恢復(fù)能力及遺留問(wèn)題。
三、研究思路
1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
SBR運(yùn)行：采用8小時(shí)周期（缺氧/好氧階段），處理實(shí)際市政污水（圖未提供，見(jiàn)2.2節(jié)）。
暴露階段：分三階段添加ZnO NPs（0→1→10 mg/L，共120天）。
恢復(fù)階段：停止添加ZnO NPs（60天）。
監(jiān)測(cè)指標(biāo)：NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN去除率；N?O排放通量；溶解性Zn2?濃度（圖6）。
2. 機(jī)制解析方法
酶活性與基因豐度：檢測(cè)AMO、NXR等6種BNR相關(guān)酶活性及amoA、nxrA等基因豐度（圖3）。
代謝途徑分析：測(cè)定葡萄糖代謝關(guān)鍵酶（GK、PFK等）活性和電子傳遞鏈（ETC）功能（圖4）。
微生物群落：高通量測(cè)序分析菌群結(jié)構(gòu)變化（圖5）。
N?O路徑貢獻(xiàn)：批次實(shí)驗(yàn)區(qū)分異養(yǎng)反硝化（HD）與硝化驅(qū)動(dòng)（ND+NN）的N?O生成比例（圖2B）。
四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義
1. 脫氮性能與N?O排放（圖1, 表1）
數(shù)據(jù)：
10 mg/L ZnO NPs使TN去除率降至42.3%（對(duì)照組79.5%），N?O排放因子降至2.3%（對(duì)照組5.3%）。
恢復(fù)期TN去除率恢復(fù)至81.7%，但N?O排放因子升至13.1%。
意義：揭示ZnO NPs對(duì)脫氮功能的可逆抑制及對(duì)N?O排放的長(zhǎng)期負(fù)面影響，為污水處理廠應(yīng)對(duì)納米顆粒污染提供預(yù)警。
來(lái)源：圖1（氮轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)）、表1（N?O排放數(shù)據(jù)）。
2. 酶活性與基因表達(dá)（圖3）
數(shù)據(jù)：
10 mg/L ZnO NPs抑制NXR活性98.3%、nosZ基因豐度97.2%。
恢復(fù)期nxrA基因豐度未恢復(fù)（仍低于對(duì)照組97.6%）。
意義：證實(shí)NOB（如Nitrospira）活性不可逆損傷是恢復(fù)期NO??積累和N?O升高的主因。
來(lái)源：圖3B（酶活性）、圖3C（基因豐度）。
3. 代謝與電子傳遞抑制（圖4）
數(shù)據(jù)：
10 mg/L ZnO NPs抑制葡萄糖代謝酶（GAPDH: 84.6%；SDH: 72.8%）和ETC活性（74.0%）。
NADH濃度降低65.7%，導(dǎo)致電子供體不足。
意義：闡明ZnO NPs通過(guò)破壞微生物能量代謝和電子傳遞，抑制反硝化及N?O還原（NOS活性）。
來(lái)源：圖4B（酶活性變化）。
4. 微生物群落演變（圖5）
數(shù)據(jù)：
10 mg/L ZnO NPs使反硝化菌（如Thauera）豐度降至0%，Shannon指數(shù)從4.8降至2.6。
恢復(fù)期菌群多樣性部分恢復(fù)，但NOB未檢出。
意義：微生物功能冗余支撐脫氮功能恢復(fù)，但NOB功能喪失導(dǎo)致"亞硝酸鹽短路"（nitrite-shunt）路徑主導(dǎo)。
來(lái)源：圖5A（門水平群落）、圖5B（屬水平關(guān)鍵菌群）。
五、結(jié)論
慢性抑制機(jī)制：ZnO NPs通過(guò)抑制葡萄糖代謝關(guān)鍵酶（如GAPDH）和ETC功能，減少電子供體（NADH），降低反硝化活性和NOS介導(dǎo)的N?O還原。
恢復(fù)期矛盾：脫氮效率可恢復(fù)，但因NOB（Nitrospira）活性不可逆喪失，NO??積累導(dǎo)致HD途徑N?O排放激增。
工程啟示：需關(guān)注ZnO NPs污染后恢復(fù)期的N?O排放風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)發(fā)NOB活性修復(fù)策略。
六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀
1. 技術(shù)原理與應(yīng)用
測(cè)量指標(biāo)：Unisense N?O微電極（型號(hào)N?O-NP®）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣相N?O濃度（2.7節(jié)）。
數(shù)據(jù)特點(diǎn)：高精度捕捉SBR好氧階段的N?O排放動(dòng)態(tài)（秒級(jí)分辨率），區(qū)分周期內(nèi)排放峰值（圖1D）。
2. 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義
N?O排放規(guī)律：
好氧期N?O通量呈單峰曲線（圖1D），印證硝化驅(qū)動(dòng)（ND+NN）為主要排放途徑（貢獻(xiàn)63.9%）。
恢復(fù)期峰值通量達(dá)6.40 mg（對(duì)照組2.55 mg），直接量化"亞硝酸鹽積累→HD途徑N?O激增"現(xiàn)象。
機(jī)制驗(yàn)證：
結(jié)合批次實(shí)驗(yàn)（圖2B），明確恢復(fù)期N?O升高源于HD途徑貢獻(xiàn)升至80.9%（對(duì)照組36.1%）。
關(guān)聯(lián)酶活性數(shù)據(jù)（NOS抑制69.7%），證實(shí)電子供體不足削弱N?O還原能力。
環(huán)境意義：
首次量化ZnO NPs脅迫后恢復(fù)期的N?O排放因子（13.1%），為污水處理廠碳足跡評(píng)估提供關(guān)鍵參數(shù)。
揭示"脫氮效率恢復(fù)≠排放風(fēng)險(xiǎn)消除"的悖論，警示納米顆粒污染后需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)N?O。
3. 行業(yè)價(jià)值
精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)：Unisense電極的高頻數(shù)據(jù)優(yōu)于傳統(tǒng)GC分析，適用于瞬態(tài)N?O排放研究（如SBR周期變化）。
工藝優(yōu)化：實(shí)時(shí)N?O數(shù)據(jù)可反饋調(diào)節(jié)曝氣策略（如好氧期DO控制），抑制ND途徑N?O生成。
政策支撐：為IPCC污水處理溫室氣體清單提供本土化排放因子（如恢復(fù)期超高N?O數(shù)據(jù)）。
總結(jié)
本研究通過(guò)Unisense電極等多維數(shù)據(jù)，揭示ZnO NPs慢性脅迫通過(guò)抑制電子傳遞與代謝酶活性降低脫氮效率與N?O排放，而恢復(fù)期因NOB功能喪失引發(fā)"亞硝酸鹽短路"，導(dǎo)致HD途徑N?O排放激增。未來(lái)需開(kāi)發(fā)NOB活性修復(fù)技術(shù)（如生物強(qiáng)化）以平衡脫氮效率與減排目標(biāo)。