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三氯生与纳米铜对污泥好氧硝化的影响及零价铁改善生物脱氮的研究

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目前，新型污染物（如纳米颗粒、PPCPs）的大量使用，当其释放至环境中时可能对环境产生不良影响，纳米材料与 PPCPs 在使用过程中会释放至污水，当二者同时进入污水处理厂时，难免发生交互作用，而硝化细菌极易受到有毒物质影响，从而影响污水处理厂的脱氮效果。因此，有必要研究纳米颗粒与 PPCPs 对污泥硝化作用的影响，包括单一污染物的影响及污染物的复合影响，并对出现的硝化抑制影响进行削减研究。 本课题研究了三氯生（TCS）、纳米铜（CuNPs）及二者同时暴露时对于污泥硝化系统（Sludge组）的短期及长期影响，同时探究了引入零价铁的污泥硝化系统（Sludge-Fe组）硝化效果的改善，并从污泥的理化形态变化、酶活性改变、关键基因的丰度变化及微生物种群角度对作用机理进行了深入探究。主要结论如下： （1 ）短期暴露中，COD 去除效率及硝化能力表现为空白组>CuNPs 组>复合组≈TCS 组，零价铁对于污泥的硝化作用改善效果不明显；长期暴露中，CuNPs组及复合组对硝化速率、同化作用均有显著抑制，TCS对其无明显影响。零价铁的添加使硝化效果与硝化反应速率均得到明显提升。由于在硝化过程中同时有一定程度的TN去除效果，且Sludge-Fe组的去除效率显著高于Sludge组，进一步从比生长速率、比耗氧速率方面验证了Sludge组的TN去除主要是同化作用引起，而Sludge-Fe组TN去除率大幅提升的主要贡献为同步硝化反硝化作用。 （2）污染物的暴露使Sludge组中污泥的沉降性能不同程度的变差，且污泥结构也变得更松散。引入零价铁后，污泥的沉降性能均得到改善。另外，TCS组中污泥表面具有良好的形态结构，CuNPs及复合暴露时污泥表面呈现出一定的破损，完整性较差。引入零价铁后，污泥的表面结构均变得紧实，表面形成了致密的生物膜，主要以杆状、球状微生物为主，与反硝化菌形状结构类似。 （3）对污泥胞外聚合物（EPS）的研究表明，EPS含量变化与蛋白质含量变化规律一致，引入零价铁会使蛋白质含量下降。TB-EPS占EPS的主要组分，所以污染物及零价铁对于 EPS的影响主要取决于对TB-EPS的影响。高含量的TB-EPS会引起微生物聚集体内部阻塞，不利于营养物质的传输。此时，Cu2+容易通过细胞表面进入到胞内进行代谢，Cu2+引起的毒性使得硝化作用受到抑制。引入零价铁后，TB-EPS含量下降使得营养物质传输通道畅通，利于微生物生长，同时Fe3+提高了酶的活性，从而提高污泥的活性，使得硝化作用有所改善。 （4）长期暴露下，泥相中富集了大量的Cu2+和TCS。TCS的存在均使得泥相中的Cu2+浓度下降，CuNPs的存在使得水相与泥相中的TCS浓度增加。零价铁的引入使得Fe0与CuNPs溶出的Cu2+发生了置换反应，同时提高了系统中TCS的降解率，使得毒性得到削减，对于污泥硝化作用的提高具有促进作用。 （5）Sludge组中，经污染物暴露后的污泥AMO酶、NXR酶活性均小于空白组，引入零价铁后，AMO酶活力提高至原先的1.28倍、1.46倍、2.78倍、1.37倍，且NXR酶活力也有所上升，验证了零价铁对于硝化作用的改善效果。另外，Sludge-Fe组的好氧反硝化NAP酶活力区别明显，空白组的反硝化能力最强，其余依次是 TCS 组、CuNPs及复合组，验证了零价铁的引入使系统产生好氧反硝化效果，引起同步硝化反硝化的发生。污染物暴露的Sludge组，污泥中amoA基因丰度均有减少，加铁后基因丰度分别是原来的1.17、1.14、5、1.67倍。Sludge组本身不具备反硝化能力，加入零价铁后，反硝化酶基因丰度不同程度增加。进一步说明零价铁可提高硝化及反硝化效果。 （6）Sludge组中，TCS的暴露使得污泥中mexB和intI1基因丰度增加，CuNPs的存在促进了mexB和intI1基因丰度的增加，说明TCS 可使抗性基因 mexB 富集且抗性基因的水平转移能力提高，且CuNPs可进一步促进富集水平和转移能力；CuNPs的暴露使得copA丰度增加，TCS的存在差别不大。零价铁的引入使得基因丰度有所增加，这可能是由于零价铁的投加量过量所致，同时Fe3+能够使得系统中微生物胞外电子传递活动频繁，从而促进了基因的水平转移，使得丰度有所提升。 （7）对系统中微生物的种群结构研究表明，Sludge 组内多样性指数的大小均表现为空白组≈TCS 组>CuNPs 组>复合组，零价铁的引入使得微生物群落的丰富度及多样性均增加。变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）均为Sludge组和Sludge-Fe组中的优势菌。同时Sludge-Fe组新出现能参与铁循环的酸杆菌门（Acidobacteria）、具有反硝化作用的放线菌门（Actinobacteria）。引入零价铁后，硝化螺旋菌属（Nitrospira）平均相对丰度从Sludge组的1.7%提升至 3.6%，促进了硝化菌的生长。另外，零价铁的引入能够使得红杆菌属（Rhodobacter）、噬甲基菌属（Methylotenera）、固氮弓菌属（Dechloromonas）等反硝化菌属丰度增加，提高污泥的反硝化能力。

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