苗令占，王沛芳，侯 俊，王 超，姚 羽

(1．河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2．河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098)

人工納米材料(engineered nanomaterials，ENMs)是指在三維空間中至少有一維處于納米級尺度(1～100nm)內(nèi)，或由納米尺度作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料的發(fā)展已引起全球范圍內(nèi)生物、物理、化學(xué)等領(lǐng)域以及工農(nóng)業(yè)方面的重大變革，并將對人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[1-3]。納米材料具有獨(dú)特的理化特性，廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)與生活各個(gè)領(lǐng)域。其中，金屬類納米材料(metallic nanomaterials，MNMs)相關(guān)產(chǎn)品是目前使用最為廣泛的納米產(chǎn)品，包括納米 Ag、TiO2、SiO2、ZnO，CeO2、CuO 等[4-5]。 截至2015年，現(xiàn)有的納米材料應(yīng)用產(chǎn)品種類已達(dá)1900多種。然而，人工納米材料可通過生產(chǎn)-運(yùn)輸-使用-處理處置、污水處理尾水排放、地表徑流等途徑直接或間接地釋放到水環(huán)境中，經(jīng)分散-團(tuán)聚-沉降、生物攝取-累積放大等一系列的變化，最終對水生生物和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性脅迫[6-9]。

微生物在水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮著重要作用[10]。雖然目前已有研究證明部分納米材料對微生物存在毒性效應(yīng)，但這些研究主要以特定(單一)菌種或浮游生物為研究對象，而有關(guān)納米材料對環(huán)境中復(fù)雜的微生物群落的潛在影響尚缺乏全面而系統(tǒng)的研究。水環(huán)境中，絕大部分的微生物都是以聚集體的形式存在(如活性污泥、生物膜、表層沉積物微生物群落等)，并在污水生物處理、水生態(tài)系統(tǒng)平衡和水環(huán)境演變中扮演著非常重要的角色，對水體水質(zhì)改善和生態(tài)修復(fù)具有重要作用[11]。然而，越來越多的納米材料被釋放到環(huán)境中，可能與微生物聚集體相互作用，影響聚集體的代謝活性和功能特性，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在威脅。

1 金屬納米材料在水環(huán)境中的傳輸

隨著對納米材料的需求和含納米材料產(chǎn)品的不斷增加，納米材料在生產(chǎn)、消耗、處理過程中不可避免地釋放到環(huán)境中。環(huán)境中人工納米材料主要種類和來源見圖1[12]。環(huán)境中納米材料的種類主要為金屬納米材料及金屬氧化物納米材料，如納米Ag、納米TiO2等，主要來源于電子工業(yè)與光學(xué)產(chǎn)業(yè)、涂料及顏料和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品等。

圖1 環(huán)境中人工納米材料種類和主要來源

一般而言，金屬納米材料污染物先由市政管網(wǎng)系統(tǒng)傳輸?shù)轿鬯幚韽S，而后通過污水處理廠尾水排放、地表徑流侵蝕輸送或以大氣傳輸沉降等方式進(jìn)入自然水生態(tài)系統(tǒng)[13]。根據(jù) Musee等[14]的計(jì)算結(jié)果，洗漱用品中95%的納米材料最終會(huì)通過污水排放、垃圾滲漏等多種途徑進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)。Peijnenburg等[15]也確定了日常生活中若是清洗含有人工納米材料的衣物或紡織品，會(huì)有一定量的納米銀隨廢水排入污水處理系統(tǒng)或是直接進(jìn)入水環(huán)境。目前環(huán)境中賦存的人工納米材料濃度比較低，對水生生物不會(huì)產(chǎn)生明顯的毒性影響。但多數(shù)的納米材料不能被生物降解，水生生物可通過直接接觸、吞食和攝取等途徑吸收水體中的人工納米材料。由于生物體清除納米材料速率慢，納米材料具有親脂性和小尺寸效應(yīng)等，納米材料在生物體內(nèi)長期累積，并可通過食物鏈或食物網(wǎng)進(jìn)行傳遞或生物放大，導(dǎo)致高營養(yǎng)級生物的毒性效應(yīng)，最終對整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)和人類造成嚴(yán)重影響[6-20]。同時(shí)，水中的理化條件(如離子強(qiáng)度、pH值及天然有機(jī)質(zhì)等)也會(huì)影響納米材料在水環(huán)境的團(tuán)聚、沉降和溶解等，納米顆粒會(huì)與其他污染物相互作用導(dǎo)致協(xié)同污染，最終對飲用水源帶來威脅[21-23]。

2 金屬納米材料在水環(huán)境中的濃度分布

2.1 在污水處理系統(tǒng)中的濃度分布

城市污水處理廠是污染物重要的集中處理地，也是納米材料最有可能發(fā)生累積的場所[24-25]。金屬納米材料進(jìn)入污水處理廠的潛在途徑及污染途徑見圖2[26]。最近一份調(diào)查顯示，在亞洲、歐洲以及北美分別大約有10% ～30%，3% ～17%和4% ～19%的納米材料被釋放到水體中，污水處理廠污水中納米材料的質(zhì)量濃度達(dá)到 mg/L級別[27]。Westerhoff等[28]對10座具有代表性的污水處理廠進(jìn)水和出水中的納米材料質(zhì)量濃度和種類進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，結(jié)果顯示，以納米TiO2為例，其在污水處理廠入水中的質(zhì)量濃度范圍是181～1233 μg/L(平均質(zhì)量濃度為321 μg/L)，經(jīng)污水處理廠處理后出水中質(zhì)量濃度小于25 μg/L。污水生物處理系統(tǒng)對納米TiO2的去除率達(dá)到98%，其中絕大部分納米材料被截留在污泥中。對于多數(shù)種類的納米顆粒(如Ag，TiO，Cu等)，污水處理廠對它們的去除率能達(dá)到90% 以上，主要去除機(jī)制有污泥絮體的吸附、生物攝取以及物理沉降等[28]。污水處理廠尾水中的納米材料質(zhì)量濃度一般都低于μg/L的量級[24，27]，污水處理廠成為納米材料主要積累的場所。因此，關(guān)于納米材料對污水處理效率的潛在影響及其對功能微生物毒性作用的研究顯得尤為迫切。

圖2 金屬納米材料進(jìn)入污水處理廠的可能途徑及污染途徑

2.2 在自然水生態(tài)系統(tǒng)中的濃度分布

納米材料一旦排入水環(huán)境中，會(huì)有分散-團(tuán)聚、沉降及遷移等過程，也可通過食物鏈在水生生物體內(nèi)累積，或隨水流運(yùn)動(dòng)而遷移擴(kuò)散[29-30]。此外，納米材料的高比表面積可作為水中其他污染物的吸附載體，促進(jìn)污染物在地下水等環(huán)境中的長距離運(yùn)輸，造成污染帶的大幅擴(kuò)散[31-32]。近期，國內(nèi)外學(xué)者紛紛嘗試通過數(shù)學(xué)模擬來預(yù)測環(huán)境中的納米材料濃度，但由于研究區(qū)域的差異以及模擬的精確度等問題，納米材料的環(huán)境濃度還沒有一個(gè)明確的數(shù)量級范圍。而在實(shí)際生活中，可能會(huì)發(fā)生納米泄漏事件而導(dǎo)致局部納米材料濃度過高，從而增加生物暴露風(fēng)險(xiǎn)。Liu等[33]以納米TiO2為例，利用年平均納米產(chǎn)品的使用量預(yù)測納米材料在不同環(huán)境介質(zhì)中的濃度分布，發(fā)現(xiàn)釋放到水環(huán)境中的納米材料主要分布在自然水體和沉積物中，自然水體中的納米材料質(zhì)量濃度值已達(dá)到100 ng/L，如此高濃度的納米材料將對水生生物構(gòu)成潛在的威脅。但關(guān)于金屬納米材料在自然水體中的實(shí)際濃度仍需進(jìn)一步研究。

3 金屬納米材料對微生物聚集體的毒性

3.1 對污水處理系統(tǒng)中活性污泥和生物膜的毒性作用

目前，有關(guān)納米材料對污水處理系統(tǒng)中活性污泥毒性影響的研究已取得不少進(jìn)展。這些研究主要關(guān)注納米材料對活性污泥污水中N和P等的處理效率的影響、對微生物生長活性的抑制以及對微生物群落結(jié)構(gòu)的改變等[34-37]。表1～2列出幾種常見的納米材料對污水處理廠營養(yǎng)物質(zhì)去除及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響和因素表征。從表1～2可知，納米材料的種類、暴露濃度和作用時(shí)間均是對污水N、P去除和微生物群落結(jié)構(gòu)變化至關(guān)重要的因素，影響作用主要表現(xiàn)在納米材料對活性污泥絮體中微生物細(xì)胞胞體產(chǎn)生破壞、對功能菌群的毒性作用以及對N、P去除過程相關(guān)酶活性的抑制作用。

大多數(shù)金屬或金屬氧化物納米顆粒對活性污泥工藝的脫氮效果都存在不同程度的抑制作用。低濃度的納米SiO2(1mg/L)無論是短期(1d)暴露還是長期(70d)暴露，對活性污泥生存能力和生物脫氮除磷效果并沒有產(chǎn)生明顯的影響。然而，當(dāng)污泥長期暴露于高濃度(50mg/L)的納米SiO2后，出水硝酸鹽濃度增大，TN的去除率從79．6%下降到51．6%，但廢水中TP的去除率并沒有明顯變化[38]。Zheng等[39]研究表明，在厭氧-缺氧系統(tǒng)中，經(jīng)過 10 mg/L和50 mg/L ZnO納米粒子短期暴露0．33 d后，TN去除率由初始的81．5%分別降到75．6%和70．8%。進(jìn)一步的毒性機(jī)理研究表明TN去除率降低主要是由于ZnO納米粒子釋放出的Zn2+和產(chǎn)生的過量的活性氧自由基(ROS)抑制了硝酸還原酶的活性。此外，Chen等[40]研究了Cu納米粒子對活性污泥脫氮處理效果及N2O產(chǎn)生量的影響，表明質(zhì)量濃度為0．1～10 mg/L的Cu納米粒子不僅可提高TN的去除率，而且會(huì)降低反硝化過程中N2O的產(chǎn)生量，主要原因是Cu納米粒子溶解釋放的Cu2+增加了反硝化菌的豐度，降低了亞硝酸鹽的含量。Ag納米粒子會(huì)降低微生物群落中變形菌門和擬桿菌門的豐度，而這兩種菌門中含有許多與污泥絮體形成及有機(jī)物降解有關(guān)的細(xì)菌[41]。加入10 mg/L ZnO納米粒子提高了活性污泥對COD的降解效率，而20、50和100 mg/L ZnO納米粒子則分別使COD降解效率降低了 8．05%、19．46%和 27．74%[42]。

表1 不同類型的納米材料對污水N/P營養(yǎng)物質(zhì)去除的影響

表2 不同類型的納米材料對微生物群落的影響

除活性污泥法之外，好氧生物膜法也是污水處理常用的工藝。相比于傳統(tǒng)的活性污泥，好氧生物膜具有致密、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，對沖擊負(fù)荷和有毒有害物質(zhì)具有較高的耐受能力[50-51]。由生物膜內(nèi)微生物分泌的胞外聚合物通過架橋作用將膜內(nèi)微生物群體連接形成三維微生物聚合體結(jié)構(gòu)，因此與懸浮的活性污泥絮體相比，生物膜這種穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致其在應(yīng)對外界污染物時(shí)的響應(yīng)機(jī)制與活性污泥絮體不同[51]。然而，目前關(guān)于納米材料對生物膜毒性作用的研究還不多見，Sheng等[52]研究發(fā)現(xiàn)，納米銀對污水生物膜的微生物群落有著短期的毒性影響，可抑制異樣微生物的生長代謝，并對生物膜整體結(jié)構(gòu)也存在負(fù)面影響。Hou等[53]利用溶解氧微電極系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)高濃度(50 mg/L)的納米氧化鋅會(huì)抑制生物膜表層微生物的氧呼吸活性，通過監(jiān)測納米氧化鋅在污水中的溶解情況，并結(jié)合二價(jià)鋅離子對照試驗(yàn)，得出納米氧化鋅對生物膜的毒性作用主要是由其溶解釋放的鋅離子而產(chǎn)生的結(jié)論。Miao等[54]研究發(fā)現(xiàn)暴露于納米氧化銅的生物膜會(huì)分泌更多的胞外聚合物，從而抑制納米顆粒的毒性。Miao等[54]還分析了納米氧化銅對生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)和組成的影響。但是，由于生物膜復(fù)雜的群落組成和結(jié)構(gòu)特性復(fù)雜，對生物膜的毒性作用及相關(guān)機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

3.2 對自然水生態(tài)系統(tǒng)中生物膜的毒性作用

自然水體生物膜是一種普遍存在于自然水生態(tài)系統(tǒng)中的微生物聚集體，多生在江河湖海水體中各種載體如石塊、水生植物莖葉、表層沉積物等[55]的表面上。生物膜是一種復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，主要包括藻類、細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物及后生動(dòng)物等。由微生物分泌的胞外聚合物所包裹，構(gòu)成了穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的微生物群落組成[56]。自然生物膜對驅(qū)動(dòng)水體多種重要生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)至關(guān)重要，它們幾乎能參與水-沉積物界面中所有的生物化學(xué)反應(yīng)，包括生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程中不可或缺的碳循環(huán)、氮循環(huán)、磷循環(huán)等。生物膜這些生態(tài)功能特性及強(qiáng)弱很大程度上取決于微生物的群落結(jié)構(gòu)，同時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)變化在指示水體環(huán)境變化上有重大作用[55]。

目前關(guān)于金屬納米材料對自然水體生物膜的毒性研究極少。Gil-Allue等[57]通過試驗(yàn)證明，河流固著生物的呼吸作用、光合作用以及β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨肽酶會(huì)對納米銀產(chǎn)生毒性響應(yīng)而受到不同程度的抑制，但其堿性磷酸酶的活性在不同程度納米銀暴露下不受抑制或刺激;Liu等[58]通過室內(nèi)暴露試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露于TiO2納米顆粒(5mg/L)中5d后，生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了明顯的變化，但生物膜的光合作用和代謝功能仍保持穩(wěn)定。Tang等[59]研究發(fā)現(xiàn)5mg/L的Fe2O3納米顆粒能夠引起生物膜內(nèi)葉綠素含量的升高，抑制了膜內(nèi)總的抗氧化酶活性，同時(shí)改變了生物膜微生物的群落結(jié)構(gòu)。納米材料對自然水體微生物聚集體表毒性的研究才剛剛開始。鑒于微生物聚集體對水生態(tài)系統(tǒng)的重要作用，在人工納米材料歸于水生態(tài)系統(tǒng)后，關(guān)于人工納米材料和生物膜群落結(jié)構(gòu)之間相互作用的研究是必不可少的。

4 研究展望

截至目前，雖然金屬納米材料對污水處理系統(tǒng)中微生物聚集體的毒性研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但關(guān)于金屬納米材料對活性污泥和生物膜的毒性作用機(jī)制及其對水處理系統(tǒng)的影響研究還不夠全面。納米材料經(jīng)污水處理廠尾水排放到水環(huán)境中后在自然水體中的遷移轉(zhuǎn)化和對微生物影響的有關(guān)研究才剛剛起步，尤其關(guān)于納米材料對自然水生態(tài)系統(tǒng)中的微生物聚集體影響的研究十分缺乏。同時(shí)，大多數(shù)研究采用的是室內(nèi)短期暴露試驗(yàn)，且納米材料的濃度遠(yuǎn)高于環(huán)境中的實(shí)際濃度，缺乏野外現(xiàn)場的長期監(jiān)測試驗(yàn)研究，因而不能夠準(zhǔn)確地反映納米材料對水生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響。

未來的研究方向可以包括以下幾個(gè)方面：

a.污水處理系統(tǒng)中生物膜的結(jié)構(gòu)比活性污泥更加復(fù)雜，其對金屬納米材料的毒性響應(yīng)可能與活性污泥不同，因此，可研究金屬納米材料對生物膜的生物活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，解析其中的毒性作用機(jī)制，進(jìn)一步明確納米材料對水處理系統(tǒng)的潛在影響。

b.自然水體生物膜作為一種常見的環(huán)境介質(zhì)，富集水體中眾多的污染物質(zhì)，因此，亟須開展金屬納米材料與自然水體生物膜的相互作用研究，并通過長期的連續(xù)監(jiān)測，解析其對自然生物膜群落結(jié)構(gòu)的影響。

c.自然生物膜廣泛參與水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，金屬納米材料可能會(huì)對生物膜中的微生物群落產(chǎn)生毒性作用，進(jìn)而影響其生態(tài)功能，因此，關(guān)于金屬納米材料對自然生物膜水體凈化功能，尤其是對特定物質(zhì)循環(huán)(碳、氮、磷循環(huán))所涉及的遷移轉(zhuǎn)化及其功能菌群的研究將是未來的研究重點(diǎn)，這對探明納米材料的環(huán)境效應(yīng)與生態(tài)安全具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。