纳米技术作为最优先发展的科技革命,广泛应用于医药、电子工业、化工、生物工程等各个领域。近年来,纳米材料在推动产业变革的同时,直接或间接的排入环境,最终进入污水处理厂,由此引发的一系列环境风险问题受到社会各界广泛关注。然而,纳米材料短期及长期暴露对活性污泥体系废水处理效能及微生物群落动态变化的影响缺乏系统研究。因此,本研究以应用最为广泛的纳米Fe3O4为研究对象,采用酶学、光谱学以及高通量测序技术等分析手段系统解析纳米Fe3O4短期及长期暴露对活性污泥体系处理苯酚废水效能及群落动态结构的影响机制。首先,通过批式摇瓶实验考察纳米Fe3O4短期暴露对活性污泥体系处理效能的影响。结果表明,低浓度的纳米Fe3O4暴露可促进活性污泥体系苯酚和COD(化学需氧量)的降解效率。然而,高于600 mg/L会抑制活性污泥体系中苯酚和COD的降解效率。其主要归因于低浓度的纳米Fe3O4暴露会提高关键酶及ATP的含量。高于600 mg/L会降低关键酶及ATP的含量。同时,ROS(细胞内活性氧)和LDH(乳酸脱氢酶)检测表明,高浓度纳米Fe3O4暴露会引起微生物细胞内的氧化应激反应,破坏活性污泥体系中细胞膜的完整性,影响活性污泥体系的理化性质及生理功能。此外,与含EPS(胞外聚合物)体系相比,相同浓度的纳米Fe3O4作用下,去掉EPS后,活性污泥体系中苯酚和COD的降解效率、关键酶活性和ATP的含量均降低,表明活性污泥中EPS的存在保护微生物免受纳米Fe3O4的毒害。在此基础上,本研究以SBR(序批示活性污泥反应器)体系为研究对象,考察纳米Fe3O4长期暴露对SBR体系处理效能的影响。整个运行期间,各体系苯酚降解效率均达到100%。当纳米Fe3O4浓度由0增加至600 mg/L,COD去除效率显著提高,高于600 mg/L时,COD去除效率显著降低。酶活性分析表明,低浓度的纳米Fe3O4暴露下,SBR体系关键酶及ATP的含量显著提高,高于600 mg/L时,关键酶及ATP的含量显著降低。EPS含量分析表明,低浓度的纳米Fe3O4暴露下,EPS中的蛋白质和多糖含量显著降低。高于600 mg/L时,EPS中的蛋白质和多糖含量有所提高,进一步证明SBR体系中EPS的保护机制。此外,UV-Vis(紫外光谱)、FTIR(红外光谱)和3D-EEM(三维荧光光谱)分析表明,低浓度的纳米Fe3O4暴露下,EPS中溶解性微生物代谢蛋白物质、腐殖酸类物质以及与蛋白质相关的C=O,-NH2,C-N,C-O-C、与多糖相关的C-O,C-OH和与核酸相关O-P-O的官能团数量逐渐减少。高于600 mg/L时,上述官能团数量反而增加。同时,考察纳米Fe3O4长期暴露对微生物群落毒性及结构动态变化的影响。LDH和ROS检测表明,低浓度的纳米Fe3O4的暴露未对SBR体系微生物产生毒性效应。高浓度的纳米Fe3O4暴露会对SBR体系中活性污泥微生物造成毒性效应,破坏SBR体系中微生物细胞膜的完整性。高通量测序分析进一步表明,纳米Fe3O4的长期暴露显著改变SBR体系微生物群落组成和结构。低浓度的纳米Fe3O4暴露下,微生物群落多样性和丰富度显著增强,促进 OLB8(属于Saprospiraceae科)、Pseudomonas、Rhodanobacter、Bacillus、Luteococcus、Devosia以及Comamonas等优势菌属的生长。高浓度的纳米Fe3O4暴露会抑制微生物群落多样性和丰富度,抑制上述菌属的生长。此外,DCA分析表明纳米Fe3O4长期暴露是影响SBR体系中微生物群落变化的重要因素。