黄铁矿/生物炭强化纳米银胁迫下人工湿地处理效能及机制研究

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人工湿地是一种典型的生态处理技术,广泛应用于分散式污水处理。纳米银颗粒(AgNPs)是粒径小于100 nm的银单质颗粒,普遍存在于自然水体和生活污水中,极易被人工湿地截留并对微生物产生胁迫作用,降低了污水处理效能。本研究针对AgNPs胁迫下人工湿地处理效能低下的问题,构建了基于黄铁矿和生物炭基质的人工湿地系统,设置了四个不同的处理组,包括砾石组(GR组)、生物炭组(BC组)、黄铁矿组(PY组)以及黄铁矿耦合生物炭组(PY-BC组),提出了强化AgNPs胁迫下人工湿地处理效能的策略。论文主要研究内容与结果如下:(1)研究了AgNPs胁迫下不同基质人工湿地处理效能。使用0.2 mg/L模拟AgNPs的环境浓度,10 mg/L模拟AgNPs在人工湿地中的积累情况,研究了0.2 mg/L和10 mg/L AgNPs短期(10天)和长期(60天)暴露下不同基质人工湿地的处理效能。结果表明,0.2 mg/L与10 mg/L AgNPs胁迫会降低人工湿地NH4+-N和TN的去除,TP和COD去除几乎不受影响。10 mg/L AgNPs胁迫下GR组、BC组、PY组及PY-BC组TN去除率分别为28.3%,28.5%,30.4%以及36.5%,COD去除率分别为:81.9%、85.5%、91.2%和91.2%,TP去除率分别为:39.9%、38.9%、60.0%及48.8%,表明生物炭、黄铁矿、黄铁矿耦合生物炭基质均能强化AgNPs胁迫下人工湿地污染物的处理效能,但生物炭组强化效能不明显。(2)研究了AgNPs迁移转化及人工湿地的生物活性。结果表明,黄铁矿耦合生物炭基质通过将AgNPs转化为生物惰性的Ag-Fe-S NPs(φ>200 nm)降低了AgNPs的纳米毒性和生物利用度;此外,通过分析AgNPs胁迫下的微生物酶活性,发现生物炭、黄铁矿与黄铁矿耦合生物炭基质能够保护微生物细胞膜的完整性,提高氨单加氧酶、脱氢酶和磷酸酶的活性,从而强化人工湿地的微生物处理效能;研究了植物生长和抗逆性能,结果表明,三种基质均能提升植物的总叶绿素含量,降低MDA的生成以及提高SOD酶活性,即通过促进植物代谢和生长、缓解植物的氧化应激毒性,减缓AgNPs对植物的影响。(3)研究了AgNPs胁迫下不同基质的微生物群落变化规律。系统研究了AgNPs长期胁迫下不同基质的生物多样性以及门、科水平下的微生物群落结构,并结合网络分析和相关性分析等手段揭示了相关微生物机制。结果表明,BC组、PY组、PY-BC组中的微生物受到AgNPs的胁迫较小。在有无AgNPs胁迫的条件下,NOB的丰度均呈现出PY>BC>PY-BC>GR的趋势,说明生物炭、黄铁矿以及黄铁矿耦合生物炭作基质通过富集硝化细菌提升NH4+-N的去除。此外,在反应器中发现了铁氨氧化细菌(Geothrix),且Geothrix的相对丰度呈现出PY>PY-BC>BC>GR的趋势,说明生物炭、黄铁矿以及黄铁矿耦合生物炭基质能够通过强化铁氨氧化过程强化脱氮。生物炭、黄铁矿以及黄铁矿耦合生物炭基质通过富集耐受AgNPs的微生物,如Desulfobulbia、Desulfuromonadia和Kabacteria等,且这些微生物的丰度与NH4+-N、TN去除呈正相关。综上所述,本研究利用黄铁矿和生物炭作为人工湿地基质,通过强化功能微生物的丰度、酶活性以及促进植物生长,提升AgNPs胁迫下人工湿地的处理效能。
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