近些年来,随着纳米材料产量及应用范围的日益扩大,人们开始逐渐关注其对人类健康及生态系统的潜在风险。污水处理系统作为纳米颗粒进入天然环境的最后―屏障‖,其中所包含的大量微生物将可能直接暴露在纳米颗粒下,进而对污水生物处理效能产生影响。因此,本课题以目前使用量最大的纳米材料类别——纳米金属氧化物为研究对象,考察了不同环境条件下厌氧颗粒污泥对纳米金属氧化物的吸附能力及吸附机制,综合评价了不同纳米金属氧化物对厌氧颗粒污泥体系中各微生物功能群落的短期暴露毒性及长期累积影响,分析了厌氧颗粒污泥对不同纳米金属氧化物暴露的响应机制。本课题对控制含纳米金属氧化物的污染物排放、处理含纳米金属氧化物废水的污废水处理设施的运行及管理具有现实意义及指导意义,并为深入研究纳米金属氧化物的环境风险提供了重要的理论依据。通过序批试验考察了环境因素的改变对厌氧颗粒污泥吸附纳米TiO2的吸附能力的影响。结果显示,污泥粒径、p H值、生物量、温度、纳米TiO2初始浓度及离子强度等因素均能影响厌氧颗粒污泥对纳米TiO2的吸附能力,其中p H值及离子强度对厌氧颗粒污泥的吸附性能的影响最大也更为复杂。厌氧颗粒污泥对纳米TiO2的吸附并不能完全用DLVO理论解释。在吸附影响因素试验基础上,确定了最佳试验条件,建立了不同条件下厌氧颗粒污泥吸附纳米TiO2的吸附等温线模型、动力学模型并进行了热力学分析,并在模型拟合结果的基础上,探讨了厌氧颗粒污泥与纳米TiO2的相互作用机制。结果显示,厌氧颗粒污泥对纳米TiO2的吸附过程以单层化学吸附为主,但同时也具有多相吸附表面。厌氧颗粒污泥对纳米TiO2的吸附过程可分成四步:(1)表面形成吸附空间;(2)纳米TiO2颗粒向厌氧颗粒污泥表面的迁移;(3)>TiOH与颗粒污泥表面羟基及羧基通过氢键形成外层配位体;(4)Ti与羧基进一步形成内层络合物。采用了短期突然暴露的试验评价方法,综合评价了在不同浓度的典型纳米金属氧化物(纳米TiO2、纳米ZnO和纳米CuO)及其对应的金属离子对厌氧颗粒污泥中各微生物功能菌群代谢能力的影响,及胞外聚合物(EPS)在厌氧颗粒污泥对抗纳米金属氧化物突然暴露时的具体作用,系统阐述了纳米金属氧化物对微生物种群的影响及其毒性作用机制。结果显示,在产酸阶段中,高浓度纳米ZnO(>50 mg/L)及所有试验浓度下的纳米CuO对产酸均有不利影响。纳米金属氧化物的暴露能降低产氢产乙酸阶段的产氢速率并延长迟滞时间。PCR-DGGE分析表明产氢性能上的差异来自于纳米金属氧化物能显著改变厌氧颗粒污泥中微生物群落的结构及多样性。嗜乙酸产甲烷菌对纳米金属氧化物的暴露更敏感。厌氧颗粒污泥独特的层状结构、纳米颗粒主要在颗粒污泥外层堆积的特性及厌氧颗粒污泥内部微生物互营关系的建立共同决定了厌氧消化产烷过程与单独考虑产甲烷阶段相比更能有效抵御纳米金属氧化物的突然暴露。纳米TiO2能通过“物理屏蔽”阻碍产酸菌对营养物质的摄入;纳米ZnO的影响主要来源于其所释放的Zn2+对厌氧消化过程各关键酶活性的影响;而纳米CuO可破坏污泥中微生物细胞细胞膜的完整性。EPS中的蛋白类物质在应对纳米金属氧化物暴露的防御机制里能起到至关重要的作用。200 mg/L的纳米TiO2的暴露可使产烷古菌及其中Methanosaeta的丰度分别提高62.08%和61.46%;纳米ZnO和纳米CuO的胁迫(200 mg/L)则分别使古菌中Methanosarcina和Methanobacteriales的丰度升高到41.34%和32.57%。考察了典型纳米金属氧化物(纳米TiO2、纳米ZnO及纳米CuO)对厌氧反应器处理效能及运行稳定性的长期累积影响(90 d),评估了纳米金属氧化物在污水厌氧处理过程的归趋,并结合高通量焦磷酸测序技术分析了不同纳米金属氧化物长期影响下,厌氧颗粒污泥中微生物菌群结构及生态多样性的变化。结果显示,小剂量(5 mg/L)累积投加的纳米金属氧化物会在“迟缓期”过后才对厌氧反应器的运行稳定性产生影响。纳米TiO2的长期暴露对反应器运行所产生的不利影响很可能是因为产酸菌代谢速率的降低导致产甲烷菌长期无法获得足够的底物。除了细胞膜扰动外,纳米ZnO和纳米CuO对厌氧颗粒污泥的长期毒性还可能来自于活性氧自由基(ROS)及重金属离子在污泥层中的积累。绝大多数纳米金属氧化物均被截留在了反应器中。纳米TiO2的长期暴露后污泥中真细菌及古菌的OUT数量可分别达到361及199,说明纳米TiO2能显著提高污泥物种的丰富度;产酸菌OUT的数量增加到335及产甲烷古菌OUT数量降低至115则说明纳米ZnO在污泥中的累积仅能够抑制产烷古菌的生物多样性;而纳米CuO的长期胁迫则能同时显著降低厌氧体系内真细菌及古菌的生物多样性,OUT数量分别降低到了204和40。各污泥样本中真细菌及古菌的群落差异性巨大,表明不同纳米金属氧化物长期作用将诱导不同的厌氧微生物在厌氧颗粒污泥中定殖进而发展出不同的种群动态,进而使真细菌及古菌的优势群落在各生物学分类水平上均有巨大差异。