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纳米颗粒(nanoparticles，NPs)因其独特的微小尺度效应被广泛应用于生活、工业和科研领域，并且会不可避免的进入市政污水管网；由于其潜在的生物毒性效应进而对污水生物处理系统的正常运行产生潜在抑制影响。本文重点研究了三种典型的金属纳米颗粒(n-TiO2、n-CeO2和n-ZnO)在不同作用条件下对污水生物处理系统中广泛存在的典型亚硝化细菌—Nitrosomonaseuropaea的综合生物毒性影响和受损菌群自我修复性能，并借助全基因组表达谱学技术，揭示NPs分子毒性机理以及受损菌群自适应调节与修复机制。
不同浓度三种NPs(1、10或50mg/L)对恒流稳定生长的N.europaea长期胁迫作用发现，低浓度(1或10mg/L)n-TiO2、n-CeO2和n-ZnO对N.europaea未产生显著毒性影响，但10mg/Ln-ZnO胁迫初期会对细胞膜完整性和细菌增殖产生抑制作用，并在试验后期逐步达到稳定状态。高浓度(50mg/L)n-TiO2、n-CeO2和n-ZnO长期胁迫下，细菌氨氧化活性、细菌浓度、AMO酶活性、细胞膜完整性均显著抑制；受n-TiO2胁迫菌群各理化活性在经过7-dNPs持续作用后被显著抑制，但经过40-d适应性培养后均得到显著恢复，表明菌群具有抗NPs自适应调控潜能；受n-CeO2胁迫后的菌群各指标在胁迫12-d左右达到稳定状态，不在持续下降，说明菌群对n-CeO2具有一定耐受性；而受n-ZnO胁迫后的细菌在7-d后活性完全丧失，表明相同条件下n-ZnO毒性效应远大于n-CeO2和n-TiO2。
高浓度溶解氧(dissolived oxygen，DO)有助于提高恒流生物处理系统菌群抗NPs冲击负荷能力以及受损菌群自适应调控与修复能力。不同DO浓度条件(0.5和2.0mg/L)下，50mg/Ln-ZnO和n-CeO2对N.europaea的长期毒性胁迫作用影响规律基本一致，细菌浓度、细胞膜完整性、氨氧化性能以及AMO酶活性均受到显著抑制，但低DO条件下细胞对n-ZnO和n-CeO2的毒性胁迫更敏感；受50mg/Ln-TiO2胁迫的菌群细菌浓度、细胞膜完整性、氨氧化性能以及AMO酶活性等指标最终均能显著恢复，但低DO浓度下，n-TiO2投加后即可对细菌产生毒性作用，且各指标恢复速率和恢复程度低于高DO浓度下细菌各指标的恢复。受损菌群恢复试验结果显示，当氨氮去除率降低10%时，50mg/Ln-ZnO和n-CeO2胁迫下的受损菌群各理化性能随恢复时间延长均可得到显著恢复，但高DO浓度培养细胞的各生理生化活性恢复程度明显高于低DO条件下所获细胞；因此，高DO环境有利于细胞抗NPs胁迫影响以及细胞活性的恢复。此外，随着n-ZnO胁迫抑制程度的提高，不同DO浓度下的受损菌群各理化指标均逐步呈现出不可恢复性。
对三种NPs胁迫下的受损菌群及理化活性显著恢复后的菌群进行全基因组表达谱分析，结果显示，三种NPs能够干扰多种细胞生物代谢过程，并且对细胞具有潜在共性作用机制，主要包括：(a)破坏细胞膜结构并干扰细胞膜相关代谢功能；(b)破坏膜上功能蛋白的酶结构，抑制其酶活性；(c)影响电子传递以及能量代谢和转化；(d)进入细胞内的NPs还可胁迫细胞内包括DNA在内的遗传物质和功能蛋白；但不同NPs胁迫影响的各代谢通路中具体功能基因敏感性及表达水平不尽相同，这可能与NPs自我特性以及菌群不同受损程度有关。同时，NPs胁迫下的受损菌群能够激发多种抗毒性系统的转录活性以抵抗NPs胁迫作用，包括毒素-抗毒素(toxin-antitoxin，TA)系统，活性氧原子(reactiveoxygenspecies，ROS)猝灭系统，毒物外排系统等，并尝试通过多种代谢通路的转录调控适应NPs胁迫或促进细胞自我修复，如膜运输调控、渗透平衡调控、转录翻译调控及能量代谢调控等。
此外，发现金属离子应激反应基因merPT仅在受n-ZnO胁迫试验组显著上调表达，揭示了高溶解性n-ZnO产生的溶解态Zn2+是n-ZnO毒性作用机制的关键因素之一；而细胞色素成熟及运输过程相关编译基因ccmACEF、趋药性基因cheARW、以及蛋白修饰基因groEL/ES仅在n-CeO2胁迫下显著上调表达，说明其可能是受n-CeO2胁迫下的特异性应激响应调控基因；细胞信号感应与调控基因NE0666/0667以及自由基激酶基因NE0221则仅在n-TiO2胁迫后显著上调表达，表明其可能是n-TiO2胁迫下的特异性菌群自适应调控基因。
初步筛选出可用于NPs预警监测的潜在普适性和特异性毒性响应标记物，普适性标记物主要包括：酰胺-tRNA转移酶基因gatA、呼吸链调控因子SCO1、G3P酰基转移酶基因plsX、铵运输蛋白基因Rh50、核糖体蛋白基因rpmF、GTP-结合蛋白基因lepA以及延长因子cysN等；特异性标记物主要包括：金属-β-内酰胺酶编译基因NE2571和假定蛋白编译基因NE2151(n-ZnO胁迫)、信号感应调控基因NE0667和葡萄糖甲醇胆碱还原酶编译基因NE1237(n-TiO2胁迫)、以及DNA结构修饰基因NE2544、蛋白伴随修饰基因groEL和铁氧化还原基因NE1874(n-CeO2胁迫)。
综上所述，本文系统探讨了三种相似粒径的n-ZnO、n-CeO2和n-TiO2在不同浓度、作用时间和DO控制模式下对N.europaea的毒性胁迫影响规律，同时研究和比较了三种NPs不同胁迫程度下受损菌群自我修复性能，并借助于全基因组表达谱学技术揭示了NPs的潜在毒性作用机制及受损菌群自我恢复机制，初步筛选出可用于NPs毒性应激反应生物标志物，以期为遭受NPs潜在毒性影响的污水生物脱氮系统的应急工艺参数调控、环境毒性风险评价、以及安全预警监测系统的建立提供必要的理论和技术支持。
不同浓度三种NPs(1、10或50mg/L)对恒流稳定生长的N.europaea长期胁迫作用发现，低浓度(1或10mg/L)n-TiO2、n-CeO2和n-ZnO对N.europaea未产生显著毒性影响，但10mg/Ln-ZnO胁迫初期会对细胞膜完整性和细菌增殖产生抑制作用，并在试验后期逐步达到稳定状态。高浓度(50mg/L)n-TiO2、n-CeO2和n-ZnO长期胁迫下，细菌氨氧化活性、细菌浓度、AMO酶活性、细胞膜完整性均显著抑制；受n-TiO2胁迫菌群各理化活性在经过7-dNPs持续作用后被显著抑制，但经过40-d适应性培养后均得到显著恢复，表明菌群具有抗NPs自适应调控潜能；受n-CeO2胁迫后的菌群各指标在胁迫12-d左右达到稳定状态，不在持续下降，说明菌群对n-CeO2具有一定耐受性；而受n-ZnO胁迫后的细菌在7-d后活性完全丧失，表明相同条件下n-ZnO毒性效应远大于n-CeO2和n-TiO2。
高浓度溶解氧(dissolived oxygen，DO)有助于提高恒流生物处理系统菌群抗NPs冲击负荷能力以及受损菌群自适应调控与修复能力。不同DO浓度条件(0.5和2.0mg/L)下，50mg/Ln-ZnO和n-CeO2对N.europaea的长期毒性胁迫作用影响规律基本一致，细菌浓度、细胞膜完整性、氨氧化性能以及AMO酶活性均受到显著抑制，但低DO条件下细胞对n-ZnO和n-CeO2的毒性胁迫更敏感；受50mg/Ln-TiO2胁迫的菌群细菌浓度、细胞膜完整性、氨氧化性能以及AMO酶活性等指标最终均能显著恢复，但低DO浓度下，n-TiO2投加后即可对细菌产生毒性作用，且各指标恢复速率和恢复程度低于高DO浓度下细菌各指标的恢复。受损菌群恢复试验结果显示，当氨氮去除率降低10%时，50mg/Ln-ZnO和n-CeO2胁迫下的受损菌群各理化性能随恢复时间延长均可得到显著恢复，但高DO浓度培养细胞的各生理生化活性恢复程度明显高于低DO条件下所获细胞；因此，高DO环境有利于细胞抗NPs胁迫影响以及细胞活性的恢复。此外，随着n-ZnO胁迫抑制程度的提高，不同DO浓度下的受损菌群各理化指标均逐步呈现出不可恢复性。
对三种NPs胁迫下的受损菌群及理化活性显著恢复后的菌群进行全基因组表达谱分析，结果显示，三种NPs能够干扰多种细胞生物代谢过程，并且对细胞具有潜在共性作用机制，主要包括：(a)破坏细胞膜结构并干扰细胞膜相关代谢功能；(b)破坏膜上功能蛋白的酶结构，抑制其酶活性；(c)影响电子传递以及能量代谢和转化；(d)进入细胞内的NPs还可胁迫细胞内包括DNA在内的遗传物质和功能蛋白；但不同NPs胁迫影响的各代谢通路中具体功能基因敏感性及表达水平不尽相同，这可能与NPs自我特性以及菌群不同受损程度有关。同时，NPs胁迫下的受损菌群能够激发多种抗毒性系统的转录活性以抵抗NPs胁迫作用，包括毒素-抗毒素(toxin-antitoxin，TA)系统，活性氧原子(reactiveoxygenspecies，ROS)猝灭系统，毒物外排系统等，并尝试通过多种代谢通路的转录调控适应NPs胁迫或促进细胞自我修复，如膜运输调控、渗透平衡调控、转录翻译调控及能量代谢调控等。
此外，发现金属离子应激反应基因merPT仅在受n-ZnO胁迫试验组显著上调表达，揭示了高溶解性n-ZnO产生的溶解态Zn2+是n-ZnO毒性作用机制的关键因素之一；而细胞色素成熟及运输过程相关编译基因ccmACEF、趋药性基因cheARW、以及蛋白修饰基因groEL/ES仅在n-CeO2胁迫下显著上调表达，说明其可能是受n-CeO2胁迫下的特异性应激响应调控基因；细胞信号感应与调控基因NE0666/0667以及自由基激酶基因NE0221则仅在n-TiO2胁迫后显著上调表达，表明其可能是n-TiO2胁迫下的特异性菌群自适应调控基因。
初步筛选出可用于NPs预警监测的潜在普适性和特异性毒性响应标记物，普适性标记物主要包括：酰胺-tRNA转移酶基因gatA、呼吸链调控因子SCO1、G3P酰基转移酶基因plsX、铵运输蛋白基因Rh50、核糖体蛋白基因rpmF、GTP-结合蛋白基因lepA以及延长因子cysN等；特异性标记物主要包括：金属-β-内酰胺酶编译基因NE2571和假定蛋白编译基因NE2151(n-ZnO胁迫)、信号感应调控基因NE0667和葡萄糖甲醇胆碱还原酶编译基因NE1237(n-TiO2胁迫)、以及DNA结构修饰基因NE2544、蛋白伴随修饰基因groEL和铁氧化还原基因NE1874(n-CeO2胁迫)。
综上所述，本文系统探讨了三种相似粒径的n-ZnO、n-CeO2和n-TiO2在不同浓度、作用时间和DO控制模式下对N.europaea的毒性胁迫影响规律，同时研究和比较了三种NPs不同胁迫程度下受损菌群自我修复性能，并借助于全基因组表达谱学技术揭示了NPs的潜在毒性作用机制及受损菌群自我恢复机制，初步筛选出可用于NPs毒性应激反应生物标志物，以期为遭受NPs潜在毒性影响的污水生物脱氮系统的应急工艺参数调控、环境毒性风险评价、以及安全预警监测系统的建立提供必要的理论和技术支持。