Effects of aging and transformation of anatase and rutile TiO2 nanoparticles on biological phosphorus removal in sequencing batch reactors and related toxic mechanisms

3.3 Effects of TiO

2

-NPs on P-cycle-related metabolites and key enzyme activities

 

Generally,  biological  P  removal  and  substrate  transformation  (especially  that  of 

volatile fatty acids (VFAs)) can be distinctly identified by detecting the metabolism of 

PHAs  and  glycogen  (Chiou  &  Yang,  2008).  Table  2  shows  that  during  the  last  SBR 

cycle,  the  effects  of  0.1  mg/L  of  each  of  the  four  TiO

2

-NPs  on  the  synthesis  and 

degradation of PHA and glycogen were insignificant. However, after  exposure  to  50 

mg/L,  the  levels  of  produced  and  degraded  PHA  decreased  markedly  (p  <  0.05) 

compared to those of the control, regardless of the crystal form or aging status, which 

was  consistent  with  the  inhibition  of  P  release  and  uptake.  Notably,  the  higher 

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reduction in PHA degradation in the samples exposed to pristine TiO

2

-NPs resulted in 

a lower  energy  requirement  to  take up P  than in  the samples  exposed to  aTiO

2

-NPs, 

and may provide the most likely explanation for the failure of SOP removal (Fig. 2B). 

With  regard  to  the  variations  in  glycogen  after  exposure  to  50  mg/L,  anaerobic 

consumption  was  also  significantly  (p  <  0.05)  inhibited,  which  reduced  the 

accumulation  of  PHA.  The  degradation  of  PHA  in  the  four  TiO

2

-NP  samples  also 

decreased  markedly  during  the  aeration  period,  and  the  synthesis  of  glycogen  was 

consistent  with  this  trend  (Table  2).  This  might  indicate  that  PAOs  and 

glycogen-accumulating organisms (GAOs)—both of which can utilize degraded PHA 

to  assimilate  more  VFAs  and  synthesize  glycogen  (Mino  et  al.,  1998;  Xu  et  al., 

2016)—were  simultaneously  severely inhibited  with  regard to  glycogen  metabolism, 

in  accordance  with  the  comparatively  low  level  of  COD  removal  during  this  phase 

(Fig. 2D). 

The regulation of the synthesis and catabolism of poly-P by various key enzymes 

requires more in-depth research, similar to the investigations into the roles played by 

PPK  and  PPX  in  catalyzing  P  removal  during  anaerobic  and  aerobic  processes, 

respectively  (Chen  et  al.,  2012;  Lee  et  al.,  2006).  Table  2  shows  that  the  effects  of 

each of the four TiO

2

-NPs (0.1 mg/L) on the activities of PPX and PPK in the sludge 

were  also  limited.  In  contrast,  after  exposure  to  50  mg/L,  both  PPX  and  PPK  had 

lower specific activities compared to the control (p < 0.05), which corresponded well 

with the observed lower P release and uptake levels (Fig. 2B), regardless of the crystal 

structure or aging status of the NPs. This implies that TiO

2

-NPs cause serious damage 

to  the  bacterial  membrane,  and  even  leakage  of  the  cytoplasm,  because  PPK  is 

associated  with  the  plasma  membrane  (Ahn  &  Kornberg,  1990),  and  PPX  is  an 

extracellular enzyme that is susceptible to toxins (Goel et al., 1998). Interestingly, the 

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activity of PPX in the anaerobic environment was generally higher than in the aerobic 

environment,  indicating  that  PPX  is  most  active  in  the  anaerobic  stage.  In  contrast, 

PPK  activity  seemed  to  be  largely  unaffected  by  the  availability  of  oxygen  in  the 

environment; there was more serious inhibition of both PPX and PPK activities in the 

aerobic stage than in the anaerobic stage, especially in the groups exposed to pristine 

TiO

2

-NPs  (Table  2).  Overall,  the  results  described  above  suggest  that  the  failure  of 

SOP/COD  removal  in  50mg/L  NPs  exposed  sludge  can  mainly  be  closely  related  to 

the  decreased  activity  of  both  PPX  and  PPK,  and  the  sluggish  transformation  of 

intermediates. 

In term of crystallinity, compared to TiO

2

-R, TiO

2

-A had a greater effect  on the 

inhibition  of  enzyme  activity  (PPX  and  PPK)  and  the  production  of  intermediates 

(PHA and glycogen) owing to its stronger ability to produce ROS. With regard to the 

aTiO

2

-NPs,  aTiO

2

-R  was  apparently  more  toxic  than  aTiO

2

-A.  This  was  probably 

mainly due to the fact that aging increases the absorption of visible light and improves 

stability  in  an  aqueous  environment  owing  to  the  smaller  hydrodynamic  diameter  of 

the  NPs  (Fig.  1Ba,  Fig.  1Bb,  Fig.  1Bc,  and  Table  1).  Acute  exposure  to  NPs  at  a 

concentration of 0.1 mg/L had little impact on sludge purification, inherent substance 

metabolism,  or  the  activities  of  key  enzymes.  Therefore,  further  studies  should  only 

focus  on  the  toxic  effects  and  mechanisms  associated  with  exposure  to  NPs  at  a 

concentration of 50 mg/L.