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


 Shifts in the PAO and GAO communities defined by high-throughput



Download 5,45 Mb.
Pdf ko'rish
bet17/28
Sana22.01.2022
Hajmi5,45 Mb.
#400831
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   28
Bog'liq
Effects of aging and transformation of anatase and rutile TiO2 nanoparticles on biological phosphorus removal in sequencing batch reactors and related toxic mechanisms

 

3.5.2 Shifts in the PAO and GAO communities defined by high-throughput 

sequencing

 

After  exposure  to  TiO



2

-NPs  at  a  concentration  of  50  mg/L,  Weighted  Unifrac 

UPGMA  clustering  analysis  helped  visualize  clustering  in  the  various  treatment 

groups at the phylum level (Fig. 4A). The contents and distributions of the nine major 

phyla  (occupied  above  1.0%)  in  the  five  experimental  groups  revealed  that  the 

Journal Pre-proof




22 

structure of the  exposed  microbial community deviated from  that of the control, and 

clustering  depended  on  the  aging  status  of  the  TiO

2

-NPs  instead  of  their  crystalline 



phase.  That  is  to  say,  the  sludge  communities  in  the  two  pristine  TiO

2

-NPs  groups 



(TiO

2

-A and TiO



2

-R) exhibited spiking and were all clearly clustered, whereas the two 

aged TiO

2

-NPs groups (aTiO



2

-A and aTiO

2

-R) and the control group exhibited spiking 



and were  all apparently clustered. The clustering seemed to imply  that aging slowed 

down  the  stress  and/or  inhibition  induced  by  the  NPs.  Proteobacteria  (65.3%), 

Chloroflexi (6.8%), and Bacteroidetes (7.4%) were the three main microbial phyla of 

the control sample. After exposure, the prevalence of Chloroflexi—the main phylum 

responsible  for  carbohydrate  biodegradation  (Miura  et  al.,  2007)  in  waste-activated 

sludge (Zhou et al., 2015)—decreased dramatically in  all  the exposed groups, which 

might explain the marked decline in COD removal. Proteobacteria and Bacteroidetes 

were the other two dominant phyla in our activated SBR system, and they also exist in 

conventional anaerobic digesters (Hao & Wang, 2015) and continuous flow-enhanced 

biological  phosphorus  removal  systems  (Li  et  al.,  2016).  It's  seemly  unexpected  and 

irreconcilable that Proteobacteria, to which many of the PAOs that play key roles in P 

removal belong (Hu et al., 2017), increased in proportion in the exposed groups as the 

efficiency of P removal decreased in this study. Therefore, we need to further compare 

Proteobacteria  at  the genus level  to  better  understand  the effects of  TiO

2

-NPs  on  the 



PAOs in SBRs. 

At  the  genus  level,  the  percentages  of  the  nine  representative  bacterial  genera 

were  closely  related  to  dephosphorization,  the  consumption  of  carbon  sources,  and 

EPS secretion, as shown in Fig. 4B. 



Candidatus

 Accumulibacter, which includes the 

genus 

Burkholderia

,  comprises  some  well-known  and  predominant  bacteria  that  are 

accumulators  of  poly-P  in  enhanced  biological  P  removal  systems,  and  its  presence 

Journal Pre-proof




23 

was consistent with the typical phenotype of PAOs under anaerobic/aerobic conditions 

(Hu et al., 2017; Mullan et al., 2002). Compared to the control, exposure to the four 

TiO


2

-NPs (50 mg/L in each case) significantly (p < 0.05) decreased the abundances of 



Burkholderia

 and Accumulibacter, which might explain the reduction in the P removal 

(intake)  rates  (Fig.  2B).  However,  the  abundances  of  Comamonadaceae-unclassified 

(affiliated  with  β-Proteobacteria)  and  Rhodocyclaceae-uncultured  (affiliated  with 

α-Proteobacteria)—the other two major microbial families involved in P removal (Ge 

et al., 2015; Kong et al., 2005; Xu et al., 2016)—increased in the groups exposed to 

pristine and aged TiO

2

-NPs with different crystal forms. The differential responses of 



the  PAOs  mentioned  above  may  be  attributed  to  the  regional  micro-environment 

structures  of  the  activated  sludge  flocs  (Li  et  al.,  2019b).  That  is  to  say,  aerobic 



Burkholderia

  usually  colonizes  the  outer  layers  of  the  sludge  floc  and  would  be  the 

first  to  bear  the  brunt  when  directly  exposed  to  NPs.  The  facultative  anaerobic  and 

anaerobic genera of Rhodocyclaceae and Comamonadaceae exist in the deeper layers, 

and  suffer  minor  effects  or  even  short-term  hormonal  effects  (Xu  et  al.,  2016).  The 

phenotype of the GAOs has been defined as ‘‘Candidatus_Competibacter phosphatis’’ 

(Taya  et  al.,  2013),  and  was  present  in  smaller  proportions  (3.8–11.2%)  than 

Accumulibacter  (12.5–32.2%)  before  and  after  exposure,  indicating  that  the  SBRs 

were more highly enriched with Accumulibacter than with Competibacter. GAOs are 

considered  an  important  factor  in  the  deterioration  of  biological  P  removal.  The 

genera 

Acetobacter

  and 


Acidocella

,  which  are  well-known  degraders  of  carbon 

sources (Araujo et al., 2012), also decreased in abundance, which did not benefit COD 

degradation  (Fig.  2D)  in  the  SBR  cycles.  Interestingly,  the  abundances  of 



Pseudomonas

  and 


Novosphingobium

,  two  specific  EPS-secreting  genera  (Lv  et  al., 

2014; Shrout & Nerenberg, 2012), evidently increased after short-term exposure. This 

Journal Pre-proof




24 

suggests  that  greater  secretion  of  EPS  triggered  by  bacterial  community  quorum 

sensing  improved  the  resistance  of  the  sludge  to  the  toxicity  of  the  NPs  (Li  et  al., 

2019b).  Therefore,  the  species  aspect  reasons  of  the  decline  in  sludge  COD  and  P 

removal  rates  was  due  to  the  reduction  of  sludge  microbial  diversity  and  the  severe 

suppression  of  the  abundance  of  specific  functional  species  at  the  levels  of  phylum 

and genus. 

 


Download 5,45 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   28




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish