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

3.4 Dynamic fractionation of P in sludge cells and EPS, and determination of the 

roles of EPS

 

To  explore  the  effects  of  the  four  TiO

2

-NPs  on  the  P  removal  path  and  the 

transformation of P in the sludge aggregate, we determined the dynamic contents and 

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detected the P species in the sludge cells and EPS during the final SBR cycle. Table 3 

shows that following exposure to TiO

2

-NPs at a concentration of 50 mg/L, at the end 

of the anaerobic stage there were lower quantities of intracellular complex P—defined 

as total phosphorus (TP)–orthoP (TP-orthoP)—and orthoP in the four exposed groups 

than in  the  control  group. These differences were particularly marked in  the pristine 

TiO

2

-A  and  TiO

2

-R  samples  (p  <  0.05).  This  may  be  attributed  to  the  inhibition  of 

intracellular  poly-P  formation  and  degradation  by  the  four  TiO

2

-NPs  during  the  first 

64 h. In addition, significant (p < 0.05) amounts of orthoP were stored in the EPS in 

the  four  groups  exposed  to  the  TiO

2

-NPs,  which  accounts  for  the  decrease  in  SOP 

removal  efficiency  (Fig.  2B).  Notably,  following  continuous  exposure  to  50  mg/L 

TiO

2

-NPs for 6 h, the levels of both complex P and orthoP in the EPS (CER extracts) 

were much higher in the four TiO

2

-NP-exposed samples than in the control (p < 0.05). 

In  contrast,  the  quantity  of  PCA-NaOH-extractable  TP  in  the  sludge  decreased 

markedly  (p < 0.05),  suggesting  the  declining  bio-uptake  of P  by the PAOs,  i.e., the 

failure of P removal in the SBR system (Huang et al., 2015; Xu et al., 2017).   

In  light  of  the  results  described  above,  significant  P  accumulation  in  the  EPS 

implies  the  vital  role  played  by  EPS  in  P  storage.  Therefore,  we  investigated  the 

variations  in  EPS  after  exposure  to  50  mg/L  TiO

2

-NPs.  As  shown  in  Fig.  3A,  the 

levels of EPS secretion had increased significantly (p < 0.05) by 40% (TiO

2

-A), 9.2% 

(aTiO

2

-A), 30.8% (TiO

2

-R), and 15% (aTiO

2

-R) by the end of the final anaerobic SBR 

cycle, namely after 66 h of exposure. The subsequent 4 h of aerobic exposure in the 

final SBR cycle also made a detectable contribution to EPS production owing to the 

stress response and defense mechanism of the sludge bacteria (Li et al., 2019a). This 

might  explain the fact  that  after exposure  for 72  h, there was little  release  of orthoP 

into solution with an increased amount of EPS, especially in the samples exposed to 

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pristine TiO

2

-NPs, because mass transfer to the outside is driven by diffusion (Sheng 

et  al.,  2013).  Moreover,  after  exposure  during  the  final  cycle,  with  the  marked 

promotion of EPS production, the ability of EPS to store P improved significantly (p < 

0.05)  during  the  anaerobic  and  aerobic  stages,  regardless  of  the  crystal  structure  or 

aging status of the NPs. In particular, the TP content was markedly higher (p < 0.05) 

in the TiO

2

-A (92.5 mg P

EPS

/g TOC

EPS

) and TiO

2

-R (84.7 mg P

EPS

/g TOC

EPS

) samples 

than in the control (41.6 mg P

EPS

/g TOC

EPS

) by the end of the aerobic stages (Fig. 3B). 

Intriguingly,  after  acute  (72-h) exposure to  TiO

2

-NPs  at  a concentration of  50 mg/L, 

although the contribution of EPS to P removal decreased somewhat during the aerobic 

stage  of  the  final  SBR  cycle  compared  to  during  the  anaerobic  stage,  this  did  not 

affect  the  overall  marked  contribution  of  EPS  to  P  removal  (Fig.  3C).  These  results 

suggest different conclusions to those drawn in the report by Xu et al. (2017), which 

described an increased contribution by EPS to phosphorus removal after exposure to 

20 mg/L CeO

2

-NPs, and a decrease in the ability of EPS to store phosphorus.  Based 

on  the  discussion  above,  another  important  reason  for  the  decline  in  P  removal 

efficiency is that presumably nanoparticles could inhibit intracellular poly-P formation 

and degradation and

 

impeded

 

the transfer of P between sludge cells and EPS, instead 

of EPS inhibiting release of orthoP during the anaerobic phase. However, in view of 

the significant short-term contribution of EPS to P removal, it is necessary to further 

investigate the  change in the PAO community to  determine the reasons

 

based on the 

species level for the serious impairment of phosphorus removal from the sludge.