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


 Analysis of the toxicity mechanisms of the TiO



Download 5,45 Mb.
Pdf ko'rish
bet18/28
Sana22.01.2022
Hajmi5,45 Mb.
#400831
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   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

3.6 Analysis of the toxicity mechanisms of the TiO

2

-NPs

 

To  determine  the  deep-seated  toxic  mechanisms  of  the  four  TiO



2

-NPs,  we  first 

used the molecular fluorescent dyes SYTO® 9 and propidium iodide combined with 

CLSM to assess the damage to the bacterial cytoplasmic membrane 



in situ

. As shown 

in Fig. 5A, the four TiO

2

-NPs (50 mg/L) all caused significant (p < 0.05) damage to 



the microbe cells in the sludge; the toxicities of pristine TiO

2

-A and TiO



2

-R were most 

prominent,  with  lethality  rates  of  48.4%  and  41.9%,  respectively  (Fig.  S2).  The 

toxicity  was  mainly  due  to  the  leakage  or  fragmentation  of  the  bacterial  plasma 

membranes,  which  led  to  the  extensive  seepage  of  intracellular  substances  such  as 

LDH.  LDH  leakage  was  associated  with  the  stronger  photocatalytic  activity  of  the 

TiO

2

-NPs, which led to  necrosis resulting from substantial acellular ROS production 



under  simulated  sunlight  (Fig.  1B)  (Li  et  al.,  2019a;  Qian  et  al.,  2017).  TiO

2

-A  and 



TiO

2

-R  caused  a  significant  elevation  of  LDH  release  (p  <  0.05)  with  respect  to  the 



groups  exposed  to  the  aged  NPs  and  the  untreated  sludge  groups  (Fig.  6A).  The 

phenomena  described  above  may  have  resulted  from  lipid  peroxidation  and  direct 

contact  damage  to  the  cell membrane  caused  by  the TiO

2

-NPs,  which is  presumably 



closely  related  to  the  photoactivity  and  water  environment  stability  of  the  NPs,  i.e., 

the particle size range of the nanoscale effects, and the impact of aging or inclusion. 

Journal Pre-proof



25 

The ultrastructure of the sludge cells was determined by TEM (Fig. 5Ba), which 

revealed the clear biological phases, and the smooth morphology and integrity (green 

arrows) of the control cells.  In Fig. 5Bb to Fig. 5Be, the black areas (purple arrows) 

correspond  to  electrodense  material  (i.e.,  the  TiO

2

-NPs)  inferred  from  the  previous 



reference (Li et al., 2019a), confirmed by the high and wide peaks of Ti in EDS (Fig. 

5Bb1  to  Fig.  5Be1),  by  contrast,  the  content  of  Ti  element  in  the  unexposed 

acclimated  activated  sludge  was  less  than  the  detection  limit  of  plasma-mass 

spectrometer (ICP-MS), just like the control smooth cells without black mark in TEM 

(Fig. 5Ba),

 

not interfered by TiO



2

-NPs. The bacterial cells in the exposed groups had 

rough  morphologies,  with  necrosis  and  lysis  particles  (red  arrows),  which  suggests 

that  the  microbial  community  in  the  sludge  suffered  from  great  oxidative  stress, 

regardless of the crystal form or aging status of the NPs. Notably, Fig. 6B shows the 

crystalline-dependent  extracellular  and  intracellular  titanium  concentration  in  the 

activate  sludge,  which  was  consistent  with  our  previous  short-term  research  on  the 

interaction  between  TiO

2

-NPs  and  activated  sludge,  with  discrepant  distribution  of 



rutile and anatase NPs 

in vivo

 and 


in vitro

 in the sludge layers (Li et al., 2019a). In the 

present  study,  compared  to  the  aged  TiO

2

-NPs,  there  was  more  intracellular  and 



extracellular  titanium  (p  <  0.05)  from  the  pristine  NPs,  implying  that  TiO

2

-A  and 



TiO

2

-R  were  preferentially  bio-adsorbed  and  deposited  on  the  surface  of  the  sludge. 



This  increased  the  possibility  of  killing  superficial  cells  with  minimal  loss  of 

photocatalytic  activity  (Fig.  5A  and  Fig.  S2)  (Li  et  al.,  2019b).  These  results  could 

explain  why  the  pristine  TiO

2

-NPs,  particularly  TiO



2

-A,  were  more  likely  to 

agglomerate in the sludge suspension (Fig. 1Bc) and exert stronger oxidation pressure 

on the permeability of the cytoplasmic membranes (Fig. 1Bb and Fig. 6A), and were 

more prevalent on the cell surfaces, enabling them to  penetrate the sludge (Fig. 6B). 

Journal Pre-proof




26 

In  contrast,  it  should  be  noted  that  aging  did  not  seem  to  reduce  or  eliminate  the 

differences  in  toxicity  stresses  between  the  anatase  and  rutile  NPs,  such  as  EPS 

secretion  (Fig.  3)  and  elemental  titanium  distribution  in  the  sludge  layer  (Fig.  6B). 

However,  in  terms  of  toxicity  indicators  including  LDH  release  (Fig.  6A)  and  cell 

mortality (Fig. S2), there were still significant differences between  the aging anatase 

and  rutile  NPs  when  they  were  used  at  a  concentration  of  50  mg/L.  Furthermore, 

contrary  to  the  toxicity  results  of  two  pristine  NPs,  aTiO

2

-R  was  more  toxic  than 



aTiO

2

-A. This might have been due to the stronger photoactivity of aTiO



2

-R than that 

of aTiO

2

-A (Fig. 1Bb) (the red shift in light absorption was due to the decrease in the 



band  gaps)  (Fig.  1Ba),  and  its  relative  stability  and  lower  hydrodynamic  particle 

diameter (Fig. 1Bc), resulting in greater intracellular titanium accumulation (Fig. 6B) 

after  aging.  Summarily,  the  complicated  and  crystalline-dependent  behaviors  of  the 

sludge microbes in defending themselves from the stresses arising from 72-h exposure 

to  NPs  included  a  decrease  in  decontamination  capability,  the  response  to  EPS 

resistance, the change in the functional structure of the community, the removal of P 

metabolites,  and  damage  at  the  cellular  level.  Natural  aging  may  alleviate  the 

oxidative stress caused by NPs to some extent, but it might also reverse the toxicity of 

the  different  crystalline  NPs.  However,  in  terms  of  the  toxicity  mechanism  of 

TiO


2

-NPs,  in  addition  to  the  differences  caused  by  the  initial  characteristics  of 

different crystal types, such as energy band gap and crystal surface index (Wang et al., 

2015),  the  aging  transformation  of  the  sewage  environment  of  nanoparticles  and  the 

stability of the nanoscale

 

comprehensively controlled their ecological toxicity effects 



(Li  et  al.,  2019a).  Summarily,  the  results  of  the  present  study  provide  a  better 

understanding of the risks to the water environment, enabling an evaluation of policy 

control  with  regard  to  nanoparticles.  Furthermore,  it  is  important  to  consider  the 

Journal Pre-proof




27 

effects of aging on the NPs. 

 


Download 5,45 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   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