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

4. CONCLUSIONS AND ENVIRONMENTAL IMPLICATIONS 

The present study revealed the effects of pristine and aged TiO

2

-A and TiO

2

-R on 

the  purification  capacity  of  activated  sludge  in  SBR  systems.  The  NPs  had  a 

negligible  effect  at  a  concentration  of  0.1  mg/L.  However,  at  50  mg/L  the  NPs 

significantly  reduced  the  efficiency  of  P  removal  by  inhibiting  the  enzyme  activities 

of  PPK  and  PPX,  and  the  metabolism  (synthesis  and  degradation)  of  PHA  and 

glycogen. The stress response and resistance of the microorganisms through the mass 

secretion  of  EPS  may  have  enhanced  P  adsorption  during  the  aerobic  stage,  but 

inhibited  P  release  during  the  anaerobic  stage.  However,  after  short-term  exposure, 

both the storage capacity of P in the EPS and its contribution to P removal improved 

in the final cycles of the SBR. The decrease in the richness and diversity of the sludge 

bacteria,  especially  at  the  genus  level  of  the  PAOs,  rather  than  the  competition 

between GAOs, was the main reasons for the failure of P removal. TiO

2

-A exhibited 

greater  cytotoxicity  than  TiO

2

-R,  including  biological  mortality  resulting  from  the 

leakage of the cytoplasmic membrane caused by the oxidation pressure of more ROS. 

Aging reduced the photoactivities of the two TiO

2

-NPs, and decreased the differences 

in  the  characteristics  of  the  two  crystalline  phases.  It  also  reduced  the  biological 

toxicities of the TiO

2

-NPs, mainly by decreasing (aTiO

2

-R) and increasing (aTiO

2

-A) 

the band gaps, thereby altering their photooxidation capabilities.   

ENVIRONMENTAL IMPLICATIONS: This study revealed a series of responses 

of  activated  sludge  biological  phosphorus  removal  system  to  high  concentration  (50 

mg/L)  NPs  exposure  and  the  mechanism  of  NPs  related  toxicity,  while  the 

environmental related concentration (0.1 mg/L) has no significant effect on activated 

Journal Pre-proof

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sludge in the short-term (72-h). Therefore, the toxicity and the mechanisms revealed 

in this study probably represents scenarios only applied to spills or might shed some 

lights  on exposure for a  long time. However,  low concentration NPs  still need to  be 

highly  vigilant,  taking  into  account  such  as  “Trojan  horse  effect”  and  time 

accumulation effect. In addition, the environmental aging of NPs must be considered 

in future assessments of environmental risk and in policy formulation. Moreover, the 

next  step  is  to  reduce  the  adverse  effects  of  nanomaterials  on  the  municipal 

wastewater treatment system or even enhance the positive effects of nanomaterials by 

means  of  active  regulation  technology,  for  example,  adding  reagents  or  lighting 

synergy might promote the coupling effects of nanomaterials and microorganisms.