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


Journal Pre-proof 4  Keywords



Download 5,45 Mb.
Pdf ko'rish
bet5/28
Sana22.01.2022
Hajmi5,45 Mb.
#400831
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   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

 

Journal Pre-proof





Keywords:

 TiO


2

 NPs; crystal; physicochemical; P removal; activated sludge 

 

1. Introduction

 

Titanium  dioxide  nanoparticles  (TiO



2

-NPs)  are  one  of  the  most  widely  used 

nanomaterials  in  industrial  and  commercial  products,  owing  to  their  unique 

physicochemical properties (Li et al., 2019a). Therefore, there is a high probability of 

them entering the municipal sewage that flows into centralized wastewater treatment 

plants (WWTPs) (Westerhoff et al., 2011

)

.

 Such sewage systems are amongst the most 



important  pathways  for  the  migration  and  transformation  of  TiO

2

-NPs  in  the 



environment  (Wang  et  al.,  2017).  Recently,  Kiser  et  al.  (2010)  reported  that  raw 

sewage may contain approximately 100–3000 µg/L of Ti, whereas effluent contains < 

5–15  µg/L.  The  predicted  concentrations  of  TiO

2

-NPs  in  an  aeration  tank  are  in  the 



range 121.9 ± 23.0 to 12,297.0 ± 1707.0 μg/L (Choi et al., 2018; Kiser et al., 2009), 

and  may  reach  up  to  23.2  mg/kg  in  sewage  sludge  (Gottschalk  et  al.,  2009). 

Furthermore,  TiO

2

-NPs  with  different  crystal  forms  have  been  detected  in  WWTPs 



because anatase and rutile TiO

2

-NPs have the same market value (Tong et al., 2015). 



TiO

2

-NPs  are  toxic  to  some  organisms  (Jovanovic  et  al.,  2018;  Pinget  et  al.,  2019; 



Stapleton  et  al.,  2018).  Therefore,  the  potential  effects  of  TiO

2

-NPs  on  the 



performance of wastewater treatment systems are increasingly relevant. 

Consequently,  numerous  studies  have  been  undertaken  into  the  effects  of 

TiO

2

-NPs  on  the  biological  treatment  of  wastewater,  with  the  main  focus  being  on 



microbial activity and biomass (Zheng et al., 2015), organic degradation (Zhang et al., 

2016b),  nitrogen  (N)  and  phosphorus  (P)  removal  (Li  et  al.,  2015),  and  whole 

community  structure  (Wang  et  al.,  2017).  However,  further  studies  are  needed  to 

address  the  adverse  effects  of  TiO

2

-NPs  with  different  crystal  forms  on  organic  and 



Journal Pre-proof


nutrient  removal,  as  well  as  their  mechanisms  of  toxicity,  and  the  measures  that  are 

necessary for their mitigation (Wang et al., 2017). In term of the effects of TiO

2

-NPs 



on biological P removal, researchers have mainly concentrated on P removal rates and 

the  catalytic  activity  of  P-cycle-related  enzymes,  such  as  exopolyphosphatase  (PPX) 

and poly-P kinase (PPK) (Li et al., 2017), and on functional microbial communities, 

e.g.,  phosphate-accumulating  organisms  (PAOs)  (Zheng  et  al.,  2011).  Exposure  time 

and  dosage  seem  to  be  the  major  determinants  of  the  inhibitory  effects  of  TiO

2

-NPs 



(Wang  et  al.,  2017).  The  effects  of  TiO

2

-NPs  on  P  removal  are  controversial,  and 



probably  depend  on  different  exposure  conditions  including  various  wastewater 

treatment processes and microbial aggregation states (e.g., sludge and biofilm) (Li et 

al.,  2015;  Li  et  al.,  2017; Yang  et  al.,  2018;  Zheng et  al.,  2011).  Furthermore, to the 

best of our knowledge, there remains a lack of systematic research into the toxicity of 

TiO

2

-NPs  with  regard  to  P-cycle-related  metabolic  substances  or  molecules  and 



functional  dephosphorization  microorganisms  during  anaerobic  phosphorus  release 

and  aerobic  phosphorus  absorption  (Xu  et  al.,  2016).  In  addition,  some  scientific 

issues  including  the  transformation  and  distribution  of  P  among  bulk  liquids, 

extracellular polymeric substances (EPS), and cell clusters, as well as the contribution 

made  by  EPS  to  P  removal  after  exposure  to  TiO

2

-NPs,  remain  obscure  (Xu  et  al., 



2017).  This  is  because  a  significant  level  of  P  accumulation  in  EPS  substantially 

enhances the ability of biofilms to absorb and remove P (Huang et al., 2015; Stewart 

& Franklin, 2008). 

However,  now  most  TiO

2

-NPs


 

ecotoxicology  studies  are  environmentally 

irrelevant  with  regard  to  direct  exposure  to  pristine  NPs,  because  TiO

2

-NPs  aging 



occur  inevitably,  that  is,  the  transformation  of  comprehensive  characteristics 

(including  physicochemical  transformation)  after  experiencing  complex  water 

Journal Pre-proof



environmental behaviors. For example, the TiO

2

-NPs in WWTPs may originate from 



the  detachment  of  new  or  aged  facade  paints  by  natural  weathering,  or  may  be 

released  from  various  commodities  and  industrial  products  by  wear  and  tear 

(Westerhoff et al., 2011). Inevitably, when they converge in WWTPs through sewage 

pipelines,  TiO

2

-NPs  experience  environmental  aging  according  to  the  specific 



chemical  conditions  present  in  the  water,  e.g.,  the  presence  of  organic  compounds, 

inorganic salts, heavy metals, acids, and even microorganisms. Such aging takes place 

through  oxidation  and  reduction,  dissolution,  precipitation,  adsorption,  desorption, 

combustion,  biotransformation,  and  abrasion,  among  other  biogeochemically  driven 

transformation  processes  (Lowry et  al.,  2012; Nowack et  al.,  2012;  Sun et  al.,  2014; 

Zhang  et  al.,  2016a).  Notably,  the  aging  terms  of  nanomaterials  including  TiO

2

-NPs 


and  their  aging  experimental  methods  in  different  environmental  media  such  as 

soil/sediment or organic matter have been recognized by researchers (Fan et al., 2016; 

Lei  et  al.,  2016;  Wang  et al.,  2015).  These transformation pathways  govern the fate, 

transportation,  and  photo-reactivity  of  TiO

2

-NPs,  and  ultimately  influence  their 



persistence, bioavailability/biouptake, and toxicity. Therefore, the nature and extent of 

the  transformations  must  be  elucidated  before  significant  progress  can  be  made 

toward  understanding  the  environmental  risks  posed  by  TiO

2

-NPs  in  aquatic 



environments (Nowack et al., 2012). 

In view of the above discussion, we used pristine and aged anatase (TiO

2

-A) and 


rutile  (TiO

2

-R)  NPs  in  a  sewage  environment  to  investigate:  (1)  the  differential 



responses  of  P-cycle-related  metabolic  substances  (poly-β-hydoxyalkanoates  (PHAs) 

and  glycogen)  and  key  metabolizing  enzymes  (PPX  and  PPK)  to  NPs  exposure;  (2) 

the fractionation and distribution of P in activated sludge systems (sludge cell residue 

and  EPS),  and  the  contribution  of  EPS  to  P  removal  under  anaerobic  and  aerobic 

Journal Pre-proof



conditions;  (3)  the  responses  of  functional  PAOs  determined  by  high-throughput 

sequencing; and (4) the comparative acute toxic effects of pristine and aged TiO

2

-NPs 



with  different  crystal  structures,  and  the  potentially

 

inhibition  mechanisms  for  P 



removal in a sequencing batch reactor (SBR). These studies will be helpful to further 

understand  the  effects  of  environmentally  relevant  (low  concentration  and  aging) 

TiO

2

-NPs on biological phosphorus removal in activated sludge.   



 


Download 5,45 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   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