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

3.2 Effects of TiO

2

-NPs on biological P and COD removal in the last SBR cycle

 

After exposure for 72 h, the sludge purification performance (SOP and COD) of 

the  last  cycle  of  the  SBR  was  used  to  verify  the  toxic  effects  of  pristine  and  aged 

TiO

2

-NPs with different crystal forms. As shown in Fig. 2, the SOP and COD removal 

efficiencies after exposure to NPs at a concentration of 0.1 mg/L  were maintained at 

97.8–98.4% and 91.1–93.2%, respectively, compared to the control (98.1% and 92.3%, 

respectively),  illustrating  that—regardless  of  crystal  structure  or  aging—the  current 

environmental related concentration (0.1 mg/L) of TiO

2

-NPs had no significant effect 

on sludge purification function, indicating 0.1 mg/L  NPs

 

did not have toxic stress in 

short-term exposure. However, after exposure to 50 mg/L pristine or aged TiO

2

-NPs, 

the  efficiencies  of  SOP  and  COD  removal  dropped  steeply  to  approximately  42.2–

82.4% (p < 0.05) and 69.8–83.3% (p < 0.05), respectively. These results confirm that 

at  a  concentration  of  50  mg/L,  TiO

2

-NPs  in  the  influent  significantly  inhibit  P  and 

COD removal in the SBR system under simulated sunlight.   

In  term  of  crystal  type,  TiO

2

-A  inhibited  P  and  COD  removal  more  effectively 

than  TiO

2

-R  because  it  was  more  photoactive;  the  inhibition  effects  of  the  two 

TiO

2

-NPs were statistically different  (p < 0.05). Both aTiO

2

-A and aTiO

2

-R behaved 

indifferently  (p  >  0.05)  with  regard  to  inhibition  owing  to  the  passivation  effects  of 

aging  (Fig.  2B  and  Fig.  2D),  but  there  were  still  significant  differences  (p  <  0.05) 

between the exposed groups of the aTiO

2

-NPs and the control group in terms of P and 

COD removal efficiencies. After exposure to TiO

2

-NPs at a concentration of 50 mg/L, 

anaerobic  and  aerobic  P  transformation  decreased  markedly,  and  COD  uptake  was 

inhibited,  especially  in  the  aerobic  stage,  regardless  of  aging.  The  SOP  release  rates 

were  higher  in  the  aTiO

2

-NPs  than  in  the  pristine  TiO

2

-NPs  under  anaerobic 

Journal Pre-proof

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16 

conditions, and the SOP uptake rates were lower in the pristine TiO

2

-NPs than in the 

aTiO

2

-NPs  under  aerobic  conditions,  similar  to  the  COD  consumption  trends  in  the 

anaerobic  and  aerobic  stages  (Fig.  2B  and  Fig.  2D).  This  suggests  that  pristine 

TiO

2

-NPs  always  have  a  stronger  ability  to  inhibit  the  decontamination  capacity  of 

sludge  than  aTiO

2

-NPs,  regardless  of  the  presence  or  absence  of  oxygen.  This 

contradicts previous reports that NPs are innocuous with regard to microorganisms in 

the absence of oxygen (Fang et al., 2015; Xu et al., 2016). One possible explanation 

for these phenomena is that the stronger photooxidation damage caused by the pristine 

TiO

2

-NPs  (Fig.  1Bb)  during  illumination  in  the  aerobic  stage  continued  into  the 

anaerobic  stage  and  did  not  recover;  aging  sealed  the  active  sites  on  the  particle 

surfaces and passivated the nano effects during acute (short-term) exposure. However, 

the  possible  explanation  for  these  phenomena  in  P  and  COD  removal  efficiencies 

would  be  revealed  in  the  following  sections,  including  related  metabolites  and  key 

enzyme  activities,  responses  and  roles  of  EPS,  and  functional  microbial  community 

responses etc.