Användningen av konstgjorda nanomaterial har ökat kraftigt och det finns en potentiell risk för negativa effekter på miljön av frigjorda nanopartiklar. En negativ effekt av dosering av olika nanomaterial på den biologiska kväve- och fosforavskiljningen kunde förklaras av förändringar såväl av den bakteriella sammansättningen som av enzymaktiviteten.
Av: Bengt Andersson
Nanotekniken började utvecklas under 1980-talet och konstgjorda nanomaterial (engineered nanomaterial, ENM) med unika fysikalisk/kemiska egenskaper skapades för användning inom vida områden bl.a. i olika industriella tillämpningar och i många konsument- och läkemedelsprodukter. Idag finns över 1000 olika material kommersiellt tillgängliga och utvecklingen förväntas öka explosionsartat framöver.
Frigjorda ENM från produkterna tillförs miljön på olika sätt och förekomst har påvisats i mark, ytvatten, avloppsvatten och avloppsslam. Studier har visat att vissa ENM kan påverka den biologiska avskiljningen av kväve och fosfor men långtidseffekten vad gäller påverkan på funktionella nyckelbakterier och essentiella enzym är bristfällig.
Syftet med refererad undersökning var att jämföra långtidseffekten av olika typer av ENM på den biologiska kväve- och fosforavskiljningen, att undersöka förändringar i den mikrobiella strukturen i ett aktivt slam vid exponering av ENM samt att bestämma påverkan på genuttryck kodade till katalytiska enzymaktiviteter kopplade till biologisk närsaltavskiljning.
Genomförande av undersökningen
Försöken utfördes i en serie SBR-reaktorer för kväve- och fosforavskiljning, som ympats med slam från en SBR-anläggning med låg syrehalt. Effekten av fyra olika kommersiellt tillgängliga ENM (Al2O3, SiO2, TiO2 och ZnO) undersöktes, där reaktorerna beskickades med ett syntetiskt avloppsvatten (300 mg COD/l, 25 mg NH4-N/l och 10 mg PO4-P/l) med inblandning av 0, 1 resp. 50 mg/l av de olika ENM. SRT var cirka 22 dygn och varje driftcykel omfattade en anaerob fas, en aerob fas med låg syrehalt samt faser för sedimentering, dekantering och vila.
Kvantifiering av den mikrobiella sammansättningen i reaktorerna efter lång tids drift bestämdes genom qPCR (quantitative Polymerase Chain Reaction) följt av denaturering och elektrofores på gel av polyakrylamid DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis).
Nyckelenzym relaterade till biologiska processer för kväve- och fosforavskiljning (ammonium mono oxygenas (AMO), nitrit oxidoreduktas (NOR), nitrat reduktas (NAR), nitrit reduktas (NIR), exopoly fosfatas (PPX) och polyfosfat kinas (PPK)) bestämdes genom omvänd kopiering av qPCR. Dessutom bestämdes den katalytiska aktiviteten hos enzymen baserat på proteininnehållet.
Resultat
En långvarig exponering av 50 mg/l ENM visade att kväveavskiljningen påverkades negativt i förhållande till referensen utan tillsats av ENM medan fosforavskiljningen inte påverkades alls. TiO2 och ZnO hade en signifikant påverkan på ammoniumoxidationen med högre halter av ammonium i utgående avloppsvatten medan Al2O3 och SiO2 hade stor negativ påverkan på reduktionen av nitrat och nitrit. Påverkan vid en exponering av 1 mg/l ENM omnämns inte i artikeln varför det kan förutsättas att någon påverkan inte kunde påvisas.
Diversitet och stabilitet i bakteriepopulationen spelar en viktig roll för den biologiska kväve- och fosforavskiljningen. DGGE-profilerna visade att en dosering av 50 mg/l TiO2 och ZnO reducerade diversiteten signifikant och mest markant var att förekomsten av ammoniumoxiderande bakterier som Nitrosomonas sp. minskade påtagligt och bakterien försvann helt vid försöken med TiO2. Förekomsten av Stenotrophomonas sp., som är en nitratreducerande bakterie och som kan tolerera höga metallhalter, ökade vid tillsats av ENM och kunde förklara en lägre påverkan på denitrifikationen. Dominerande fosfatackumulerande bakterier som Candidatus Accumulibacter phosphatis och Rhodocyclaceae påverkades inte av tillsatsen av ENM varför effekten på den biologiska fosforavskiljningen var marginell.
Den biologiska närsaltavskiljningen är kopplad till nyckelenzym, där AMO är en katalysator vid ammoniumoxidationen och NOR vid nitritoxidationen, där NAR och NIR i huvudsak är katalysatorer vid denitrifikationen och där PPX och PPK är katalysatorer vid transformeringen av fosfor. Dosering av 50 mg/l av TiO2 och ZnO medförde en signifikant inhibering av genuttrycken av AMO och NOR medan motsvarande dosering av Al2O3 och SiO2 visade negativa effekter på NAR och NIR. Genuttrycken för PPX och PPK påverkades inte av dosering av 50 mg/l ENM.
En dosering av 1 mg/l av olika ENM hade ingen påvisbar effekt på den biologiska kväve- och fosforavskiljningen eller på den mikrobiella sammansättningen och nyckelenzymerna medan en dosering av 50 mg/l hade en påtaglig negativ effekt. Denna dosering kan synas orealistiskt hög men visade dock att det finns en potentiell risk för en negativ påverkan av konstgjorda nanomaterial åtminstone på den biologiska kväveavskiljningen.
Slutsatser
Studien visade att
- närvaron av olika konstgjorda nanomaterial i inkommande avloppsvatten kan påverka den biologiska kväveavskiljningen främst genom den negativa effekten på grund av förändringar i den mikrobiologiska sammansättningen och av genuttrycken för nyckelenzymerna vid biologisk kväveavskiljning samt
- ingen påverkan på den biologiska fosforavskiljningen kunde påvisas.
Källa: X.Zheng, H. Huang, Y. Su, Y. Wei, Y. Chen. Long-term effects of engineered nanoparticles on enzyme activity and functional bacteria in wastewater treatment plants. Water Science & Technology 72.1 (2015) pp 99 – 105.
