Silver nanoparticles (Ag NPs) are the most widely used in the consumer products and have a great potential for a broad range of future applications. Studies have demonstrated the release of Ag NPs from different consumer products, suggesting that released Ag NPs would enter municipal wastewater treatment plants (WWTPs) via sewage. As WWTPs provide potential pollutant pathways into aquatic ecosystem, WWTPs are considered to be key intermediate stations in a recent risk assessment for Ag NPs. Therefore, this study was conducted to evaluate the impact of Ag NPs particularly on biological wastewater treatment processes. Conventional activated sludge system (CAS), biological nitrogen removal (BNR), and anaerobic digestion (AD) processes were selected as three model biological treatment processes.
In BNR process, nitrification efficiency of activated sludge was decreased by 7 and 26% with 1 and 10 mg/L Ag NPs, respectively, in batch test. However, no significant inhibition was observed in denitrification up to 10 mg/L Ag NPs. This result suggests that Ag NPs have a different inhibitory effect on activated sludge depending on the growth environments. About 70-90% of Ag NPs were removed by adsorption onto sludge and/or sedimentation, and 10-30% of Ag NPs remained in the supernatant. In continuous operation of a sequencing batch reactor (SBR) for 3 months, bigger Ag NPs (i.e., dh = 82.4 ± 61.2 nm) had little impact on nitrification, while nitrification efficiency dramatically decreased after adding smaller Ag NPs (i.e., dh = 28.0 ± 15.2 nm). This is because small particles have higher reactivity due to the larger surface area and number of particles than those of big ones at the same concentration.
In CAS system, Ag NPs did not show any adverse effect on organic removal under the conditions of this study. However, it was found that long-term exposure of Ag NPs and their accumulation onto sludge could cause operational problems (i.e., equipment malfunction leading to lower circulation and mass transfer). Bacterial community analyses using pyrosequencing showed that microbial susceptibility is different for each microorganisms and microbial diversity decreased dramatically after Ag NPs exposure. The genus Sphingopyxis and Lysobacter occupied over 90 percent of total bacteria in nitrification process, and this simplicity of bacterial community may lead to low treatment efficiency.
In AD process, high exposure loading of Ag NPs in batch tests (117.6 mg Ag NPs/kg VSS) led to a negative impact, while low exposure loading of Ag NPs in continuous experiments (3.5 mg Ag NPs/kg VSS) cause a positive impact on CH4 production. Low extracellular polymeric substances (EPS) protein concentration was found at high levels of Ag NPs exposure, and this implies that Ag NPs inhibition is related to the reduction of EPS protein.
Finally, a comparison of Ag NPs adsorption tested under two different ionic strength conditions (145mM and 10mM) clearly indicates varying extents of adsorption depending on the types of bacterial species. P. putida and S. aureus showed the highest and lowest Ag NPs adsorption capacity, respectively, regardless of ionic strength. Ag NPs adsorption capacity at high ionic strength (145mM) was correspondent with the amount of total EPS production. For solutions with low ionic strength (10mM), the energy barrier, which was not observed in 145mM solutions, was found, and two bacterial species (P. putida and B. subtilis) having lower energy barrier than two other species showed higher adsorption capacity. Also, it is likely that the antimicrobial activity of Ag NPs is not proportional to the amount of adsorbed Ag NPs on the bacteria cell surface.
Even though activated sludge were highly tolerant to continuous Ag NPs treatment compared to previous reports, significant loss of microbial diversity after Ag NPs loading was found. Considering the biological wastewater treatment system have stable performance and high tolerance to exogenous shock only when they have large and diverse microbial community structure, decrease and even simple bacterial group have a great potential to decrease in treatment efficiency and process failure. Thus, more stringent regulations of Ag NPs entering WWTPs are necessary.
은나노 입자는 다양한 소비자 용품에 광범위 하게 적용되고 있으며, 미래에는 그 적용범위와 사용량이 더 커질 것으로 예상 되고 있다. 최근 연구 결과에 따르면, 이러한 제품의 사용과정 중에 상당량의 은나노 입자가 유출되는 것으로 밝혀졌으며, 이는 유출된 은나노 입자가 하수를 통해 하수처리장으로 유입될 가능성이 높은 것을 의미한다. 하수처리장이 은나노 입자가 수계로 유입되는 경로가 됨에 따라, 은나노 입자의 위해성을 평가함에 있어 중요한 관문으로 인식되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 은나노 입자가 하수처리장 내에서도 특히 생물학적 하수처리공정에 미치는 영향에 대하여 평가하고자 하였다. 표준 활성 슬러지 공정, 생물학적 질소제거 공정, 혐기성 소화 공정을 모델 공정으로 정하였다.
질소 제거 공정에서는 은나노 입자의 농도가 1, 10 mg/L 일 때, 질산화율이 각각 7, 26% 감소하는 것으로 나타난 반면, 탈질 반응의 경우 10 mg/L까지 저해를 미치지 않았다. 이로써, 은나노 입자는 환경조건에 따라서 활성 슬러지에 미치는 저해 영향이 달라지는 것을 알 수 있었다. 약 70-90%의 은나노 입자가 슬러지에 흡착, 또는 침전에 의하여 제거 되었으며, 10-30%는 상등수에 존재하였다. 이로써 하수처리장으로 유입된 은나노 입자가 유출수와 함께 하수처리장 외부로 유출될 가능성이 높은 것으로 나타났다. 연속 운전에서는 상대적으로 크기가 큰 은나노 입자 (82.4±61.2nm)를 주입한 경우에는 질산화에 대한 저해 현상이 관찰되지 않았지만, 크기가 작은 은나노 입자 (28.0±15.2nm)을 주입한 경우에 즉각적인 저해 현상이 나타났으며, 이는 크기가 작은 나노 입자일수록 반응성이 커지고, 같은 농도에서 더 많은 입자 수를 가지기 때문이다.
표준 활성 슬러지 공정의 연속 운전에서는 유기물 제거에 아무런 저해 현상이 관찰되지 않았다. 하지만, 지속적인 은나노 입자의 유입과 슬러지 내 축적은 장비의 오작동과 낮은 물질순환 등 공정 운전 상의 문제를 유발할 수 있는 것으로 나타났다. Pyrosequencing을 이용한 미생물 군집 분석결과, 미생물 종류에 따라 은나노 입자에 대한 민감성이 다른 것으로 나타났으며, 은나노 입자에 노출시 미생물 군집의 다양성이 급격히 감소하였다. 특히, 질산화 공정에서는 Sphingopyxis와 Lysobacter 두 종의 박테리아가 전체 90% 이상을 차지하였으며, 이러한 군집의 단순화가 처리효율의 감소를 야기한 것으로 추측하였다.
혐기성 소화 공정에서는 은나노 입자의 부하가 높았던 (117.6 mg Ag NPs/kg VSS) 회분식 실험에서는 부정적인 영향을 나타낸 반면, 부하가 낮았던 (3.5 mg Ag NPs/kg VSS) 연속 실험에서는 CH4 가스 생산에 긍정적인 영향을 보였다. 은나노 입자의 부하가 높았을 때 EPS 단백질의 농도가 특히 감소하는 것으로 나타나 EPS 단백질 농도가 은나노 입자의 저해와 상관관계가 있는 것으로 판단하였다.
마지막으로, 두 가지 이온강도 조건 (10mM, 145mM)에서 수행된 흡착실험에서는 박테리아 종에 따라서 흡착량이 달라지는 것을 확인할 수 있었다. P. putida와 S. aureus가 이온강도에 관계없이 각각 가장 높고 가장 낮은 흡착률을 보였으며, 특히 이온강도가 높은 경우에는 총 EPS 생산량과 흡착능이 상관관계를 가지는 것으로 나타났다. 반면, 이온강도가 낮은 경우에는 energy barrier가 작은 박테리아 종이 더 큰 흡착능을 가지는 것으로 나타났다. 또한, 은나노 입자의 미생물 활성 저해정도는 흡착된 은나노 입자의 양과는 큰 상관관계가 없는 것으로 나타났다.
기존 연구 결과와 비교하여 활성 슬러지가 은나노 입자의 연속적인 유입에 대하여 강한 저항력을 가지는 것으로 나타났으나, 은나노 입자의 주입 후 슬러지 내 미생물 군집의 다양성이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 생물학적 처리 공정에서 미생물 군집이 큰 다양성을 지닐 때 안정적인 운전이 가능하고 외부 충격에 저항력을 가지는 것을 고려하면, 군집의 다양성 감소와 단순화는 공정의 처리 효율 감소와 더불어 공정 실패의 큰 가능성을 가지고 있는 것으로 판단된다. 따라서, 하수 처리장 내로 유입되는 은나노 입자에 대한 보다 엄격한 규제가 필요하다.
