《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Insights into responses of an adsorption?biological coupling system to polystyrene microplastics exposed to different aging mechanisms
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微塑料（MPs）老化对吸附-生物耦合系统性能的影响研究。通过H?O?和UV-H?O?两种老化方法处理PS MPs，发现UV-H?O?老化组总磷去除效率更高，DOM含量更低，且通过功能基因和微生物群落分析揭示了DOM降解机制及微生物调控规律。
Jiahao Chen|Yi Tang|Yong He|Shengtao Liu|Yongan Chen|Bingya Kang|Shenglong Chen|Yinhua Pan|Yuxiang Lu|Chengyuan Su
广西生态脆弱地区环境过程与修复重点实验室，广西师范大学，中国桂林市玉彩路15号，541004
摘要
微塑料（MPs）在废水处理系统中经过老化处理后，其行为会变得更加复杂。当老化微塑料在系统中积累时，系统的废水处理效率就成为一个值得关注的问题。本研究构建了一个预先加载的老化聚苯乙烯微塑料（PS MPs）填充层，探讨了两种老化方法对吸附-生物耦合处理效果、核心功能基因和代谢途径的影响。采用两种老化方法——H?O?和UV-H?O?——对预先加载的PS MPs进行处理（TA组：H?O?老化；TB组：UV-H?O?老化）。TA组在氨氮的去除效率上略高，而TB组在总磷的去除效率上表现更好。TB组中较低的溶解有机物（DOM）含量表明UV-H?O?老化增强了其降解和矿化作用。本研究通过功能基因分析进一步阐明了UV-H?O?老化PS MPs处理组中的DOM降解和矿化机制。活性氧（ROS）相关基因和群体感应基因的表达变化表明，DOM分解可能产生具有潜在危害的物质。微生物分析显示，TB组抑制了Pseudomonadota的数量，并改变了Bacteroidota的分布，而TA组则导致反应器下层Bacteroidota富集。丙酮酸激酶的含量下降，表明PS MPs抑制了上层基因表达和葡萄糖降解。H?O?老化的PS MPs上调了norB基因，增强了N?O还原酶的表达和反硝化作用，但抑制了磷酸盐特异性转运。这些发现为含有老化PS MPs的废水处理系统的工程应用和过程稳定性优化提供了重要的理论基础。
引言
作为新兴污染物，微塑料（MPs）已经造成了广泛的环境污染[1]。由于它们具有低密度和小尺寸的共同物理特性，MPs很容易通过废水进入处理系统，使得污水处理厂成为它们可能排放到自然水体之前的关键积累点[2]。在水处理过程中，MPs不仅因其持久性而对处理单元造成负担和干扰，还可能吸附和浓缩各种污染物，从而转变为放大生态风险的复合污染物载体[3]。由于其聚合物结构的化学惰性和抗生物降解性，MPs可以在环境中长期存在。这种长期暴露导致多种类型的老化，如光化学氧化、机械磨损和生物膜侵蚀，导致MPs表面粗糙化、比表面积增加以及含氧官能团（如羰基和羟基）的形成[4]。老化后，MPs聚合物的长链逐渐断裂，其表面形态和物理化学性质发生变化[5]。老化提高了MPs的环境风险水平，尤其是在水生系统中；它们老化的表面更有可能通过疏水作用、静电吸引和配位键合等机制吸附共存的有机污染物（如抗生素和多环芳烃）和重金属离子[6]。迫切需要对老化MPs对传统水处理过程的长期影响进行系统评估，为过程优化和风险控制提供科学依据。
Luo等人研究了原始聚丙烯微塑料（PP MPs）和腐殖酸（HA）在pH 7.0下的相互作用，发现腐殖酸和老化PP MPs的傅里叶变换红外（FT-IR）峰变化比原始PP MPs更为显著，老化MPs与溶解有机物（DOM）之间的相互作用更强[7]。Yu等人研究了热老化聚乳酸微塑料对污泥中挥发性有机化合物的吸附效应和细胞毒性；老化MPs显著降低了细胞活力，表明其细胞毒性增强[8]。Li等人指出，老化MPs对废水处理系统中化学需氧量（COD）和NH??-N的去除效率具有更显著的抑制作用。这可能是由于老化MPs减少了氮去除功能细菌的数量，进而降低了关键氮代谢基因（如amoA和nirK）的表达，最终破坏了氮转化的平衡[9]。显然，老化过程显著改变了MPs的表面特性和渗出行为，从而增强了其对微生物活性的抑制作用，并可能对废水处理系统的长期稳定性产生更大影响。
吸附-生物耦合（A-BC）系统基于人工湿地的概念构建，将生物处理与物理和化学吸附完全结合[10]。现有研究表明，A-BC系统在处理含有抗生素和微塑料的废水方面具有一定的潜力[10]，[11]。吸附过程为微生物提供了附着表面，提高了生物降解速率和污染物去除率[12]。生物降解可以通过微生物代谢活动处理废水中的污染物[13]。此外，通过填料的筛选能力，可以将较大的塑料颗粒从废水中分离出来。填料吸附废水中的化合物，进一步提高污染物去除效率。Wang等人进行了一项无植被的实验室规模垂直流人工湿地入口研究，发现在短期（45天）实验中，使用沙子作为填料时MPs的去除率为100%；当填充材料为砾石时，MPs的去除效率保持在约96%[14]。尽管先前的研究已经证明了A-BC系统对含MPs废水的处理潜力，但它们的长期运行性能和经济可行性仍面临关键问题：处理此类废水后，填料介质中保留的MPs是否会影响介质特性或微生物功能，从而影响后续常规生活废水的连续处理效率和系统稳定性。目前，关于A-BC系统或类似过程（例如人工湿地）在处理MPs后的长期性能衰减模式和机制的系统研究仍然很少。
现有研究主要集中在原始MPs在短期暴露下的影响。在实际废水处理场景中，MPs主要存在于填料和生物膜中，在长期的物理、化学和生物过程中会经历显著老化，导致其表面性质、渗出行为和生态毒性的根本变化。目前缺乏关于老化MPs在填充层中系统积累如何影响A-BC设备长期运行效率、微生物群落稳定性和代谢功能的深入分析。因此，研究老化微塑料在A-BC系统中的长期行为及其对后续常规废水处理的影响，对于评估该过程的实际应用潜力和优化操作策略具有重要的理论和实践意义。聚苯乙烯微塑料（PS MPs）由于在食品包装、消费品和工业领域的广泛应用，成为水生环境中最常检测到的塑料之一，它们也更有可能通过食物被人体摄入[15]，[16]。因此，选择PS MPs作为本研究的代表对象。
为了解决这一知识空白，本研究首先阐明了填充层中积累的老化PS MPs如何作为不可逆的干扰源，影响A-BC系统的去除效率和DOM的降解。同时，还研究了填料的酶活性和官能团变化，以及涉及的微生物群落、关键功能基因和代谢途径。结果表明，老化PS MPs的长期积累通过重塑微生物群落结构和在机制层面调控关键代谢基因表达，削弱了A-BC系统的运行稳定性。这一发现将PS MPs的环境风险从“短期吸附效应”扩展到了“长期功能降解”，为评估它们在实际废水处理场景中的累积生态后果提供了科学依据。
实验装置
实验装置的主要部分由两根聚乳酸丙烯酸树脂管组成（壁厚：3毫米），内径×外径×高度 = 10 × 12 × 60厘米（图S1）。一个气体流量计通过橡胶管连接到通风口，另一端连接到曝气装置。每天进行12小时的曝气，曝气量控制在20毫升/分钟。内部填料是沙子的混合物（粒径：
COD去除
图1a显示了使用H?O?（TA）或UV-H?O?（TB）老化的PS MPs的A-BC系统的COD去除效率。在最初的12天内，COD去除率极不稳定，去除效果较低。TA反应器在前10天的平均COD去除率为69.70%，而TB反应器在前11天的平均COD去除率为67.09%。TB反应器在早期的COD去除率低于TA反应器，并且达到相同去除率所需的时间更长结论
在采用UV-H?O?老化的PS MPs的A-BC系统中，COD和氨氮的去除效率低于仅使用H?O?老化的PS MPs的反应器，而前者系统的总磷去除效率更高。UV-H?O?老化的PS MPs减少了Pseudomonadota的数量，同时增强了Burkholderiales和Sphingomonadales的活性。同时，UV-H?O?老化下调了群体感应相关基因（如ftsY、yidC）的表达，同时上调了其他基因
CRediT作者贡献声明
Yi Tang： 数据整理。Jiahao Chen： 写作——初稿，数据整理。Yong He： 数据整理。Shenglong Chen： 方法学。Bingya Kang： 数据整理。Yongan Chen： 数据整理。Shengtao Liu： 写作——初稿，数据整理。Chengyuan Su： 写作——初稿，方法学。Yuxiang Lu： 方法学，数据整理。Yinhua Pan： 数据整理。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢广西自然科学基金（项目编号2025GXNSFAA069477）、广西师范大学的国家级大学生创新创业培训计划（202510602259）和广西师范大学的省级大学生创新创业培训计划（S202510602273）提供的财务支持。
