《Environmental Research》：The Microbial Response to Biodegradable Polylactic Acid Microplastics during Anaerobic Fermentation of Waste Activated Sludge
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PLA微塑料显著抑制厌氧污泥发酵产挥发性脂肪酸（VFA），其浓度越高抑制越明显，最大降幅达18.18%。研究揭示了PLA微塑料通过抑制关键酶活性（降低5.14-18.18%）、增加氧化应激（LDH泄漏增加39.9%）和改变微生物群落（Bacteroidota减少）三条途径干扰产酸过程，同时促进污泥溶胞（增幅2.3-11.91%）。该发现为含可降解微塑料的厌氧污泥处理工艺优化提供理论依据。
Jie Chen|Jinjing Xiang|Maoli Hu|Yafei Zhang|Li Gu|Qiang He|Lin Li
教育部三峡库区生态环境重点实验室，重庆大学环境与生态学院，中国重庆400045
摘要
全球自然环境中微塑料（MPs）的积累引发了严重的生态问题，污水处理厂成为主要的积累点。本研究探讨了聚乳酸（PLA）微塑料对废活性污泥（WAS）中挥发性脂肪酸（VFA）产生的影响。在不同PLA微塑料浓度（0-200颗粒/g-TS）下，系统地研究了VFA的产生、胞外聚合物物质（EPS）的结构以及微生物群落的响应。结果表明，PLA微塑料显著抑制了产酸过程，VFA产量比对照组降低了5.14%-18.18%。尽管PLA微塑料提高了污泥的溶解度（增加了2.3%-11.91%），但它们通过以下方式显著抑制了后续的水解和酸化过程：（1）抑制关键酶活性；（2）增加氧化应激（乳酸脱氢酶（LDH）泄漏量增加了39.9%）；（3）改变微生物群落结构（Bacteroidota和关键功能菌属减少）。这些发现为可降解微塑料与厌氧发酵过程之间的复杂相互作用提供了新的见解，强调了在面对日益增加的可降解微塑料污染时，需要采取缓解策略。
引言
据估计，1950年至2015年间全球产生了63亿吨塑料废物，其中约79%被填埋或直接排放到自然环境中（Geyer等人，2017年）。这导致了水生和陆地环境中微塑料（MPs，即小于5毫米的塑料碎片）的污染，已成为全球自然系统中的一个普遍问题（Thompson等人，2004年）。由于微塑料颗粒尺寸小，它们容易被低营养级生物摄取，从而通过食物网在生物体内积累。这一现象对人类健康构成了严重威胁，相关的年度医疗成本和生产力损失超过1.2万亿美元（Landrigan等人，2023年；Li等人，2021年）。为应对这些挑战，可降解塑料（BPs）在各个行业中得到了越来越多的应用，作为减轻全球塑料污染的可行替代方案（Fiandra等人，2023年）。聚乳酸（PLA）是最广泛使用的可降解塑料，目前占全球可降解塑料总产量的25%（Cazaudehore等人，2022b）。作为一种热塑性聚合物，PLA可以直接从天然有机酸或乳酸单体合成，并且可以通过微生物活动迅速降解。然而，可降解塑料在自然环境中仍会以微塑料的形式存在，直到完全矿化（Hablot等人，2014年；Huang等人，2021年）。污水处理厂（WWTPs）已成为城市水循环中微塑料的重要来源和汇（Li等人，2018年；Liu等人，2019年）。污水处理厂对城市污水中的微塑料具有很高的去除效率（98.41%）。如此高的去除率表明，大量微塑料从水相转移到了固相（即活性污泥中），使得活性污泥成为这些微塑料的主要储存库（Murphy等人，2016年；Ziajahromi等人，2016年）。随着全球塑料生产和使用的增加，废活性污泥（WAS）中微塑料的含量预计将逐年上升。在WAS处理技术中，厌氧发酵是目前最有前景且应用最广泛的污泥处理工艺。尽管关于PLA微塑料厌氧发酵的研究仍处于早期阶段（Cazaudehore等人，2022b），但现有研究表明，在嗜热条件（55-58°C）下的降解效率明显优于中性条件（35-38°C）（Cazaudehore等人，2022a）。这是因为PLA在约58°C时会发生玻璃化转变，改变其物理状态，从而增强微生物的水解和生物降解效率。然而，考虑到能源消耗和工艺稳定性，大多数欧洲沼气厂仍在中性条件下运行（Vardar等人，2022年）。当PLA微塑料作为厌氧发酵的唯一碳源时，由于其酯键结构的稳定性，其降解过程中会观察到明显的延迟阶段。有效的水解过程包括微生物定殖和酶诱导，这使得在传统的短期实验中难以观察到PLA微塑料的完全降解。具体来说，Cazaudehore等人报告称，在520天内PLA降解超过了80%（Cazaudehore等人，2022c）。同样，Bernat等人证明在280天后PLA有66%的矿化（Bernat等人，2021年）。
来自市政污水处理过程的WAS含有丰富的复杂有机物质，是资源回收的潜在底物（Liu等人，2022年）。由于VFA具有较高的能量密度和多样的应用潜力，厌氧发酵生产VFA是传统甲烷生成方法的一种有前景的替代方案（Fang等人，2020年）。VFA被认为是细菌的有利底物，可以成为污水处理厂中去除磷和氮的最佳碳源（Jiang等人，2009年；Kang等人，2023年）。然而，WAS中的微塑料在发酵过程中可能会释放有毒物质，从而抑制微生物活性，对水解、酸化和VFA的产生产生负面影响。具体的抑制效应取决于微塑料的浓度、颗粒大小和聚合物类型（He等人，2021年）。例如，有报道称，30颗粒/g-TS的聚苯乙烯（PS）微塑料可使VFA产量增加112.8 ± 2.4%，而更高浓度（90颗粒/g-TS）则会使VFA产量减少83.01 ± 0.76%（Zheng等人，2021年）。随着可降解塑料应用的增加，预计PLA微塑料在WAS中的比例将逐渐上升。然而，关于PLA微塑料如何影响厌氧污泥发酵过程中VFA产生的详细信息仍然不足。微生物对PLA微塑料的功能响应在很大程度上尚未被探索。
基于以上信息，本研究旨在探讨不同PLA微塑料浓度（0-200颗粒/g-TS）下PLA微塑料对WAS厌氧发酵的影响。在整个发酵过程中持续监测VFA的产量，并进一步分析了PLA微塑料对溶解度的潜在影响以及EPS结构的变化。之后，评估了功能酶活性、细菌活力和细菌群落结构，以解释观察到的厌氧发酵性能。研究结果将揭示可降解PLA微塑料与厌氧发酵系统之间的复杂相互作用，为在存在可降解微塑料的情况下优化WAS中的资源回收提供科学依据。
部分内容摘要
底物、接种物和微塑料的来源
本研究使用的WAS来自中国重庆一个全规模污水处理厂的二次沉淀池。原始WAS通过重力浓缩后，在使用前储存在4°C下。浓缩WAS的主要特性如表1所示。PLA微塑料购自江苏智川科技有限公司（中国），粒径为500 μm，呈球形（与图2A-B中的观察结果一致）。不同PLA微塑料浓度下的厌氧发酵性能
图1A显示了在PLA微塑料胁迫下WAS厌氧发酵过程中VFA浓度的变化。实验结果表明，PLA微塑料含量对VFA的积累产生了显著的负面影响。在发酵初期，VFA浓度保持在较低水平，并呈现缓慢上升的趋势，各组之间没有显著差异。在快速生长阶段（结论
本研究系统地探讨了PLA微塑料对WAS厌氧发酵的影响。结果表明，PLA微塑料抑制了VFA的发酵。对照组在第8天达到了最高的VFA产量（2239 mg/L），而含有30、60、90、120和200颗粒PLA/g-TS的组别VFA产量分别降低了5.14%、9.45%、11.08%、15.67%和18.18%，同时发酵峰值时间也有所延迟。值得注意的是，尽管PLA微塑料提高了
作者贡献声明
Jie Chen：撰写——初稿，可视化。Yafei Zhang：撰写——审稿与编辑。Li Gu：概念构思。Jinjing Xiang：撰写——初稿，可视化，研究。Maoli Hu：撰写——初稿，研究。Lin Li：撰写——审稿与编辑，资金筹集，概念构思。Qiang He：撰写——审稿与编辑，资源协调。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52200144）、国家重点研发计划（编号：2023YFC3804700）以及重庆市技术创新应用发展计划（CSTB2022TIAD-KPX0201）的支持。同时，我们也感谢重庆大学分析测试中心提供的支持。
