纳米塑料类型对序批反应器中短程硝化-反硝化过程的影响：阐明氮、胞外聚合物物质与氧化应激之间的代谢关系

《Journal of Hazardous Materials》：Influence of nanoplastic type on the short-cut nitrification-denitrification in a sequencing batch reactor: Elucidating the metabolic relationship of nitrogen, extracellular polymeric substances, and oxidative stress

纳米塑料（PBAT-NPs和PE-NPs）对活性污泥SBR反应器中SCND性能的影响及代谢关联研究。发现PE-NPs比PBAT-NPs更显著抑制SCND，通过破坏硝化酶和影响TCA循环代谢，同时PBAT-NPs主要干扰抗氧化酶和EPS合成酶。揭示NP类型通过调控ROS、EPS和TCA循环代谢网络影响脱氮作用。

　　

陈国庄|常浩文|郭黎明|王志超

辽宁大学环境科学学院，中国沈阳

摘要

纳米塑料（NPs）是污水处理厂中的一种新兴污染物，包括可生物降解和不可生物降解两种类型，研究它们对活性污泥中细菌代谢关系的影响具有重要的科学价值。本研究探讨了可生物降解的聚丁酸 adipate-对苯二甲酸共聚物纳米塑料（PBAT-NPs）和不可生物降解的聚乙烯纳米塑料（PE-NPs）（浓度为0–1.5 mg/L）对序批反应器（SBR）短程硝化-反硝化（SCND）过程的影响，重点关注活性氧（ROS）、胞外聚合物物质（EPS）与SCND过程之间的代谢联系。结果表明，EPS合成、氧化应激以及三羧酸（TCA）循环中的代谢中间产物和电子供应的变化与氮代谢紊乱密切相关；在不同纳米塑料浓度下，SCND过程性能均受到严重抑制，其中PE-NPs对SCND过程的抑制作用比PBAT-NPs更为显著。与未添加PBAT-NPs和PE-NPs的对照组相比，PE-NPs使ROS生成量增加了194.17%，而PBAT-NPs使ROS生成量增加了129.28%。PE-NPs主要诱导了更多且更关键的ROS生成基因和酶；与PE-NPs相比，PBAT-NPs通过影响更多酶来降低LB/TB-EPS中的蛋白质（PN）含量，同时对LB/TB-EPS中的多糖（PS）含量也有类似的影响。TCA循环可能在这些代谢过程中起中介作用。本研究揭示了可生物降解和不可生物降解纳米塑料通过何种代谢机制在SCND系统中产生毒性，为针对性风险缓解措施提供了科学依据。

引言

塑料因其广泛的应用性、耐用性和较低的生产成本而普遍存在。废弃塑料会分解成微塑料（MPs，< 5 mm）和纳米塑料（NPs，< 1000 nm），并在环境中广泛分布。污水处理厂（WWTPs）被认为是MPs和NPs的主要储存库和二次来源[1]，其浓度可达到数mg/L[2]。MPs和NPs的存在会改变微生物群落结构，干扰活性污泥中的细菌代谢功能，从而降低氮去除效率[3]。与MPs相比，NPs具有独特的粒径和特性，能够更容易穿透细菌细胞并引发更强的毒性作用[1]。塑料可分为可生物降解和不可生物降解两类，它们对细菌的毒性作用及其机制存在显著差异[4]。短程硝化-反硝化（SCND）是一种在氨氧化阶段终止硝化反应并通过亚硝酸盐还原实现氮去除的过程，具有较高的经济效率和效果[5]。但由于严格的操作条件和特殊的微生物群落组成，SCND过程对多种因素（如有毒物质、温度和水质波动）非常敏感[5]。因此，系统研究可生物降解和不可生物降解纳米塑料对SCND过程氮去除效果的影响及其潜在的分子机制至关重要。

暴露于纳米塑料的细菌会经历氧化应激失衡，这是导致氮去除效率下降的主要原因之一[6]。活性氧（ROS）水平升高是细菌氧化应激的关键标志，ROS水平的增加会损害DNA并破坏细胞膜完整性，从而降低细菌的氮去除能力[7]。一些研究从分子层面阐明了纳米塑料暴露下细菌中ROS水平升高的原因。例如，Li等人[8]研究了聚苯乙烯纳米塑料对好氧颗粒污泥过程的影响，发现其添加会降低细菌抗氧化基因（如SOD2和katE）的表达，最终导致ROS积累。Wang等人[9]研究了聚乙烯对苯二甲酸纳米塑料对细菌的影响，发现ndh和sdhA等基因的表达下调是ROS增加的原因之一。这些研究加深了人们对纳米塑料诱导细菌产生ROS机制的理解。此外，细菌在暴露于纳米塑料时通常会分泌胞外聚合物物质（EPS）以形成防御屏障，从而减轻纳米塑料渗透引起的氧化应激[10]。EPS主要由蛋白质（PN）和多糖（PS）组成，其含量和组成受纳米塑料影响。EPS的变化也受酶和基因调控，一些研究表明cysK和galE等EPS合成基因及磷酸丝氨酸转氨酶等酶可以调节EPS的含量和组成[3],[11]。然而，目前相关研究仍较为有限，主要集中在ROS或EPS对纳米塑料胁迫的单一代谢响应上。在复杂的微生物代谢网络中，ROS和EPS途径之间的相互作用及其对SCND系统中氮代谢的影响尚不明确。事实上，有证据表明可能存在这种相互作用。例如，Zhou等人[12]发现参与ROS代谢的非呼吸黄素酶的产生与EPS分泌相关酶的上调呈正相关，表明ROS代谢与EPS合成之间存在协同关系。还有一些研究将NADPH依赖性谷氨酸合成酶（EC:1.4.1.13）确定为ROS生成的关键酶[12]，并发现其在氮代谢中也起重要作用[13]。这些发现表明ROS代谢与氮代谢之间可能存在关联，但尚未得到充分研究。总体而言，可生物降解和不可生物降解纳米塑料可能通过不同的机制调节“ROS-EPS-氮”代谢网络，从而导致氮去除效率的差异。

本研究选择了常见的可生物降解聚丁酸 adipate-对苯二甲酸共聚物纳米塑料（PBAT-NPs）和不可生物降解聚乙烯纳米塑料（PE-NPs），探讨它们对SCND系统中氮去除效果、EPS组成和ROS生成的影响，并在分子水平上阐明了这些物理化学变化的潜在机制和代谢联系。这项研究为了解不同类型纳米塑料在生物废水处理系统中的细胞响应提供了新的视角。

反应器设置、废水合成及纳米塑料性质

建立了两个配置和操作参数相同的序批反应器（R1和R2）。反应器的配置与Chen等人[3]描述的参数一致。R1和R2每天运行两个周期，每个周期包括以下阶段：0.05小时的进料、8.45小时的曝气、2.5小时的厌氧反应、0.95小时的沉淀和0.05小时的出水排放。污泥停留时间保持在20天。R1和R2使用的接种污泥相同

纳米塑料类型对SCND过程的影响

图1显示了PBAT-NPs和PE-NPs对SCND过程的影响。低浓度（0.25 mg/L）的PE-NPs和PBAT-NPs对NH₄⁺-N和COD的去除效果影响较小，而高浓度（1.5 mg/L）则显著抑制了这些过程。Tang等人[7]发现PS-NPs增强了其对氮去除的抑制作用。R1和R2中NH₄⁺-N的去除效率分别为50.06%和43.35%，相应的COD去除效率分别为65.78%和63.03%

结论

PBAT-NPs和PE-NPs均通过干扰氮代谢对SCND过程中的氮去除产生不利影响，其中PE-NPs的抑制作用更为明显。PBAT-NPs主要通过干扰反硝化酶影响氮去除，而PE-NPs则通过影响硝化酶起作用。

环境意义

本研究通过评估氮去除效果、EPS组成和ROS生成的变化，以及在分子水平上ROS、EPS和氮去除之间的潜在机制和代谢联系，为理解可生物降解和不可生物降解纳米塑料的毒性对SCND废水处理系统中ROS、EPS和氮代谢连接的影响提供了新的视角。

作者贡献声明

陈国庄：撰写初稿、软件使用、实验设计、数据整理。常浩文：软件使用、方法论设计、实验设计、数据整理。郭黎明：软件使用、方法论设计、实验设计、数据整理。王志超：撰写修订稿、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了辽宁振兴人才计划（编号：XLYC2403005）、辽宁高校基本科研经费（编号：LJKLJ202404）、辽宁大学青年拔尖人才计划以及2023年沈阳市科技人才专项项目（编号：RC230241）的支持。