综述：关于微塑料对生物废水处理过程中氮转化和一氧化二氮排放影响的综述：效率、机制及前景

微塑料通过改变微生物群落结构、关键酶活性及功能基因表达影响水处理系统中氮循环和N?O排放，提出物化调控、生化优化、工艺参数调整及机器学习模型整合等综合策略。

　　

何彦超|陈家豪|梁博才|吴立鹏|刘胜涛|陈胜龙|卢旭祥|黄志|苏成远

广西师范大学生态脆弱地区环境过程与修复重点实验室，中国广西桂林市玉才路15号，541004

摘要

微塑料作为一种在水生系统中普遍存在的新兴污染物，在污水处理厂中经常被检测到。它们不仅对人类健康构成威胁，还会影响氮循环和一氧化二氮（N₂O）的排放。近年来，关于微塑料与氮之间相互作用的研究受到了相当多的关注。然而，对微塑料在污水处理过程中对强效温室气体N₂O排放的总体影响的全面分析仍然有限，特别是在阐明其潜在机制和调控过程方面存在知识空白。本综述旨在综合讨论微塑料对污水处理系统中氮循环和N₂O排放的影响，总结了当前的研究成果，并深入探讨了微塑料影响氮转化的机制，确定了关键酶、功能性微生物和基因作为影响这些过程的主要因素。此外，还提出了调控氮循环和N₂O排放的综合策略，包括物理化学方法、生化方法、操作参数调整以及将机器学习与建模模拟相结合的方法。本综述为减少含有微塑料的废水生物处理中的温室气体提供了新的见解，并旨在促进其在工程应用中的发展。

引言

由于塑料具有优异的塑性、灵活性、耐用性、稳定性和低成本（Xu等人，2022年），它们被广泛应用于各个行业。塑料废物在环境中会经历风化、侵蚀和分解，逐渐分解成直径小于5毫米的微塑料（MPs），这些微塑料成为主要的污染载体（Shen等人，2019年）。它们不仅直接影响微生物的代谢活动，还可能通过吸附和释放其他污染物直接或间接影响环境和人类健康（Wang和Zhou，2024年）。环境中的微塑料可以通过生活污水和雨水径流进入污水处理设施（Yang等人，2020年）。污水处理厂（WWTPs）通常被认为是多种污染物的汇（Wei等人，2019年）。最近的研究表明，微塑料的特性可能会影响污水处理过程中的温室气体产生（Sun和Jiang，2025年；Yang等人，2025年）。

氮在水生生态系统中起着关键作用，其转化和循环过程主要由微生物群落介导。微塑料通过改变微生物的数量、组成和群落结构特征来影响氮的转化（Shen等人，2022年）。作为一种强效温室气体，一氧化二氮（N₂O）的全球变暖潜力大约是二氧化碳的300倍（Zhang等人，2025a）。自工业革命以来，大气中N₂O的浓度呈上升趋势（Gao等人，2020年；Montzka等人，2011年）。在污水处理过程中，N₂O的排放主要来自市政污水系统中的生物氮去除（BNR）过程（Yang等人，2024b）。N₂O的排放可能占污水处理厂碳足迹的一半以上（Kinnunen等人，2025年）。以往的研究主要集中在污水处理厂的温室气体排放上，而对微塑料如何影响这些设施中的一氧化二氮排放的机制关注较少（Kinnunen等人，2025年）。特别是考虑到污水处理厂中存在高浓度的微塑料残留物，监测和减少一氧化二氮排放仍然是一个相对未被探索的领域。

N₂O是污水处理过程中生物氮转化的副产品。N₂O的生成主要有三个途径：（1）羟胺氧化，（2）硝化菌反硝化，（3）异养反硝化不完全（Song等人，2024年）。Kampschreur等人（2009年）证实，N₂O的排放主要来自污水处理的曝气区（Kampschreur等人，2009年）。实验室和全规模处理厂的测量结果表明，在氮去除过程中可能会产生N₂O；然而，由于工艺条件的变化和监测方法的一致性不足，报告的排放值差异较大（Kampschreur等人，2009年）。这突显了目前准确监测污水处理厂中一氧化二氮排放的难度。

最近的研究表明，微塑料在废水中普遍存在，这些颗粒对生物反硝化过程有显著影响（Lares等人，2018年；Li等人，2018年）。然而，很少有研究系统地总结微塑料如何影响生物污水处理过程中的氮循环和N₂O排放，也没有全面探讨在高微塑料浓度背景下如何调节一氧化二氮排放。鉴于越来越多的人认识到微塑料对氮循环的破坏性影响，本综述对微塑料与N₂O之间的关系进行了文献分析，并总结了微塑料如何影响污水处理中N₂O排放的机制。其次，本文分析了各种调节方法，包括物理方法、生物方法和控制污水处理厂操作参数的方法。此外，还总结了用于预测污水处理厂中N₂O排放的预测模型和机器学习技术。最后，本综述为推进旨在调节污水处理厂中氮循环和控制温室气体排放（特别是N₂O）的环境策略提供了一些见解。

参考文献分析

过去十年中，发表了1000多篇关于微塑料和氮的论文。检索到的数据按时间顺序进行了整理。2016年至2025年的年发表增长率如图S1所示。Web of Science数据库中最早的关于微塑料和氮的论文可以追溯到2016年。全球发表趋势随着时间的推移稳步增加。2025年发表的论文数量最多，达到了315篇。从2022年开始，

微塑料对反硝化过程的影响

BNR过程通常包括硝化和反硝化。在有氧阶段，硝化细菌通过亚硝酸盐（NO₂^?）作为中间体，将氨（NH₄⁺）氧化为硝酸盐（NO₃^?）。在厌氧阶段，反硝化细菌进行反硝化，逐步将NO₃^?还原为氮气（N₂）（Duan等人，2021年）。N₂O作为氨氧化细菌（AOB）代谢活动的固有副产品，主要是通过

微塑料对氮循环和N₂O排放的影响机制

污水处理厂中的氮转化过程受到微生物多样性和结构、酶活性、相关编码基因以及氧气通量的影响（Shen等人，2022年）。不同类型的微塑料可以通过影响氮转化微生物的数量和活性，在不同程度上促进或抑制硝化和反硝化。此外，由于微塑料的特性，如体积小、强疏水性、潜在的添加剂以及

物理和化学调节

通过添加生物炭、改性生物炭、锰矿、NH?OH等增强物质，这些物质可以产生协同效应，降低微塑料的毒性并促进电子转移，从而有效调节氮循环，减少污水处理厂的N₂O排放。具体效果取决于这些增强物质的类型、浓度和操作条件。增加污水处理厂中生物炭的量可以改善处理效果

基于机器学习的微塑料和N₂O协同预测与控制

微塑料在污水处理厂中被广泛检测到并积累，它们可以通过多种机制干扰氮代谢，刺激N₂O的产生和排放（Liu等人，2025b）。这种“微塑料 → 氮循环中断 → N₂O排放加剧”的连锁效应给污水处理厂实现高效氮去除和低碳运行带来了双重挑战（Chen等人，2022年）。特别是，精确量化微塑料对氮循环（尤其是N₂O

未来展望

• （1）
  关于微塑料的研究，特别是研究不同类型和老化方法的影响至关重要。特别是在实验室研究不断深入的背景下，迫切需要将机制理解扩展到实际的污水处理系统中，特别关注老化微塑料的长期生态影响。与原始微塑料相比，从活性污泥中提取的微塑料往往具有更粗糙的表面

结论

微塑料影响污水处理系统中的微生物群落结构、关键酶活性和功能基因表达，从而影响氮循环过程，最终导致N₂O排放通量的波动。本综述总结了微塑料影响生物污水处理中N₂O排放的机制，并提出了各种调节氮循环的策略。这些策略包括引入改性

CRediT作者贡献声明

何彦超：撰写——初稿，数据整理。陈家豪：撰写——初稿，数据整理。梁博才：撰写——初稿。吴立鹏：撰写——初稿。刘胜涛：撰写——初稿。陈胜龙：撰写——初稿，方法学。卢旭祥：方法学。黄志：方法学。苏成远：撰写——初稿，方法学。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢广西自然科学基金（资助编号：2025GXNSFAA069477）、广西研究生教育创新项目（资助编号：JGY2024074）和大学生创新创业培训计划（S202410602168）提供的财政支持。