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本文系统评估微/纳米塑料（MNPs）对污水处理中氮磷去除及氮氧化物排放的影响，揭示聚合物类型、尺寸、浓度及暴露时间对其毒性的调控作用，指出非生物降解塑料更易破坏脱氮代谢并增加N?O排放，而生物降解塑料可能通过EPS改变影响微生物活性。未来需结合多组学、同位素追踪与机器学习预测长期效应，为污水处理优化提供理论支撑。
童武|王帅航|方平|陈成新|丁杰|何颖|孙汉军|丁梦琪|庞继伟|任楠琪|杨珊珊
西安理工大学城市规划与市政工程学院，中国西安710048
摘要
微塑料/纳米塑料（MNPs）的普遍存在威胁到了废水处理厂中氮（N）和磷（P）的去除效率，并影响了一氧化二氮（N?O）的排放。然而，目前对它们在不同处理系统中的影响了解仍然有限。本文综述了MNPs对各种处理系统（包括活性污泥、 constructed wetlands、颗粒污泥、膜生物反应器、生物膜和生物电化学系统）中氮和磷去除以及N?O排放的影响。研究结果表明，MNPs的毒性受聚合物类型、大小、浓度和暴露时间的影响。纳米塑料的毒性大于微塑料，且不可降解塑料所带来的风险与可降解塑料明显不同。与硝化作用和磷去除相比，反硝化作用在MNPs暴露下更为敏感。这些影响主要通过MNPs引起的细胞外聚合物物质变化、微生物酶活性改变、氧化应激水平以及微生物群落结构变化来介导。未来的研究应结合实际的多污染物暴露情况、长期监测、多组学分析、同位素追踪和机器学习方法，以揭示作用机制并预测结果。这项工作为制定策略以维持处理性能并在日益严重的MNPs污染下减少N?O排放提供了重要见解。
引言
塑料作为一种新兴污染物，不仅在视觉上容易被察觉，而且在日常生活中通过食品包装和一次性容器等产品广泛存在[1]。因此，它们引起了社会、科学、媒体和政策领域的广泛关注[2]。尺寸≤5毫米的塑料颗粒被归类为微塑料（MPs），而尺寸≤0.1微米的则被称为纳米塑料（NPs），有些报告建议NPs的尺寸下限为1纳米[3]。大多数MPs来源于较大塑料的分解。据预测，到2030年，多达5300万吨管理不善的塑料废物可能进入水生生态系统，是2016年估计值的两倍[4]。
微塑料/纳米塑料（MNPs）在环境中的普遍存在，以及它们在人体血液中的检测结果，凸显了它们对生态系统和人类健康的日益严重威胁[5]。实验室研究表明，MNPs对动物、微生物、植物和其他生物具有毒性[6]。例如，聚苯乙烯（PS）使厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacterioidota）和变形菌门（Proteobacteria）的丰度减少了高达7.3%[7]。此外，动物摄入的MNPs会在其体内积累并通过食物链放大，最终对人类健康构成风险[8]。废水处理厂（WWTPs）中的MNPs来源于多种来源（例如化妆品、轮胎磨损），主要通过生活污水和雨水径流传播，使得WWTPs成为这些塑料的主要汇[9]。
据报道，WWTPs进水中的MNPs浓度范围为1至10044个/升，而出水中MNPs浓度为0–447个/升[10]。出水中超过90%的MNPs直径小于500微米，其中60%小于100微米[11]。由于MNPs的持久性，WWTPs主要拦截而非降解它们，导致其在处理单元中积累[12]。这种积累对功能性微生物群落的代谢活动构成了威胁。越来越多的证据表明，MNPs会干扰关键的营养物质去除过程，如生物氮（N）[13]和磷（P）的去除[14]，其影响因浓度和聚合物类型而异。特别值得关注的是它们对生物氮去除过程的影响，因为它们可以刺激一氧化二氮（N?O）的产生，而N?O是一种强效的中间产物，其全球变暖潜力大约是二氧化碳的300倍[15]。N?O是WWTPs直接温室气体（GHG）排放的主要组成部分[16]。因此，MNPs的积累对实现WWTPs的污染控制和碳排放减少目标构成了重大挑战。例如，在好氧颗粒污泥（AGS）系统中，PS-MPs抑制了反硝化速率和磷的去除[17]，而聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）则提高了磷的去除效率7%[18]。PS-NPs还被发现会抑制AGS的电子传递能力和活性，从而影响氮的转化[19]。更严重的是，关于温室气体排放，PET被发现会刺激N?O的产生同时抑制反硝化代谢[20]。同样，聚氯乙烯（PVC）在部分硝化系统中也会促进N?O的产生[21]。
鉴于MNPs在生物处理过程中的不可避免存在，全面评估它们对营养物质去除的影响对于保障处理效率至关重要。以往的综述主要集中在MPs的检测方法[22]、它们对废水和污泥处理的影响[23]、在WWTPs中的去除情况[24]以及一般环境风险[3]上。最近的综述开始探讨MPs对温室气体排放的影响[25]，特别是对生物氮去除及相关温室气体排放的影响[26]。然而，关于MNPs对磷去除的影响缺乏全面覆盖。此外，不同的生物处理系统对污染物的抵抗力各不相同，但目前还没有系统性的综述比较MNPs对这些系统中氮和磷去除以及N?O排放的影响。
本文旨在解决这些挑战，并填补在MNPs压力下实现氮和磷同时去除以及N?O排放减少的多目标优化方面的知识空白。为此，本文系统地研究了MNPs在不同生物系统中的影响，分析了潜在机制，并提出了未来的研究方向。最终，这项工作旨在为受MNPs污染影响的WWTPs中有效去除氮和磷以及减少N?O排放提供指导策略。
章节摘录
MNPs对不同系统中氮和磷去除的影响
MNPs对废水处理中氮和磷去除的影响日益受到关注。虽然已有研究探讨了活性污泥系统（ASS）、constructed wetlands（CWs）、颗粒污泥系统（AGS和anammox颗粒污泥系统（AnGS）[27],[28]、膜生物反应器（MBR）、生物膜系统（BES）[30]和生物电化学系统（BES）[30]等系统，但研究结果仍然零散。如表1所示，不同系统的去除效率差异很大，这突显了进行系统研究的必要性
MNPs对N?O排放的影响
当前的研究主要集中在N?O的产生和减少、关键途径、微生物群落变化以及电子转移过程上。在批处理活性污泥系统中，浓度为0–500微克的PET抑制了N?O的产生和减少，使N?O积累减少了60%，总产量减少了70%[76]。相反，在连续流式AGS系统中，PET促进了N?O的产生并抑制了N?O还原酶的活性[20]。这种差异突显了反应器类型和操作模式的关键作用
不可降解塑料和可降解塑料对不同系统的影响对比
根据环境持久性，MNPs被分为不可降解微塑料（NBMPs），如PE、PS、PVC、PET，以及可降解微塑料（BMPs），如PBS、PLA、PHA和聚（丁酸-对苯二甲酸）（PBAT）[78]。迄今为止，关于BMPs和NBMPs对废水处理性能影响的比较研究主要集中在ASS系统、AGS系统和AnGS系统上。
机制分析
在机制层面，如图2所示，MNPs对废水处理系统的影响是通过它们对EPS的影响以及诱导的氧化应激来实现的，这会破坏细胞膜的完整性[50]。这些主要效应随后导致微生物群落结构、功能基因表达、酶活性和代谢途径的变化[34]。
未来展望
现有研究证实，MNPs会干扰氮和磷的去除并影响废水处理系统中的N?O排放。然而，目前的发现主要是现象学层面的，而非机制层面的。如图5所示，为了更准确地评估实际环境风险并指导工程实践，未来的研究需要采用多尺度方法并结合人工智能开发预测模型，从而实现从观察向机制预测的转变。
结论
本文系统地回顾了MNPs对各种废水处理系统中氮和磷去除以及N?O排放的影响。结果表明，MNPs会干扰这些过程，其影响高度依赖于聚合物类型、浓度、颗粒大小和暴露时间。纳米塑料的毒性通常大于微塑料，且不可降解塑料往往比可降解塑料带来不同的风险。MNPs对氮去除的影响
作者贡献声明
王帅航：撰写——初稿，概念构思。方平：验证，调查，概念构思。陈成新：方法学，调查，形式分析。丁杰：方法学，调查，概念构思。何颖：方法学，调查。孙汉军：验证，方法学。丁梦琪：调查，概念构思。庞继伟：方法学，调查。任楠琪：方法学，概念构思。杨珊珊：撰写——审稿与编辑，
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所述的工作。
致谢
本工作得到了陕西省教育厅科研计划项目（编号25JK0485）、西安理工大学科研启动基金（编号310-107020744）、城乡水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号2025TS44）以及黑龙江省杰出青年科学基金（项目编号YQ2023E022）的资助。
