静态磁场对模拟海水中细菌-藻类共生系统去除微塑料的影响

《Marine Pollution Bulletin》：The influence of static magnetic field on the removal of microplastics by bacterial-algal symbiotic system in simulated seawater

本研究探讨静磁场（SMF）对细菌-藻类共生系统（BASS）去除海水微塑料（MPs）的影响，发现150mT SMF提升营养盐去除效率5%-10%，但高浓度MPs抑制系统功能，导致总氮去除率约40%。SMF促进脱氮菌增殖，如Xanthomarina和Marinobacter，但降低Bacteroidota丰度，影响反硝化。实验表明MPs去除涉及吸附（7.5%-40.7%）和破碎（3.8%-16.9%），且累积浓度＞1.5g/L引发系统失衡。

　　

钱永星|施炯亮|任敏|陈海林|张克峰|刘志武

宁波理工学院土木工程与建筑学院，中国宁波，315100

摘要

塑料污染，特别是微塑料（MPs），已成为一个严重的环境问题，威胁着生态安全和人类健康，尤其是在海水中的污染水平令人担忧。本研究探讨了在静态磁场（SMF）条件下，利用细菌-藻类共生系统（BASS）去除微塑料的可行性，并研究了其背后的机制以及微塑料对系统的影响。结果表明，150 mT的SMF显著提高了BASS中营养盐的去除效率：氨氮增加了5%–10%，总磷增加了10%，总碳增加了5%，相比无磁场条件。SMF还促进了细菌和藻类的生长。然而，微塑料的积累对系统产生了不利影响，其中聚乙烯（PE）的毒性大于聚丙烯（PP）。这种积累显著抑制了生物量的增长和同时进行的硝化-反硝化过程，导致总氮的去除效率相对较低，约为40%。高通量测序显示变形菌门和拟杆菌门是主要的细菌门类，但微塑料的积累显著减少了拟杆菌门的丰度，影响了反硝化作用。值得注意的是，SMF增强了Xanthomarina和Marinobacter等氮去除菌属的丰度。BASS对微塑料的吸附效率与其分泌的胞外聚合物物质水平呈正相关。实验结果表明，微塑料的去除涉及吸附和破碎两个过程，吸附率在7.5%到40.7%之间，破碎率在3.8%到16.9%之间。微塑料的累积浓度过高（超过1.5 g/L）会导致BASS系统的不稳定。

引言

目前，由于社会发展的迅速，水生环境正面临日益严重的污染问题（Leite等人，2024；Moazzem等人，2024）。此外，随着生活水平的提高，塑料消费量也在增加，但只有大约9%的塑料被回收利用（Sardon和Dove，2018）。这些塑料物品会经历物理和生化过程，分解成小于5毫米的微塑料（MPs）。微塑料已在全球各种生态系统中被发现，从淡水和土壤到深海都有（Yanuar等人，2024；Alam等人，2023）。

微塑料的生物毒性尤为明显：在超过690种水生生物中检测到了塑料（Thompson等人，2024；Gambardella等人，2017），1微米的聚苯乙烯（PS）可以穿透浮游植物膜，抑制光合作用并降低叶绿素含量（Zhao等人，2019；Zhang等人，2017）。微塑料还可能携带重金属、添加剂和病原体，造成机械损伤和氧化应激——50至1000毫克/升的PS与重金属结合可抑制藻类生长15.7%–28.9%，并使叶绿素a含量减少近一半（Tunali等人，2020）。通过食物链，微塑料最终威胁人类食品安全（Chen等人，2023）。因此，微塑料对人类健康和海洋环境安全构成威胁。

生物修复被认为是减少塑料污染最有效的可持续策略之一。本土海洋微生物已显示出去除微塑料的能力。Delacuvellerie等人（2019）发现了能够形成密集生物膜并降解基于聚乙烯（LDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和PS的微塑料的细菌；Li等人（2020）分离出一种能够显著降解聚乙烯（PE）的“Micro”菌株；Gao和Sun（2021）、Gao等人（2022）进一步鉴定出高效的PET和PE降解酶系统，并分离出一种高效的PE降解真菌。然而，将实验室发现转化为工程应用需要改进方法以提高降解速率和稳定性。

许多研究表明，静态磁场（SMF）对藻类和细菌有积极影响（Hu等人，2025；Wei Xing等人，2024；Yin等人，2024）。对于藻类，SMF可以增强光合作用和生长速率，以及改善藻细胞的结构完整性（Deamici等人，2016）。对于污泥，SMF显著影响好氧污泥颗粒的形成和稳定性，提高污泥沉降和生物处理能力（Kamizela等人，2020；Cui等人，2023）。在硝化过程中，SMF也有助于加速氨氮向硝酸盐和亚硝酸盐的转化，从而提高硝化效率（Zhang等人，2022a）。此外，SMF还被探索其在生产聚羟基烷酸酯（PHA）方面的潜力，通过调节微生物代谢途径促进PHA的合成和积累，这在生物材料生产领域显示出前景（Zhang等人，2022b）。在细菌-藻类共生系统（BASS）中，SMF可以促进颗粒化过程，提高氮和磷等污染物的去除效率，同时促进胞外聚合物物质（EPS）、功能性细菌和金属离子的聚集（Zhang等人，2022c）。此外，在SMF的影响下，污泥颗粒内的氧气浓度增加，增强了好氧污泥的活性（Yin等人，2024）。这形成了一个正反馈循环，提高了BASS的整体活性，并显著降低了出水中的化学需氧量（COD）、总磷（TP）和其他指标（Yin等人，2024）。总之，外部SMF的应用提高了藻类、污泥和BASS的性能，从而提高了营养物去除效率，促进了生物性能和污染修复的良性循环。尽管BASS在海洋环境中去除微塑料的潜力已被认可，但SMF如何增强这一过程仍需进一步研究。

在本研究中，准备了模拟海水，并选择了两种代表性的微塑料（PP和PE）。在有无SMF的条件下，系统地研究了BASS去除微塑料的效率和机制。我们的目标是推进海洋环境中高效和可持续的微塑料管理技术的发展。

实验设置

实验建立了四个顺序批处理反应器（SBRs），每个反应器的容量为6升，分别命名为RA、RB、RC和RD（图S1）。RA和RB反应器设置了150 mT的SMF环境，其中一个反应器的SMF由四个永久磁铁产生，这些磁铁均匀放置在反应器两侧，磁铁的大小为9.5厘米×9.5厘米×0.5厘米，而RC和RD反应器作为无SMF的对照组。

氨氮的去除效率

所有反应器中氨氮的去除效率表现出三个阶段：增加、稳定和减少，相应的氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮浓度也显示出阶段性的变化（图1）。在增加阶段，所有反应器都表现出初始的氨氮去除活性，这归因于从曝气池中取出的污泥所实现的污染去除能力

SMF对BASS的促进作用

适当强度的SMF可以刺激氨氧化酶和亚硝酸氧化酶的活性，从而提高氨氮的去除效率（Wang等人，2021）。此外，它还增加了系统内的生物量并影响EPS的含量。具体来说，150 mT的SMF显著提高了氨氮、TP和TC的去除效率，分别提高了5%–10%、10%和5%。这些改进水平是一致的

结论

在使用细菌-藻类共生系统从模拟海水中去除聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）微塑料的过程中，对系统施加静态磁场不仅显著提高了TP和TC的去除效率（分别提高了10%以上和5%以上），还促进了MLSS（>150毫克/升）和叶绿素（170±50微克/克MLSS）的浓度。SMF增强了Xanthomarina和Marinobacter等氮去除菌属的丰度，从而提高了氮的去除效果。

CRediT作者贡献声明

钱永星：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、数据管理。施炯亮：撰写——原始草稿、软件、调查。任敏：资金获取、概念构思。陈海林：撰写——审稿与编辑、方法论、调查。张克峰：撰写——审稿与编辑、软件、资金获取、概念构思。刘志武：撰写——审稿与编辑。

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财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了宁波市科学技术局重点研发计划（2023Z045）和国家自然科学基金（编号21808200）的资助。