厌氧氨氧化（anammox）过程中纳米塑料与典型阻燃剂的共存与相互作用：潜在风险及分子机制

《Journal of Water Process Engineering》：Co-occurrence and regulation of nanoplastics and typical flame retardant in anammox process: Potential risk and molecular mechanism

聚苯乙烯纳米颗粒（PS-NPs）与四溴双酚A（TBBPA）共同存在于厌氧氨氧化（anammox）系统中时，通过诱导EPS合成增强细菌接合，促进抗生素抗性基因（ARGs）水平转移，同时PS-NPs携带的条件致病菌如Vibrio和Pseudomonas加剧健康风险，但协同存在可部分恢复氮去除效率。

　　

Jing-Ao Jin|Na-Na Han|Wei-Lin Guo|Qiu-You Xu|Jiao-Jiao Wang|Nian-Si Fan|Ren-Cun Jin

杭州师范大学工程学院，中国杭州，311121

摘要

聚苯乙烯纳米颗粒（PS-NPs）和各种有机污染物在水环境中广泛分布，它们的生物累积对生态系统构成了重大风险。本研究考察了厌氧氨氧化（anammox）系统处理含有PS-NPs（0.2–1.0 mg L^?1）和四溴双酚A（TBBPA，1.0–3.0 mg L^?1）的废水的长期性能，特别关注抗生素抗性基因（ARGs）的传播途径和机制。TBBPA和PS-NPs都会诱导细菌的氧化应激，从而抑制anammox过程的氮去除效率。当PS-NPs和TBBPA共存时，anammox系统的氮去除效率能够得到恢复。具体来说，添加TBBPA会导致受PS-NPs影响的反应器中细胞外聚合物物质（EPS）增加12.7%。同时，菌毛的形成促进了细胞间的黏附和接触，相关基因的丰度也显著增加。其中，R₂中编码IV型菌毛的基因丰度在P3条件下增加了11.0%。ARGs的注释结果显示，TBBPA浓度的增加增强了通过移动遗传元件（MGEs）介导的ARGs转移的潜力。此外，携带PS-NPs的微生物群倾向于携带机会性病原体，如Vibrio和Pseudomonas，进一步增加了健康风险。这些发现揭示了anammox过程处理含有PS-NPs和TBBPA的废水的可行性和机制，并为其稳定运行提供了理论指导。

引言

抗生素抗性对人类健康构成了全球性威胁，被广泛认为是21世纪的主要公共卫生危机之一[1]。抗生素抗性基因（ARGs）的传播主要通过垂直基因转移（VGT）和水平基因转移（HGT）发生，后者尤为重要[2]。与此同时，环境中纳米颗粒（NPs）的增加引起了人们对它们对人类健康和生态系统潜在风险的严重关注[3]。NPs具有内在的毒性和载体特性，促进了各种污染物的积累和扩散[4]。先前的研究报告称，NPs加速了ARGs的水平转移[5]。当NPs与有机污染物共存时，它们进一步刺激了ARGs在废水系统中的生长和传播[6]。由于NPs具有更高的反应性，它们能够被运输到更远的地方，并容易穿透活细胞[7]。四溴双酚A（TBBPA）是最常用的溴化阻燃剂之一，由于其强疏水性和环境持久性，经常在水环境中被检测到。这两种污染物倾向于吸附在污泥的疏水域和细胞外聚合物物质（EPS）的功能基团上，如蛋白质（PN）和腐殖酸[8],[9]。TBBPA与EPS之间的疏水作用和π-π相互作用可能会抑制PS-NPs的进一步吸附，从而改变其在污泥中的富集行为。这种竞争性吸附还会改变EPS的结构并影响细胞表面特性，最终影响微生物的代谢活动和整个过程的性能[10]。

厌氧氨氧化（anammox）是一种可持续的氮去除过程，其特点是有机碳需求低且产生的污泥量少[11]。Anammox污泥可以吸附NPs，从而降低它们的移动性并减轻潜在的环境风险，表明anammox过程在处理含有NPs的废水方面具有很大的潜力[12]。此外，在NPs降解过程中可能会释放阻燃剂和双酚等添加剂[13]。在有机污染物压力下，水生环境和微塑料生物膜中的微生物更有可能携带相关的ARGs，这有助于ARGs的富集[14]。作为PS-NPs污染水体中的共存污染物，TBBPA在ARGs的传播和富集方面的作用仍知之甚少。目前尚不清楚它们的共存是否加剧了对anammox菌群的抑制作用，或者ARGs是否得到了富集。因此，本研究系统地探讨了PS-NPs和TBBPA对anammox性能和内部微生物生态的单独及联合影响。进行了120天的连续实验来评估PS-NPs和TBBPA的长期影响，同时进行了短期测试以揭示PS-NPs与五种其他典型污染物之间的相互作用。此外，在模拟的水环境条件下，还研究了PS-NPs和TBBPA的共存行为和生态安全性，以及TBBPA和PS-NPs压力下ARGs的组成、丰度和抗性机制动态。这些发现为PS-NPs和TBBPA之间的相互作用提供了新的见解，并为稳定处理此类废水时的anammox性能提供了实际指导。

部分摘录

污泥接种和反应器操作

种子污泥来自一个稳定的实验室规模上流式厌氧污泥床（UASB）反应器，并分别接种到R₀、R₁和R₂中，有效体积和挥发性悬浮污泥（VSS）分别为600 mL和17.2 g L^?1。这些反应器中加入了合成废水（表S1），水力停留时间为1.5小时。所有反应器在恒温（35 ± 1°C）的房间中培养了120天，分为四个阶段（表S2）。经过30天的稳定阶段后

氮去除和anammox菌群对压力的初始响应

在P0中，平均进水NH₄⁺-N和NO₂^?-N浓度为210.0 mg L^?1。R₀、R₁和R₂的氮去除率（NRE）相似（p > 0.05），值为82.4 ± 1.3%（图1a）。R_{S和RP也接近理论水平，证实了anammox反应的主导地位。P1中每个反应器的氮去除率保持稳定（82.1 ± 1.7%），表明anammox系统的氮去除率未受到TBBPA或PS-NPs的影响。在P2中，R1的氮去除率变化趋势与R0一致，仍然保持在较高水平}

结论

尽管PS-NPs和TBBPA在自然环境中广泛共存，但它们的协同效应往往被忽视。特别是PS-NPs由于其通过直接和间接途径促进抗生素抗性传播的能力而成为关注焦点。尽管anammox过程被认为是处理含有NPs的废水的一种有前景的技术，但在其响应机制和在单独及联合作用下的潜力方面仍存在研究空白

CRediT作者贡献声明

Jing-Ao Jin：撰写——原始草案，数据整理，概念构思。Na-Na Han：可视化，验证。Wei-Lin Guo：正式分析。Qiu-You Xu：方法学，研究。Jiao-Jiao Wang：软件，资源，项目管理。Nian-Si Fan：撰写——审稿与编辑，资金获取。Ren-Cun Jin：资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们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

作者感谢浙江省自然科学基金（LZ25E080008）和国家自然科学基金（52000055和52070061）的财政支持。