可生物降解微塑料（聚己内酯）与磺胺甲噁唑单一及联合暴露下微藻-细菌颗粒污泥的颗粒化与稳定性

《Bioresource Technology》：Granulation and stability of microalgal–bacterial granular sludge under single and combined exposure to polycaprolactone microplastics and sulfamethoxazole

　　

微塑料和抗生素在污水中日益频繁的出现，对生物处理工艺提出了新的挑战。微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）作为一种高效的基于藻类的生物技术，已应用于污水处理；然而，其对这两种污染物同时暴露的响应在很大程度上仍未得到探索。本文评估了可生物降解的聚己内酯微塑料（PCL MPs）和磺胺甲噁唑（SMX）在1 mg/L浓度下对颗粒化和长期运行的影响。单独的PCL仅引起轻微变化，而SMX会损害颗粒稳定性和反应器性能。在PCL+SMX联合暴露下，观察到最强烈的恶化，包括相对于对照组，铵态氮（NH4+-N）去除率下降5.2%，磷酸盐去除率下降48.9%。在联合胁迫下，出水亚硝酸盐氮（NO2?-N）和硝酸盐氮（NO3?-N）浓度分别增加至8.9和31.6 mg/L。这些变化伴随着较低的微生物活性，特定硝酸盐还原速率（SNRR）和特定磷吸收速率（SPUR）分别降至31.6 mg N/g混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）和10.3 mg P/g MLVSS。胞外聚合物（EPS）分析进一步显示紧密结合蛋白的消耗。微生物分析揭示了在含SMX条件下（R3和R4）的群落重组，包括Nakamurella（R3中高达36.5%）和Micropruina（高达18.9%）的富集，以及聚磷累积菌属如Microlunatus的减少。总体而言，MBGS对单独的PCL表现出耐受性，而SMX（特别是与PCL联合时）诱导了显著的结构和功能不稳定性。

论文解读：PCL微塑料与SMX抗生素对微藻-细菌颗粒污泥系统的复合影响研究

一、 研究背景与目的

传统的活性污泥（CAS）系统是污水处理的主流技术，但其能耗高，且高级营养物去除常需额外碳源并产生大量剩余污泥。微藻-细菌共生系统因其光合产氧可部分替代机械曝气而受到关注，其中微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）作为一种可持续污水处理平台展现出潜力。然而，MBGS内部紧密耦合的相互作用使其对环境扰动敏感，尤其是污水中日益增多的新污染物。微塑料（MPs）和抗生素是两类重要的新污染物。可生物降解微塑料（DMPs）如聚己内酯（PCL）的应用日益广泛，但其对MBGS的影响尚不清楚。磺胺甲噁唑（SMX）作为一种常用磺胺类抗生素，在污水处理厂进水中常见。MPs可作为抗生素的载体，两者可能在颗粒污泥系统中产生复合效应，但相关研究，特别是在MBGS颗粒化阶段的研究仍很缺乏。

因此，本研究旨在探究PCL DMPs和SMX在1 mg/L浓度下，单独及联合暴露对MBGS颗粒化过程及稳定性的影响。具体目标包括评估其对颗粒形态、沉降性能、处理效能、EPS作用以及微生物群落结构的影响，以评估MBGS在复杂污染物共存条件下的系统韧性。

二、 主要研究方法概览

研究人员设置了四个相同的光照序批式反应器（PSBRs），分别标记为R1（对照组）、R2（添加1 mg/L PCL MPs）、R3（添加1 mg/L SMX）和R4（联合添加1 mg/L PCL和SMX）。反应器接种来自匈牙利塞格德市政污水处理厂的活性污泥，在合成废水下运行以促进颗粒化。通过监测混合液悬浮固体（MLSS）、污泥容积指数（SVI₅）、颗粒粒径、叶绿素浓度等参数评估污泥性质。利用扫描电子显微镜（SEM）观察颗粒形态，通过热提取法分离并定量分析松散结合（LB）和紧密结合（TB）的EPS中蛋白质（PN）和多糖（PS）含量，并采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析EPS功能基团。定期测定进出水营养盐浓度以评估处理性能，并计算特定微生物活性速率。最后，通过高通量测序技术分析污泥样品的微生物群落组成。

三、 研究结果与讨论

3.1. PCL和SMX对污泥性质的影响

研究结果显示，单独PCL暴露（R2）对生物量积累、沉降性能和颗粒粒径的影响较小，与对照组（R1）相似，表明MBGS对PCL具有韧性。相比之下，单独SMX暴露（R3）抑制了生物量保留，导致沉降性能变差（SVI₅值升高）和颗粒粒径减小。联合暴露（R4）则造成最严重的结构恶化，生物量降至最低，SVI₅值最高，平均粒径甚至低于成功颗粒化的阈值（200 μm），表明部分颗粒发生解体。有趣的是，叶绿素含量在含SMX的反应器（R3和R4）中显著升高，这可能反映了在抗生素胁迫下，污泥中光养组分发生了变化。

3.2. MBGS的形态和表面结构

SEM图像显示，对照组（R1）和PCL组（R2）的颗粒呈椭圆形，表面有连续的EPS基质覆盖。SMX组（R3）中出现了丝状微生物形成的网络，这可能导致沉降性变差。联合暴露组（R4）的形态发生显著改变，呈现不规则的小聚集体，表面EPS基质不连续且有裂纹。FT-IR分析进一步证实，从R1到R4，与蛋白质和多糖相关的功能基团信号逐渐减弱，表明污染物胁迫改变了污泥表面的化学组成，削弱了EPS基质的结构凝聚力。

3.3. 单一及联合PCL–SMX胁迫下胞外聚合物的组成动态与功能基团表征

EPS分析表明，对照组和PCL组形成了以蛋白质为主的紧密结合EPS（TB-EPS），这是颗粒结构稳定的关键。SMX暴露导致了TB-EPS，特别是紧密结合蛋白质（TB-PN）的严重消耗。在联合暴露下，这种消耗最为显著，TB-PN含量降至对照组的0.31倍。FT-IR光谱显示，在含SMX的反应器中，LB-EPS的多糖相关基团信号增强，而TB-EPS的蛋白质相关基团（如酰胺I带）信号减弱。这些变化表明，SMX（尤其是与PCL联合时）破坏了维持颗粒结构完整性的蛋白质网络核心。

3.4. 单一及联合SMX和PCL胁迫下的营养物去除性能

在营养物去除方面，单独PCL对氨氮去除影响很小，单独SMX对氨氮去除的影响也有限，但联合暴露导致氨氮去除率显著下降。对于氮的转化，联合暴露导致出水中亚硝酸盐和硝酸盐浓度最高。磷酸盐去除受到所有污染物暴露的显著抑制，其中联合暴露的抑制效果最强，去除率下降达48.9%。这表明确保TB-EPS蛋白质网络的完整性对于维持MBGS系统中耦合的硝化-反硝化过程和磷循环至关重要。

3.5. 单一及联合PCL和SMX暴露对MBGS功能活性的影响

微生物功能活性测定显示，单独SMX暴露下的特定氨氧化速率（SAOR）最高，这可能与胁迫下氨转化功能平衡的转变有关。然而，联合暴露下的SAOR最低。特定硝酸盐还原速率（SNRR）和特定磷吸收速率（SPUR）在联合暴露下也降至最低。这些功能活性的下降与结构恶化、EPS破坏以及厌氧区形成受限相一致。

3.6. PCL和SMX暴露下塑造MBGS性能的环境驱动因素

相关性分析表明，在对照组中，污泥沉降性与性能参数呈负相关，反映了好氧颗粒污泥的典型特征。在PCL组，LB-EPS与营养物去除呈强正相关。在SMX和联合暴露组，颗粒结构、叶绿素含量和性能参数之间的耦合关系被破坏，表明抗生素胁迫打乱了系统内在的结构-功能联系。

3.7. SMX和PCL暴露下的微生物群落演替

微生物群落分析显示，SMX暴露显著降低了群落的香农多样性指数，表明其施加了强烈的选择压力。在属水平上，SMX暴露富集了Nakamurella（最高达36.54%）和Micropruina（最高达18.89%）等菌属，而与EPS产生相关的Streptomyces以及聚磷积累菌属（PAOs）如Microlunatus和Casimicrobium的丰度则下降。PCA分析证实，SMX，特别是与PCL联合，引起了最显著的群落结构变化。真核微藻类群的相对丰度在污染暴露下略有增加，这与叶绿素含量的升高趋势一致。

四、 总结与结论

讨论部分总结： 本研究揭示了可生物降解微塑料（PCL）和抗生素（SMX）对MBGS系统的差异化和复合影响。PCL单独作用相对温和，但依然改变了微生物群落。SMX则施加了强选择压力，抑制关键功能菌群，损害结构稳定性。两者联合暴露产生了最严重的恶化效应，其机制可能涉及增强的污染物在EPS内的滞留、氧化应激以及向更耐胁迫菌群的转变，从而共同破坏了颗粒结构并降低了功能性能。从实践角度看，这些结果强调在评估MBGS性能时，必须考虑污染物共存的复合效应。未来的研究应关注MBGS在长期运行中对微塑料的去除效率，以及在复合暴露下抗生素抗性基因（ARGs）的动态，以推动MBGS发展成为能够应对复杂污染物混合物的韧性技术。

研究结论翻译：

本研究评估了PCL MPs和SMX（1 mg/L）对MBGS颗粒化、稳定性和性能的单独及联合影响。单独的PCL仅引起有限恶化，生物量稳定在7.2–7.5 g/L，SVI₅保持低位（25.3 mL/g）。相比之下，SMX降低了生物量保留和颗粒稳定性，而PCL+SMX联合暴露导致最严重的恶化，MLSS降至4.4 g/L，SVI₅增至58.3 mL/g，颗粒尺寸降至176 μm。这种结构失稳伴随着紧密结合EPS蛋白，特别是TB-PN的显著消耗，其在R4中降至对照的0.31倍。联合暴露还造成了最严重的功能损伤，包括磷酸盐去除率下降48.9%，出水亚硝酸盐和硝酸盐浓度升高，以及更低的微生物活性，特别是SNRR（31.6 mg N/g MLVSS）和SPUR（10.3 mg P/g MLVSS）。微生物分析进一步显示，在含SMX条件下发生了强烈的群落重组，包括Nakamurella（高达36.54%）和Micropruina（高达18.89%）的富集，以及PAO相关菌属如Microlunatus的减少。总体而言，MBGS对单独的PCL表现出相对的韧性，而SMX，特别是在PCL+SMX联合暴露下，显著损害了结构和功能稳定性。这些发现强调了在评估和优化先进污水处理系统时，考虑污染物复合效应的重要性。