强化型生物除磷系统对微塑料胁迫的响应机制

《Journal of Hazardous Materials》：Response mechanisms of enhanced biological phosphorus removal systems to microplastics stress

　　

杨明婉|田丽|李启豪|李桂杰|戴露露|杜安妮|李立冠|于凯|毛彦平

中国广东省深圳市深圳大学化学与环境工程学院

摘要

强化生物除磷（EBPR）系统在污水处理厂（WWTPs）中发挥着至关重要的作用，用于控制向城市水体的磷排放并减轻富营养化风险。微塑料（MPs）在污水处理厂中的积累引发了对其对EBPR性能潜在影响的担忧。本研究调查了聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）微塑料对EBPR功能及相关微生物群落的影响。结果表明，微塑料增强了EBPR的稳定性，并显著提高了磷的去除效率，同时抑制了氮的去除。微生物群落分析和功能基因分析显示，暴露于微塑料的组中，聚磷酸盐积累菌（PAOs）与糖原积累菌（GAOs）的比例更高，且反硝化基因的丰度降低，这些因素共同解释了EBPR稳定性增强和氮去除效率下降的现象。此外，Candidatus Accumulibacter vicinus 被确定为EBPR系统中的优势菌株，这挑战了传统上对Ca. Accumulibacter phosphatis 的关注。值得注意的是，病原体在自由生活的活性污泥（AS）中富集，而抗生素抗性基因（ARGs）则积累在微塑料表面。本研究阐明了微塑料压力下EBPR系统的响应机制和潜在生态风险。

引言

强化生物除磷（EBPR）系统在污水处理厂（WWTPs）中对于减少向城市水体的磷排放、从而降低富营养化风险至关重要。然而，EBPR过程存在固有的操作不稳定性，这受到工艺相关因素和废水质量波动的影响[1]。关键的运行决定因素包括碳源的可用性[2]、pH值[3]、温度变化[4]以及固体停留时间[5]。尽管这些传统因素已得到广泛研究，提供了坚实的理论和操作见解，但新兴污染物对EBPR性能的影响仍知之甚少。

随着污染物谱型的不断演变，关于新兴污染物的研究在环境科学和工程学中的重要性日益增加。塑料产品的广泛使用使微塑料（MPs）成为一类突出的全球新兴污染物。微塑料主要通过污水和雨水径流进入污水处理厂，随后在处理过程中在污泥中积累[6]，[7]。这种持续的积累引发了对其对污水处理效率和长期生态系统健康潜在影响的严重关切。

先前的研究表明，微塑料暴露会显著改变污水处理性能。例如，0.5克/升的聚醚砜（PES）微塑料可以提高好氧颗粒污泥系统中的氮去除效率[8]，而聚氯乙烯（PVC）微塑料则会促进活性污泥中的磷释放[9]。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料被发现可以减少主流硝化-反硝化过程中的氧化亚氮（N?O）生成[10]，50毫克/升的PET微塑料可使磷去除效率提高约7%[11]。此外，长期积累的聚丙烯（PP）微塑料可以在生物滞留池中促进氮的去除，但对磷去除影响不大[12]。聚苯乙烯（PS）微塑料会增强参与磷和氮循环的关键基因的表达[13]，而另一项研究表明PS会抑制胞外聚合物（EPS）的产生，从而损害活性污泥中的微生物絮凝[14]。此外，我们之前的研究还发现病原体和抗生素抗性基因（ARGs）在PVC微塑料表面选择性富集，加剧了它们的潜在生态风险[15]。

最近的进展阐明了微塑料和纳米塑料在活性污泥（AS）中的机制和生态风险。300纳米的PS纳米塑料可以穿透微生物细胞，触发活性氧（ROS）的过量产生，抑制抗氧化酶，并富集产生EPS的微生物。改变后的EPS具有更高的亲水性和更低的粘附性，增加了Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek能量屏障，抑制了污泥的聚集[16]。与80微米的微塑料相比，800纳米的聚乙烯（PE）纳米塑料显著改变了蛋白质-多糖的比例，促进了α-螺旋蛋白和C-O-C多糖的形成，并调节了关键防御酶（EC:1.8.1.4, EC:2.6.1.52）[17]。对于可降解塑料，聚乳酸（PLA）和聚羟基烷酸酯（PHA）可以增强氮的去除和反硝化基因的表达，而高剂量则会减少EPS含量并富集抗生素抗性基因（ARGs）[18]。PLA具有独特的“疫苗效应”，其降解产物可作为碳源，使降解塑料的基因表达增加54.4%，并重塑微生物的碳代谢[19]。不可降解塑料和可降解塑料之间存在差异：PVC物理上破坏污泥颗粒，而PLA的降解会导致乳酸含量增加超过100%，并促进丝状物的形成，并紧密结合EPS蛋白[20]。经过紫外线处理的PS纳米塑料含有丰富的含氧基团，表现出更高的毒性，并促进了ARG的传播[21]。总体而言，由于高反应性和细胞穿透性，纳米塑料具有更大的毒性。好氧颗粒污泥对塑料的敏感性适中，其中PS、PET和PVC是最有毒的类型，而低浓度的可降解塑料可以刺激EPS的产生和微生物的适应[22]。

尽管有这些发现，但很少有研究直接探讨微塑料对EBPR系统的影响。现有证据表明，微塑料可能通过改变活性污泥中的微生物群落结构和功能基因表达来干扰EBPR性能。鉴于微生物组成的动态变化和基因表达的差异对EBPR稳定性和处理效率有重要影响，并且考虑到工艺本身的不稳定性尚未解决，系统地阐明微塑料影响EBPR系统的机制具有重要的研究价值。明确微塑料暴露对EBPR系统的潜在威胁或协同效应不仅可以为工艺优化提供理论支持，还可以从环境压力响应的角度深化对EBPR的基础研究。特别是在应对微塑料积累这一新兴挑战时，这项研究对于完善现有的污水处理理论和解决实际工程问题具有重要的科学意义。

因此，本研究将两种常见的微塑料PET和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）引入EBPR系统。PET作为不可降解塑料的代表模型，而PBAT则代表可降解塑料。这两种微塑料在污水处理厂中经常被检测到，但它们在EBPR系统中的具体反应和潜在影响机制仍待探索。

本研究旨在（1）评估PET和PBAT微塑料对EBPR性能和微生物群落结构的影响；（2）研究关键氮和磷代谢基因对微塑料暴露的响应，包括潜在的宿主替代效应以及自由生活活性污泥与微塑料表面生物膜之间的差异表达模式；（3）评估EBPR系统中富集微塑料的潜在生态风险。这些发现可能为优化污水处理技术和减轻微塑料污染提供新的理论见解和实际指导。

章节片段

反应器操作

为了研究PET和PBAT微塑料对EBPR性能以及活性污泥中聚磷酸盐积累菌（PAOs）群落与微塑料生物膜的影响，建立了三组EBPR反应器，每组包含两个平行反应器（图S1）。一组作为不含微塑料的对照组（CK组）。其他两组分别含有PBAT微塑料（PBAT组）或PET微塑料（PET组）。对于实验组，为了防止微塑料随水流排出并保持稳定

微塑料对氮和磷去除效率的影响

通过每日测量[PO?3?-P]、[NH??-N]、[NO??-N]和[NO??-N]的出水浓度来评估微塑料对氮和磷去除的影响（图1）。操作分为两个阶段：第一阶段（周期1-75；适应期，性能不稳定）和第二阶段（周期76-207；性能稳定）。

在第二阶段，平均出水[PO?3?-P]浓度分别为：CK组4.65毫克/升（去除率70.40%），PBAT组1.85毫克/升（去除率88.21%），

结论

本研究调查了PBAT和PET微塑料对EBPR系统中营养物质去除效率和微生物群落动态的影响。在稳定运行阶段（第二阶段），微塑料显著提高了正磷酸盐的去除效率：PET的去除效率最高（96.6%），其次是PBAT（88.21%）和CK（70.40%）。微塑料不仅提高了磷的去除性能，还增强了反应器的稳定性。

微生物分析显示，微塑料生物膜

环境影响

微塑料（PET/PBAT）通过提高PAO/GAO比例和磷的去除效率来增强EBPR的稳定性，但降低了氮的去除效率。病原体在自由生活的污泥中富集，而抗生素抗性基因（ARGs）则积累在微塑料表面。这些发现突显了微塑料在污水处理中引起的生态权衡，强调了需要制定策略来减轻其环境影响。

CRediT作者贡献声明

杨明婉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，调查，数据管理。田丽：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，数据管理。李启豪：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，数据管理。李桂杰：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，数据管理。戴露露：调查，数据管理。杜安妮：调查，数据管理。李立冠：撰写 – 审稿与编辑，调查。于凯：撰写 – 审稿与编辑，调查。毛彦平：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国广东省基础与应用基础研究基金会（2023A1515012019）、中国深圳市科技计划（KCXFZ20230731093959008和KCXFZ20240903094205008）以及深圳大学聚土学院的指导计划的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。