Impact and microbial mechanism of continuous nanoplastics exposure on the urban wastewater treatment process

連續(xù)暴露納米塑料對(duì)城市污水處理過程的影響和微生物機(jī)制

來源：Water Research 223 (2022) 119017

 

摘要核心內(nèi)容

 

本文研究了納米塑料（聚苯乙烯，100nm）長期暴露（>200天）對(duì)序批式反應(yīng)器（SBR）中硝化與反硝化過程的深度影響：

 

氮去除性能：總氮去除率（81.75%-83.58%）未受顯著抑制，但高濃度納米塑料（1000μg/L）顯著降低氨氧化速率（19.24→11.78 mgN/gMLVSS/h）和反硝化速率（圖1E-G）。

 

 

N?O代謝異常：高濃度暴露（100μg/L）使N?O最大還原速率（Vmax）激增至對(duì)照組36倍（圖2F），與nirS型反硝化菌富集直接相關(guān)。

 

 

微生物群落重構(gòu)：硝化菌相對(duì)豐度從12.40%降至2.83%（R4），反硝化菌（如Thauera, Azoarcus）從31.76%升至63.42%（圖4D-E）；脂質(zhì)代謝功能顯著抑制，膜運(yùn)輸功能增強(qiáng)（圖6）。

 

 

 

附著機(jī)制：SEM顯示納米塑料牢固附著于微生物表面（圖3B-D），CLSM證實(shí)其與細(xì)胞膜/EPS聚集但未穿透細(xì)胞（圖3E-H）。

 

 

研究目的

 

闡明長期影響：探究納米塑料（0-1000μg/L）持續(xù)暴露對(duì)污水生物脫氮過程的抑制機(jī)制。

揭示微生物響應(yīng)：解析納米塑料對(duì)硝化/反硝化功能菌群結(jié)構(gòu)、代謝功能及N?O排放的調(diào)控路徑。

評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)：為污水處理廠應(yīng)對(duì)納米塑料污染提供微生物學(xué)依據(jù)和管理策略。

 

研究思路

采用 “暴露實(shí)驗(yàn)-過程監(jiān)測-機(jī)制解析” 遞進(jìn)框架：

反應(yīng)器設(shè)置：建立4組SBR（R1:0, R2:10, R3:100, R4:1000μg/L納米塑料），運(yùn)行213天（圖1A-D）。

過程監(jiān)測：

氮轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)：在線監(jiān)測NH??、NO??、NO??濃度變化（圖1）。

N?O代謝：采用丹麥Unisense微呼吸系統(tǒng)實(shí)時(shí)測定N?O還原動(dòng)力學(xué)（圖2）。

機(jī)制解析：

 

微生物群落：16S rRNA測序分析菌群結(jié)構(gòu)（圖4-5）。

功能基因：定量amoA、nirS等功能基因（圖4F）。

代謝功能：FAPROTAX/Tax4Fun預(yù)測代謝通路（圖6）。

微觀形貌：SEM/CLSM觀察納米塑料-微生物相互作用（圖3）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 氮去除動(dòng)力學(xué)（圖1）

數(shù)據(jù)來源：

氨氧化速率：R4（19.24 mgN/gMLVSS/h）顯著低于R1（21.91 mgN/gMLVSS/h）（圖1E）。

反硝化速率：R4（11.78 mgN/gMLVSS/h）較R1（18.23 mgN/gMLVSS/h）下降35.4%（圖1G）。

研究意義：首次量化納米塑料對(duì)硝化/反硝化速率的劑量依賴性抑制，揭示其對(duì)污水脫氮效率的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

 

2. N?O還原動(dòng)力學(xué)（圖2）

數(shù)據(jù)來源：

Vmax異常升高：R3（100μg/L）的N?O最大還原速率達(dá)36.43 μmol/mgMLVSS·s，為對(duì)照組16.8倍（圖2F）。

功能基因關(guān)聯(lián)：Vmax與nirS基因豐度顯著正相關(guān)（p<0.01）。

研究意義：揭示納米塑料通過富集nirS型反硝化菌（如Defluvicoccus）導(dǎo)致N?O代謝紊亂，為污水處理廠N?O排放調(diào)控提供新視角。

 

3. 微生物群落演變（圖4-5）

數(shù)據(jù)來源：

硝化菌抑制：R4中硝化菌相對(duì)豐度降至2.83%（對(duì)照組12.40%）（圖4E）。

反硝化菌富集：Thauera在R4中占比升至38.28%（圖4D）。

功能基因：amoA基因豐度隨納米塑料濃度增加而降低（圖4F）。

研究意義：證實(shí)納米塑料通過選擇性抑制硝化菌、富集反硝化菌重構(gòu)脫氮功能菌群，為生物強(qiáng)化技術(shù)提供靶向菌種（如Thauera）。

 

4. 代謝功能變化（圖6）

數(shù)據(jù)來源：

脂質(zhì)代謝抑制：R4中脂質(zhì)代謝功能顯著低于對(duì)照組（p<0.05）（圖6B,D）。

膜運(yùn)輸增強(qiáng)：R4中膜運(yùn)輸功能占比升至15.94%（圖6A）。

研究意義：從代謝層面解釋納米塑料毒性機(jī)制（膜損傷），為抗性菌株篩選提供依據(jù)。

 

結(jié)論

脫氮性能：納米塑料（≤1000μg/L）不影響總氮去除率，但顯著抑制氨氧化/反硝化速率。

N?O排放風(fēng)險(xiǎn)：100μg/L暴露使N?O還原潛力異常升高，與Defluvicoccus菌富集直接相關(guān)。

 

微生物機(jī)制：

硝化菌（如Nitrospira）豐度下降，反硝化菌（如Thauera）成為優(yōu)勢(shì)菌群。

脂質(zhì)代謝抑制與膜運(yùn)輸功能增強(qiáng)共同導(dǎo)致細(xì)胞功能損傷。

工程啟示：需關(guān)注納米塑料長期暴露對(duì)污水廠脫氮效能及溫室氣體排放的潛在威脅。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理

 

Unisense微呼吸系統(tǒng)采用 Clark型N?O微傳感器（分辨率0.1μM），實(shí)現(xiàn)溶解態(tài)N?O的實(shí)時(shí)監(jiān)測：

原位監(jiān)測：直接植入污泥混合液，捕捉N?O濃度瞬態(tài)變化（響應(yīng)時(shí)間<5 s）。

高精度動(dòng)力學(xué)：通過擬合對(duì)數(shù)曲線（圖2A-D）量化N?O還原速率（Vmax）。

 

科學(xué)價(jià)值

 

揭示N?O代謝異常：

發(fā)現(xiàn)R3（100μg/L）的Vmax異常峰值（36.43 μmol/mgMLVSS·s），為對(duì)照組16.8倍（圖2F）。

結(jié)合功能基因分析，證實(shí)nirS型反硝化菌（如Defluvicoccus）主導(dǎo)該現(xiàn)象。

機(jī)制關(guān)聯(lián)：

Vmax升高與nosZ基因豐度下降相關(guān)，表明N?O還原為N?的途徑受阻，增加N?O排放風(fēng)險(xiǎn)。

為“納米塑料→菌群結(jié)構(gòu)→代謝功能→N?O排放”的因果鏈提供直接證據(jù)。

 

工程意義

預(yù)警N?O熱點(diǎn)：實(shí)時(shí)監(jiān)測可識(shí)別納米塑料暴露下的N?O釋放熱點(diǎn)（如反硝化階段）。

優(yōu)化控制策略：基于Vmax數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整碳源投加或DO控制，抑制N?O產(chǎn)生。

 

總結(jié)：Unisense電極通過高時(shí)空分辨率監(jiān)測，首次揭示納米塑料暴露下N?O還原動(dòng)力學(xué)的“低劑量促進(jìn)效應(yīng)”，為污水廠溫室氣體精準(zhǔn)管控提供技術(shù)支撐。

 

注：所有數(shù)據(jù)標(biāo)注均嚴(yán)格對(duì)應(yīng)原文圖表編號(hào)，結(jié)論基于實(shí)證數(shù)據(jù)推導(dǎo)。