通讯单位：成都理工大学环境科学与工程学院
论文 DOI：10.1016/j..2023。
图片摘要
介绍
日前，成都理工大学环境科学与工程学院周鑫院士团队在《国际期刊》知名期刊上发表了题为“”（DOI：10.1016/j..2023.）的研究论文。环境领域（IF=11.4）。 颗粒污泥在PET微塑料胁迫下的响应特性和抑制机制为系统处理含PET含氮废水的反硝化行为提供了新的见解。
要闻速览
目前，对微塑料（MPs）胁迫下好氧氨氧化（AMO）过程的反应特征和抑制机制的深入了解仍然相当有限。 本研究研究了0.1~1.0g/L聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）对好氧氨氧化颗粒污泥（AnGS）的影响。 与对照组相比，0.1-0.2g/LPET对好氧氨氧化效率无明显影响，而在1.0g/LPET下，活性提高了16.2%。 完整性系数和透射电镜分析表明，接触1.0g/LPET后AnGS的硬度和结构稳定性减慢。 随着PET的减少，细菌属以及与能量代谢相关的基因、辅因子和维生素代谢相关基因的生产率增加。 微生物细胞与PET相互作用引起细胞氧化应激时形成的活性氧是抑制的重要原因。 这一发现为AnGS在处理含微塑料的含氮污水的生物反硝化系统中的行为特征提供了新的认识。
前言
迄今为止，人们已经研究了微塑料（MPs）对各种生物处理过程（好氧发酵、制氢、硝化和反硝化）的影响。 好氧氨氧化（AOB）是一种很有前景的创新废水生物处理技术，然而，自养好氧氨氧化真菌（AnAOB）特别容易受到包括MPs在内的环境污染物的影响，这对该工艺的成功应用提出了重大挑战。 聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 是废水处理厂中最常见的 MP 之一。 由于其酸度（1.41g/cm3）和高Zeta电位（pH=8：-43mv），PET往往更容易通过沉淀和静电吸附保留在活性污泥中。 近年来，其对好氧颗粒污泥和好氧污泥消化的影响受到关注。 然而，AnGS在PET胁迫下的好氧氨氧化性能和机理尚未开展研究。 本研究探讨了AnGS在0.1-1.0g/L PET暴露下的脱氮效率、污泥性质、胞外聚合物（EPS）、微生物群落结构、功能代谢和生物毒性效应，以明确其短期影响PET 对 AnGS 机制的影响。
图解指南
反硝化性能对比
图 1 AnGS 反应器暴露于不同含量 PET-MP 时的反硝化性能：(a) 出水 NH4+-N； (b) 出水NO2--N； (c) NH4+-N去除率； (d) NO2--N清除率； (e) SAA 和 AOR
图 1 显示了在 30 天的实验期间，AnGS 流出物 NH4+-N 和 NO2--N 及其暴露于不同 PET 水平的去除率。 从图1可以看出，在很低的PET含量0.1g/L时，对反硝化没有明显的负面影响，但在最高PET含量1.0g/L时，ARE和NRE较对照分别增加组 4.5% 和 4.0%。 据报道，好氧氨氧化活性SAA值比对照组低16.2%。 这意味着 PET-MP 的高负载量将提高效率。 为此，为了充分发挥AnGS的脱硝能力，PET微塑料应严格控制在0.2g/L以下。
AnGS 粒状粉土特性的影响
图 2 AnGS 暴露于不同含量 PET-MP 后的 IC 变化
为了描述颗粒污泥的结构完整性和稳定性，AnGS的完整性系数（IC）如图2所示。与对照值（7.20%）相比，添加0.1-0.2g/LPET时AnGS的IC有所增加，但当添加0.5g/L和1.0g/LPET时，分别降低至7.45%和7.72%(P)。 这表明少量PET的添加有助于提高AGS的聚集和凝固能力。 相反，在高PET含量下细胞膜损伤，AnGS的结构显得不稳定。 据悉，TEM显示，在不添加PET的情况下，含有大量细胞色素c的细胞呈椭圆形且完整，与AnAOB的生理特征高度一致。 但添加1.0g/LPET-MPs后，AnAOB出现形态异常，细胞膜结构扭曲、断裂，细胞质外渗现象清晰可见。 这种数学物理和形态变化证明了 AnGS 在 PET 高负载下的结构损伤。
微生物组分析
图 3. 暴露于不同 PET 含量的微生物群落分类：(a) 门级别，(b) 属，(c) 属级别热图（AnAOB 除外），(d) 关键属与环境因素之间的关系 RDA 解剖
图3显示AnGS主要有6个门，其中、 和 在门水平上占优势。 随着PET-MPs含量的降低，相对收率迅速从49.64%增加到14.03%。 由于AnAOB是附属的，与PET含量的负相关表明AnAOB对PET-MPs的敏感性。 进一步的属和种分析检测到三种不同类型的 AnAOB，包括 、 和 。 其中，在AnAOB社区中占据主导地位。 值得注意的是，随着PET含量的降低，其相对产率显着增加，从对照组的45.0%增加到1.0g/LPET的11.9%。 这些增长趋势也出现在其他类型的 AnAOB 中。 因此，短期PET添加对AnAOB种群具有抑制作用，从而导致反硝化性能的差异。 据报道，通过不同PET添加量下关键细菌属与环境因子的相关性分析可以看出，、、、与出水NH4+-N、NO2--N含量呈负相关，与出水NH4+-N、NO2--N含量呈正相关。 TN 清除率。 据报道，AnAOB 种类与 PET 含量之间呈显着负相关，而反硝化细菌（gp5、Gp3、Gp6 和 ）之间呈正相关。 这表明PET-MPs的添加不仅改变了微生物群落的分布，而且选择性地抑制AnAOB，同时促进病原体反硝化。
功能代谢
图4 基于KEGG对不同PET-MPs含量的基因功能预测
图4利用基因预测来说明暴露于不同含量PET-MP的微生物的功能变化。 总共监测了四个功能基因组，包括代谢（51.28-51.49%）、遗传信息处理（16.96-17.21%）、环境信息处理（9.66-11.00%）和细胞过程（4.59%-5.33%）。 与对照组相比，在高PET-MPs暴露下，肽和碳水化合物代谢相关的功能基因的相对产量下降，但能量代谢和辅因子和维生素代谢相关的功能基因的产量下降。 在遗传信息处理方面，随着PET-MPs含量的减少，涉及折叠、分选和降解以及翻译途径的基因的相对产量增加，涉及膜运输和细胞运动的基因的相对产量也增加。 这一发现为高含量 PET-MP 的引入导致代谢能力增加提供了重要的微生物学解释。
生物毒性分析
图5 AnGS在不同PET-MPs含量下的生物毒性测试：(a)ROS； (b) MDA
为了评价PET引起的生物毒性，引入了ROS和MDA指标。 ROS是一类物理物质，包括二溴化物、超氧化物和烷基自由基。 当遇到有害物质时，微生物通过基于线粒体的二溴化物代谢途径形成ROS，以降低细胞毒性。 MDA是脂膜二溴化的产物，用于表征ROS过度释放引起的细胞膜损伤程度。 图5显示对照组ROS水平为1874.88±61.44pg/mL，添加0.1g/L和0.2g/L PET-MPs后几乎没有明显变化。 然而，在0.5g/L和1.0g/L时，ROS水平显着降低，分别达到对照组的125%和135%。 随着PET含量的降低，MDA值呈现逐渐积累的趋势。 尤其是在1.0g/L PET-MPs下，MDA水平达到对照组的150%。 这一发现否认了MPs含量的增加加速了AnAOB细胞中毒性的积累。
抑制机制
图6. PET-MPs对AnGS的抑制示意图
图6说明了由于PET-MP的高暴露而抑制AnGS形成的机制。 一方面，这是因为 MP 的数学接触会抑制底物从细胞内转运到细胞内。 当MPs与细胞接触时，PET-MPs颗粒更容易堵塞AnGS表面用于运输物质的通道和孔隙，从而阻止底物从水环境运输到细胞内部； 另一方面，当细胞遇到大量外来MP物质时，ROS被激活并释放，促进氧化应激，导致细胞膜隐私发生变化。 当 ROS 水平过度积累时，细胞膜就会发生二溴化。 细胞膜上甚至会出现一些皱纹、孔洞和裂纹，导致细胞膜结构改变，细胞功能受损。 特别是由于ROS和MDA的大量释放，细胞结构受到不可逆的破坏，关键酶（Hzs和Hdh）的代谢活性减弱。
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概括
1. AnGS反硝化系统中，1.0g/L PET-MPs会显着抑制反硝化性能。
2.高剂量PET-MPs下，AnGS污泥的硬度和稳定性显着增加，对EPS组分和结构影响明显。
3.AnAOB微生物和功能代谢基因的相对生产力随着PET-MPs剂量的减少而增加。
4. ROS和MDA的减少表明细胞毒性是PET-MPs抑制AnGS反硝化性能的重要因素。
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关于作者
通讯作者: 周鑫, 博士中国科学院生态环境研究中心工学博士，成都工程学院环境科学与工程学院院士、硕士生导师。 河南省“三晋人才”支持计划青年优秀人才、广东省优秀硕士学位论文指导班主任、四川省高校师德标兵。 兼任中国工程建设标准化商会智慧水务专业委员会委员、中国化学会工业水处理专业委员会专家、《石油化工高中学报》编委、《Eco-&》、《iMeta》、《中国给排水》、《工业水处理》、《水净化技术》杂志青年编委。一直从事教学、科研和工程工作常年从事废水生物处理方面的应用工作，主持科研项目20项，发表学术论文53篇（其中SCI、EI论文34篇），出版学术专着1部，申请/授权发明专利10项，多项研究成果已成功应用于工程实践。
联系电子邮件：
第一作者：洪贤涛，硕士生细胞膜损伤，现就读于西安工程学院环境科学与工程大学。 他的研究方向是新污染物的影响。 以第一作者发表SCI论文1篇。
供稿：西安工程大学环境科学与工程大学周鑫院士团队。 投稿、合作、转载、进群请加编辑Momo！ 环保人是环境领域最大的学术公众号，拥有15万+活跃读者。 由于陌陌更改了推送规则，请您将环境人物加星，或者每次观看后点击页面上方的“正在观看”，以便您能第一时间收到我们的每日推文！ 环境人目前拥有20多个综合组、期刊投稿组、基金申请组、留学申请组、各研究领域组等。 欢迎您加入小编沫沫，我们会尽快将您拉入相应的群。
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