通訊單位：成都理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
論文 DOI：10.1016/j..2023。
圖片摘要
介紹
日前，成都理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院周鑫院士團(tuán)隊(duì)在《國際期刊》知名期刊上發(fā)表了題為“”（DOI：10.1016/j..2023.）的研究論文。環(huán)境領(lǐng)域（IF=11.4）。 顆粒污泥在PET微塑料脅迫下的響應(yīng)特性和抑制機(jī)制為系統(tǒng)處理含PET含氮廢水的反硝化行為提供了新的見解。
要聞速覽
目前，對微塑料（MPs）脅迫下好氧氨氧化（AMO）過程的反應(yīng)特征和抑制機(jī)制的深入了解仍然相當(dāng)有限。 本研究研究了0.1~1.0g/L聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）對好氧氨氧化顆粒污泥（AnGS）的影響。 與對照組相比，0.1-0.2g/LPET對好氧氨氧化效率無明顯影響，而在1.0g/LPET下，活性提高了16.2%。 完整性系數(shù)和透射電鏡分析表明，接觸1.0g/LPET后AnGS的硬度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減慢。 隨著PET的減少，細(xì)菌屬以及與能量代謝相關(guān)的基因、輔因子和維生素代謝相關(guān)基因的生產(chǎn)率增加。 微生物細(xì)胞與PET相互作用引起細(xì)胞氧化應(yīng)激時形成的活性氧是抑制的重要原因。 這一發(fā)現(xiàn)為AnGS在處理含微塑料的含氮污水的生物反硝化系統(tǒng)中的行為特征提供了新的認(rèn)識。
前言
迄今為止，人們已經(jīng)研究了微塑料（MPs）對各種生物處理過程（好氧發(fā)酵、制氫、硝化和反硝化）的影響。 好氧氨氧化（AOB）是一種很有前景的創(chuàng)新廢水生物處理技術(shù)，然而，自養(yǎng)好氧氨氧化真菌（AnAOB）特別容易受到包括MPs在內(nèi)的環(huán)境污染物的影響，這對該工藝的成功應(yīng)用提出了重大挑戰(zhàn)。 聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 是廢水處理廠中最常見的 MP 之一。 由于其酸度（1.41g/cm3）和高Zeta電位（pH=8：-43mv），PET往往更容易通過沉淀和靜電吸附保留在活性污泥中。 近年來，其對好氧顆粒污泥和好氧污泥消化的影響受到關(guān)注。 然而，AnGS在PET脅迫下的好氧氨氧化性能和機(jī)理尚未開展研究。 本研究探討了AnGS在0.1-1.0g/L PET暴露下的脫氮效率、污泥性質(zhì)、胞外聚合物（EPS）、微生物群落結(jié)構(gòu)、功能代謝和生物毒性效應(yīng)，以明確其短期影響PET 對 AnGS 機(jī)制的影響。
圖解指南
反硝化性能對比
圖 1 AnGS 反應(yīng)器暴露于不同含量 PET-MP 時的反硝化性能：(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
圖 1 顯示了在 30 天的實(shí)驗(yàn)期間，AnGS 流出物 NH4+-N 和 NO2--N 及其暴露于不同 PET 水平的去除率。 從圖1可以看出，在很低的PET含量0.1g/L時，對反硝化沒有明顯的負(fù)面影響，但在最高PET含量1.0g/L時，ARE和NRE較對照分別增加組 4.5% 和 4.0%。 據(jù)報道，好氧氨氧化活性SAA值比對照組低16.2%。 這意味著 PET-MP 的高負(fù)載量將提高效率。 為此，為了充分發(fā)揮AnGS的脫硝能力，PET微塑料應(yīng)嚴(yán)格控制在0.2g/L以下。
AnGS 粒狀粉土特性的影響
圖 2 AnGS 暴露于不同含量 PET-MP 后的 IC 變化
為了描述顆粒污泥的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，AnGS的完整性系數(shù)（IC）如圖2所示。與對照值（7.20%）相比，添加0.1-0.2g/LPET時AnGS的IC有所增加，但當(dāng)添加0.5g/L和1.0g/LPET時，分別降低至7.45%和7.72%(P)。 這表明少量PET的添加有助于提高AGS的聚集和凝固能力。 相反，在高PET含量下細(xì)胞膜損傷，AnGS的結(jié)構(gòu)顯得不穩(wěn)定。 據(jù)悉，TEM顯示，在不添加PET的情況下，含有大量細(xì)胞色素c的細(xì)胞呈橢圓形且完整，與AnAOB的生理特征高度一致。 但添加1.0g/LPET-MPs后，AnAOB出現(xiàn)形態(tài)異常，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)扭曲、斷裂，細(xì)胞質(zhì)外滲現(xiàn)象清晰可見。 這種數(shù)學(xué)物理和形態(tài)變化證明了 AnGS 在 PET 高負(fù)載下的結(jié)構(gòu)損傷。
微生物組分析
圖 3. 暴露于不同 PET 含量的微生物群落分類：(a) 門級別，(b) 屬，(c) 屬級別熱圖（AnAOB 除外），(d) 關(guān)鍵屬與環(huán)境因素之間的關(guān)系 RDA 解剖
圖3顯示AnGS主要有6個門，其中、 和 在門水平上占優(yōu)勢。 隨著PET-MPs含量的降低，相對收率迅速從49.64%增加到14.03%。 由于AnAOB是附屬的，與PET含量的負(fù)相關(guān)表明AnAOB對PET-MPs的敏感性。 進(jìn)一步的屬和種分析檢測到三種不同類型的 AnAOB，包括 、 和 。 其中，在AnAOB社區(qū)中占據(jù)主導(dǎo)地位。 值得注意的是，隨著PET含量的降低，其相對產(chǎn)率顯著增加，從對照組的45.0%增加到1.0g/LPET的11.9%。 這些增長趨勢也出現(xiàn)在其他類型的 AnAOB 中。 因此，短期PET添加對AnAOB種群具有抑制作用，從而導(dǎo)致反硝化性能的差異。 據(jù)報道，通過不同PET添加量下關(guān)鍵細(xì)菌屬與環(huán)境因子的相關(guān)性分析可以看出，、、、與出水NH4+-N、NO2--N含量呈負(fù)相關(guān)，與出水NH4+-N、NO2--N含量呈正相關(guān)。 TN 清除率。 據(jù)報道，AnAOB 種類與 PET 含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，而反硝化細(xì)菌（gp5、Gp3、Gp6 和 ）之間呈正相關(guān)。 這表明PET-MPs的添加不僅改變了微生物群落的分布，而且選擇性地抑制AnAOB，同時促進(jìn)病原體反硝化。
功能代謝
圖4 基于KEGG對不同PET-MPs含量的基因功能預(yù)測
圖4利用基因預(yù)測來說明暴露于不同含量PET-MP的微生物的功能變化。 總共監(jiān)測了四個功能基因組，包括代謝（51.28-51.49%）、遺傳信息處理（16.96-17.21%）、環(huán)境信息處理（9.66-11.00%）和細(xì)胞過程（4.59%-5.33%）。 與對照組相比，在高PET-MPs暴露下，肽和碳水化合物代謝相關(guān)的功能基因的相對產(chǎn)量下降，但能量代謝和輔因子和維生素代謝相關(guān)的功能基因的產(chǎn)量下降。 在遺傳信息處理方面，隨著PET-MPs含量的減少，涉及折疊、分選和降解以及翻譯途徑的基因的相對產(chǎn)量增加，涉及膜運(yùn)輸和細(xì)胞運(yùn)動的基因的相對產(chǎn)量也增加。 這一發(fā)現(xiàn)為高含量 PET-MP 的引入導(dǎo)致代謝能力增加提供了重要的微生物學(xué)解釋。
生物毒性分析
圖5 AnGS在不同PET-MPs含量下的生物毒性測試：(a)ROS； (b) MDA
為了評價PET引起的生物毒性，引入了ROS和MDA指標(biāo)。 ROS是一類物理物質(zhì)，包括二溴化物、超氧化物和烷基自由基。 當(dāng)遇到有害物質(zhì)時，微生物通過基于線粒體的二溴化物代謝途徑形成ROS，以降低細(xì)胞毒性。 MDA是脂膜二溴化的產(chǎn)物，用于表征ROS過度釋放引起的細(xì)胞膜損傷程度。 圖5顯示對照組ROS水平為1874.88±61.44pg/mL，添加0.1g/L和0.2g/L PET-MPs后幾乎沒有明顯變化。 然而，在0.5g/L和1.0g/L時，ROS水平顯著降低，分別達(dá)到對照組的125%和135%。 隨著PET含量的降低，MDA值呈現(xiàn)逐漸積累的趨勢。 尤其是在1.0g/L PET-MPs下，MDA水平達(dá)到對照組的150%。 這一發(fā)現(xiàn)否認(rèn)了MPs含量的增加加速了AnAOB細(xì)胞中毒性的積累。
抑制機(jī)制
圖6. PET-MPs對AnGS的抑制示意圖
圖6說明了由于PET-MP的高暴露而抑制AnGS形成的機(jī)制。 一方面，這是因?yàn)?MP 的數(shù)學(xué)接觸會抑制底物從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)。 當(dāng)MPs與細(xì)胞接觸時，PET-MPs顆粒更容易堵塞AnGS表面用于運(yùn)輸物質(zhì)的通道和孔隙，從而阻止底物從水環(huán)境運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)部； 另一方面，當(dāng)細(xì)胞遇到大量外來MP物質(zhì)時，ROS被激活并釋放，促進(jìn)氧化應(yīng)激，導(dǎo)致細(xì)胞膜隱私發(fā)生變化。 當(dāng) ROS 水平過度積累時，細(xì)胞膜就會發(fā)生二溴化。 細(xì)胞膜上甚至?xí)霈F(xiàn)一些皺紋、孔洞和裂紋，導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)改變，細(xì)胞功能受損。 特別是由于ROS和MDA的大量釋放，細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到不可逆的破壞，關(guān)鍵酶（Hzs和Hdh）的代謝活性減弱。
”
概括
1. AnGS反硝化系統(tǒng)中，1.0g/L PET-MPs會顯著抑制反硝化性能。
2.高劑量PET-MPs下，AnGS污泥的硬度和穩(wěn)定性顯著增加，對EPS組分和結(jié)構(gòu)影響明顯。
3.AnAOB微生物和功能代謝基因的相對生產(chǎn)力隨著PET-MPs劑量的減少而增加。
4. ROS和MDA的減少表明細(xì)胞毒性是PET-MPs抑制AnGS反硝化性能的重要因素。
”
關(guān)于作者
通訊作者: 周鑫, 博士中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心工學(xué)博士，成都工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院院士、碩士生導(dǎo)師。 河南省“三晉人才”支持計劃青年優(yōu)秀人才、廣東省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)班主任、四川省高校師德標(biāo)兵。 兼任中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化商會智慧水務(wù)專業(yè)委員會委員、中國化學(xué)會工業(yè)水處理專業(yè)委員會專家、《石油化工高中學(xué)報》編委、《Eco-&》、《iMeta》、《中國給排水》、《工業(yè)水處理》、《水凈化技術(shù)》雜志青年編委。一直從事教學(xué)、科研和工程工作常年從事廢水生物處理方面的應(yīng)用工作，主持科研項(xiàng)目20項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文53篇（其中SCI、EI論文34篇），出版學(xué)術(shù)專著1部，申請/授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)，多項(xiàng)研究成果已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。
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第一作者：洪賢濤，碩士生細(xì)胞膜損傷，現(xiàn)就讀于西安工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程大學(xué)。 他的研究方向是新污染物的影響。 以第一作者發(fā)表SCI論文1篇。
供稿：西安工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程大學(xué)周鑫院士團(tuán)隊(duì)。 投稿、合作、轉(zhuǎn)載、進(jìn)群請加編輯Momo！ 環(huán)保人是環(huán)境領(lǐng)域最大的學(xué)術(shù)公眾號，擁有15萬+活躍讀者。 由于陌陌更改了推送規(guī)則，請您將環(huán)境人物加星，或者每次觀看后點(diǎn)擊頁面上方的“正在觀看”，以便您能第一時間收到我們的每日推文！ 環(huán)境人目前擁有20多個綜合組、期刊投稿組、基金申請組、留學(xué)申請組、各研究領(lǐng)域組等。 歡迎您加入小編沫沫，我們會盡快將您拉入相應(yīng)的群。
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