通訊單位：成都理工大學環境科學與工程學院
論文 DOI：10.1016/j..2023。
圖片摘要
介紹
日前，成都理工大學環境科學與工程學院周鑫院士團隊在《國際期刊》知名期刊上發表了題為“”（DOI：10.1016/j..2023.）的研究論文。環境領域（IF=11.4）。 顆粒污泥在PET微塑料脅迫下的響應特性和抑制機制為系統處理含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）過程的反應特征和抑制機制的深入了解仍然相當有限。 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%。 完整性系數和透射電鏡分析表明，接觸1.0g/LPET后AnGS的硬度和結構穩定性減慢。 隨著PET的減少，細菌屬以及與能量代謝相關的基因、輔因子和維生素代謝相關基因的生產率增加。 微生物細胞與PET相互作用引起細胞氧化應激時形成的活性氧是抑制的重要原因。 這一發現為AnGS在處理含微塑料的含氮污水的生物反硝化系統中的行為特征提供了新的認識。
前言
迄今為止，人們已經研究了微塑料（MPs）對各種生物處理過程（好氧發酵、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新廢水生物處理技術，然而，自養好氧氨氧化真菌（AnAOB）特別容易受到包括MPs在內的環境污染物的影響，這對該工藝的成功應用提出了重大挑戰。 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注。 然而，AnGS在PET脅迫下的好氧氨氧化性能和機理尚未開展研究。 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、胞外聚合物（EPS）、微生物群落結構、功能代謝和生物毒性效應，以明確其短期影響PET 對 AnGS 機制的影響。
圖解指南
反硝化性能對比
圖 1 AnGS 反應器暴露于不同含量 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 天的實驗期間，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 的高負載量將提高效率。 為此，為了充分發揮AnGS的脫硝能力，PET微塑料應嚴格控制在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構完整性和穩定性，AnGS的完整性系數（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含量下細胞膜損傷，AnGS的結構顯得不穩定。 據悉，TEM顯示，在不添加PET的情況下，含有大量細胞色素c的細胞呈橢圓形且完整，與AnAOB的生理特征高度一致。 但添加1.0g/LPET-MPs后，AnAOB出現形態異常，細胞膜結構扭曲、斷裂，細胞質外滲現象清晰可見。 這種數學物理和形態變化證明了 AnGS 在 PET 高負載下的結構損傷。
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) 關鍵屬與環境因素之間的關系 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含量的負相關表明AnAOB對PET-MPs的敏感性。 進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社區中占據主導地位。 值得注意的是，隨著PET含量的降低，其相對產率顯著增加，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，從而導致反硝化性能的差異。 據報道，通過不同PET添加量下關鍵細菌屬與環境因子的相關性分析可以看出，、、、與出水NH4+-N、NO2--N含量呈負相關，與出水NH4+-N、NO2--N含量呈正相關。 TN 清除率。 據報道，AnAOB 種類與 PET 含量之間呈顯著負相關，而反硝化細菌（gp5、Gp3、Gp6 和 ）之間呈正相關。 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含量的基因功能預測
圖4利用基因預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%）、環境信息處理（9.66-11.00%）和細胞過程（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的功能基因的相對產量下降，但能量代謝和輔因子和維生素代謝相關的功能基因的產量下降。 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量增加，涉及膜運輸和細胞運動的基因的相對產量也增加。 這一發現為高含量 PET-MP 的引入導致代謝能力增加提供了重要的微生物學解釋。
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。 ROS是一類物理物質，包括二溴化物、超氧化物和烷基自由基。 當遇到有害物質時，微生物通過基于線粒體的二溴化物代謝途徑形成ROS，以降低細胞毒性。 MDA是脂膜二溴化的產物，用于表征ROS過度釋放引起的細胞膜損傷程度。 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，分別達到對照組的125%和135%。 隨著PET含量的降低，MDA值呈現逐漸積累的趨勢。 尤其是在1.0g/L PET-MPs下，MDA水平達到對照組的150%。 這一發現否認了MPs含量的增加加速了AnAOB細胞中毒性的積累。
抑制機制
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形成的機制。 一方面，這是因為 MP 的數學接觸會抑制底物從細胞內轉運到細胞內。 當MPs與細胞接觸時，PET-MPs顆粒更容易堵塞AnGS表面用于運輸物質的通道和孔隙，從而阻止底物從水環境運輸到細胞內部； 另一方面，當細胞遇到大量外來MP物質時，ROS被激活并釋放，促進氧化應激，導致細胞膜隱私發生變化。 當 ROS 水平過度積累時，細胞膜就會發生二溴化。 細胞膜上甚至會出現一些皺紋、孔洞和裂紋，導致細胞膜結構改變，細胞功能受損。 特別是由于ROS和MDA的大量釋放，細胞結構受到不可逆的破壞，關鍵酶（Hzs和Hdh）的代謝活性減弱。
”
概括
1. AnGS反硝化系統中，1.0g/L PET-MPs會顯著抑制反硝化性能。
2.高劑量PET-MPs下，AnGS污泥的硬度和穩定性顯著增加，對EPS組分和結構影響明顯。
3.AnAOB微生物和功能代謝基因的相對生產力隨著PET-MPs劑量的減少而增加。
4. ROS和MDA的減少表明細胞毒性是PET-MPs抑制AnGS反硝化性能的重要因素。
”
關于作者
通訊作者: 周鑫, 博士中國科學院生態環境研究中心工學博士，成都工程學院環境科學與工程學院院士、碩士生導師。 河南省“三晉人才”支持計劃青年優秀人才、廣東省優秀碩士學位論文指導班主任、四川省高校師德標兵。 兼任中國工程建設標準化商會智慧水務專業委員會委員、中國化學會工業水處理專業委員會專家、《石油化工高中學報》編委、《Eco-&》、《iMeta》、《中國給排水》、《工業水處理》、《水凈化技術》雜志青年編委。一直從事教學、科研和工程工作常年從事廢水生物處理方面的應用工作，主持科研項目20項，發表學術論文53篇（其中SCI、EI論文34篇），出版學術專著1部，申請/授權發明專利10項，多項研究成果已成功應用于工程實踐。
聯系電子郵件：
第一作者：洪賢濤，碩士生細胞膜損傷，現就讀于西安工程學院環境科學與工程大學。 他的研究方向是新污染物的影響。 以第一作者發表SCI論文1篇。
供稿：西安工程大學環境科學與工程大學周鑫院士團隊。 投稿、合作、轉載、進群請加編輯Momo！ 環保人是環境領域最大的學術公眾號，擁有15萬+活躍讀者。 由于陌陌更改了推送規則，請您將環境人物加星，或者每次觀看后點擊頁面上方的“正在觀看”，以便您能第一時間收到我們的每日推文！ 環境人目前擁有20多個綜合組、期刊投稿組、基金申請組、留學申請組、各研究領域組等。 歡迎您加入小編沫沫，我們會盡快將您拉入相應的群。
過去的推薦
論文推薦
學術緊急招聘
學術信息
掃描二維碼快速進群~