Biodegradable Microplastics Increase N2O Emission from Denitrifying Sludge More Than Conventional Microplastics 與傳統(tǒng)微塑料相比，可生物降解的微塑料更能增加反硝化污泥的 N2O 排放

來(lái)源：Environ. Sci. Technol. Lett. 2024, 11, 701?708

1. 摘要核心內(nèi)容

核心發(fā)現(xiàn)：

可生物降解微塑料（BMPs）比傳統(tǒng)不可降解微塑料（NBMPs）更顯著抑制反硝化性能，通過(guò)加劇電子競(jìng)爭(zhēng)和改變電子分配，導(dǎo)致N?O積累量增加（尤其在COD:NO?? < 4:1時(shí)）。

機(jī)制差異：

BMPs：降低反硝化菌豐度及電子傳遞與消耗系統(tǒng)（ETCS）關(guān)鍵基因表達(dá)，與胞外聚合物（EPS）成分改變相關(guān)。

NBMPs：通過(guò)過(guò)量產(chǎn)生活性氧（ROS）破壞細(xì)胞膜完整性，直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡，擾亂ETCS。

環(huán)境意義：污水中的微塑料（尤其是BMPs）可能增加污水處理過(guò)程的溫室氣體排放。

2. 研究目的

比較BMPs與NBMPs對(duì)反硝化污泥的長(zhǎng)期影響；

揭示微塑料影響N?O積累的機(jī)制（聚焦電子競(jìng)爭(zhēng)與分配）；

評(píng)估BMPs作為“環(huán)保替代品”的實(shí)際環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

3. 研究思路

長(zhǎng)期暴露實(shí)驗(yàn)：

設(shè)置3組反應(yīng)器（對(duì)照、+1 mg/L BMPs、+1 mg/L NBMPs），運(yùn)行4個(gè)月。

使用4種典型BMPs（PLA, PBAT, PCL, PBS）和4種NBMPs（PE, PET, PS, PVC）。

批次測(cè)試設(shè)計(jì)：

Test I：非碳限制條件（300 mg COD/L），添加不同氮氧化物組合（NO??/NO??/N?O），測(cè)定氮氧化物消耗速率與電子分配。

Test II：碳限制條件（COD負(fù)載率30–180 mg/g VSS/h），分析電子競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。

Test III：不同COD:N比例（1.5:1, 3:1, 4:1），量化N?O積累（關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)源：Unisense電極）。

機(jī)制解析：

生理狀態(tài)（流式細(xì)胞術(shù)、ROS、LDH）；

EPS成分（光譜分析、FTIR）；

微生物群落（高通量測(cè)序）；

酶活性（ETS、GK、GAPDH、反硝化還原酶）；

功能基因（ETCS相關(guān)基因及金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因）。

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)及其意義

數(shù)據(jù)類(lèi)型 來(lái)源圖表 研究意義

氮氧化物消耗速率 圖1A, 圖S1-S3 量化微塑料對(duì)反硝化速率的抑制程度（BMPs > NBMPs）。

電子分配比例 圖2A-D, 圖S15 揭示電子流向變化：BMPs使更多電子分配至Nir（而非Nos），促進(jìn)N?O積累。

N?O積累動(dòng)態(tài) 圖2E 證明低COD:N時(shí)BMPs顯著增加N?O排放（峰值比NBMPs高15%）。

細(xì)胞死亡率與膜損傷 圖3A-B, 圖S16 NBMPs通過(guò)ROS破壞膜完整性，BMPs無(wú)直接生物毒性。

EPS成分與污泥疏水性 圖3C-E, 圖S18-S20 BMPs降解中間產(chǎn)物改變EPS蛋白組成，增加疏水性，抑制底物傳遞。

酶活性抑制 圖3F-G BMPs對(duì)ETCS酶（ETS、GK、GAPDH）及反硝化還原酶的抑制更強(qiáng)。

功能基因表達(dá) 表S9 BMPs下調(diào)復(fù)合體I基因及Fe/Mo轉(zhuǎn)運(yùn)基因，影響金屬酶活性；上調(diào)復(fù)合體III基因。

5. 核心結(jié)論

性能影響：

BMPs和NBMPs均抑制反硝化，但BMPs的抑制作用更強(qiáng)（電子消耗速率僅為對(duì)照的41–55%）。

N?O排放機(jī)制：

電子競(jìng)爭(zhēng)加?。何⑺芰峡s小PEC-MES差值（BMPs效應(yīng)更顯著）。

電子分配失衡：BMPs使電子更多流向Nir（而非Nos），減少N?O還原（圖2, S15）。

低COD:N時(shí)N?O激增：COD:N=1.5時(shí)，BMPs組N?O積累量是對(duì)照的1.44倍（圖2E）。

毒性路徑差異：

NBMPs：物理?yè)p傷為主（ROS↑→膜破裂→細(xì)胞死亡）。

BMPs：生化干擾為主（降解中間產(chǎn)物改變EPS→抑制菌群活性與ETCS功能）。

環(huán)境啟示：

BMPs并非“綠色替代品”，其在污水處理中促進(jìn)N?O排放的風(fēng)險(xiǎn)高于NBMPs，需重新評(píng)估其全生命周期環(huán)境影響。

6. Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

測(cè)量方法

使用Unisense微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解態(tài)N?O濃度，反應(yīng)器設(shè)計(jì)消除氣相干擾（無(wú)頂空）。

在Test III中持續(xù)跟蹤不同COD:N比例下的N?O動(dòng)態(tài)（圖2E）。

研究意義

準(zhǔn)確量化溶解N?O：

傳統(tǒng)氣相檢測(cè)可能低估N?O（部分溶解于液相），該電極直接測(cè)定液相濃度，避免低估排放風(fēng)險(xiǎn)。

揭示瞬時(shí)積累規(guī)律：

在COD:N=4:1時(shí)，僅BMPs組出現(xiàn)N?O峰值（0.33 mg N/L），表明BMPs在臨界條件下仍觸發(fā)N?O釋放。

COD:N=1.5:1時(shí)，BMPs組的N?O積累速率與總量均最高（圖2E），直接關(guān)聯(lián)電子分配失衡（Nir活性↑/Nos活性↓）。

機(jī)制驗(yàn)證關(guān)鍵：

N?O積累動(dòng)態(tài)與電子分配數(shù)據(jù)（圖2A-D）形成互證，說(shuō)明BMPs通過(guò)抑制Nos的電子獲取能力導(dǎo)致N?O滯留。

工程指導(dǎo)價(jià)值：

證實(shí)COD:N>4:1可緩解微塑料引發(fā)的N?O排放（圖S1a-S3a），為優(yōu)化污水處理工藝參數(shù)提供依據(jù)。

環(huán)境應(yīng)用

該數(shù)據(jù)直接證明：BMPs在真實(shí)污水處理場(chǎng)景（常見(jiàn)低COD:N條件）下是潛在的N?O排放放大器，需優(yōu)先管控。

總結(jié)：本研究通過(guò)多維度數(shù)據(jù)揭示了BMPs比NBMPs更易促進(jìn)反硝化過(guò)程N(yùn)?O排放的機(jī)制，其中Unisense電極提供的溶解N?O動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是關(guān)鍵證據(jù)，凸顯了“可降解”塑料的隱性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。