綜述：微塑料/納米塑料對(duì)廢水處理中氮和磷去除過程以及氮氧化物（N?O）排放的影響及其作用機(jī)制（這些效應(yīng)和機(jī)制因系統(tǒng)不同而有所差異）
《Journal of Hazardous Materials》：System-dependent effects and mechanisms of microplastics/nanoplastics on nitrogen and phosphorus removal from wastewater treatment and N
2O emission
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本文系統(tǒng)評(píng)估微/納米塑料（MNPs）對(duì)污水處理中氮磷去除及氮氧化物排放的影響，揭示聚合物類型、尺寸、濃度及暴露時(shí)間對(duì)其毒性的調(diào)控作用，指出非生物降解塑料更易破壞脫氮代謝并增加N?O排放，而生物降解塑料可能通過EPS改變影響微生物活性。未來需結(jié)合多組學(xué)、同位素追蹤與機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)長(zhǎng)期效應(yīng)，為污水處理優(yōu)化提供理論支撐。
童武|王帥航|方平|陳成新|丁杰|何穎|孫漢軍|丁夢(mèng)琪|龐繼偉|任楠琪|楊珊珊
西安理工大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，中國西安710048
摘要
微塑料/納米塑料（MNPs）的普遍存在威脅到了廢水處理廠中氮（N）和磷（P）的去除效率，并影響了一氧化二氮（N?O）的排放。然而，目前對(duì)它們?cè)诓煌幚硐到y(tǒng)中的影響了解仍然有限。本文綜述了MNPs對(duì)各種處理系統(tǒng)（包括活性污泥、 constructed wetlands、顆粒污泥、膜生物反應(yīng)器、生物膜和生物電化學(xué)系統(tǒng)）中氮和磷去除以及N?O排放的影響。研究結(jié)果表明，MNPs的毒性受聚合物類型、大小、濃度和暴露時(shí)間的影響。納米塑料的毒性大于微塑料，且不可降解塑料所帶來的風(fēng)險(xiǎn)與可降解塑料明顯不同。與硝化作用和磷去除相比，反硝化作用在MNPs暴露下更為敏感。這些影響主要通過MNPs引起的細(xì)胞外聚合物物質(zhì)變化、微生物酶活性改變、氧化應(yīng)激水平以及微生物群落結(jié)構(gòu)變化來介導(dǎo)。未來的研究應(yīng)結(jié)合實(shí)際的多污染物暴露情況、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、多組學(xué)分析、同位素追蹤和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，以揭示作用機(jī)制并預(yù)測(cè)結(jié)果。這項(xiàng)工作為制定策略以維持處理性能并在日益嚴(yán)重的MNPs污染下減少N?O排放提供了重要見解。
引言
塑料作為一種新興污染物，不僅在視覺上容易被察覺，而且在日常生活中通過食品包裝和一次性容器等產(chǎn)品廣泛存在[1]。因此，它們引起了社會(huì)、科學(xué)、媒體和政策領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[2]。尺寸≤5毫米的塑料顆粒被歸類為微塑料（MPs），而尺寸≤0.1微米的則被稱為納米塑料（NPs），有些報(bào)告建議NPs的尺寸下限為1納米[3]。大多數(shù)MPs來源于較大塑料的分解。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，多達(dá)5300萬噸管理不善的塑料廢物可能進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)，是2016年估計(jì)值的兩倍[4]。
微塑料/納米塑料（MNPs）在環(huán)境中的普遍存在，以及它們?cè)谌梭w血液中的檢測(cè)結(jié)果，凸顯了它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的日益嚴(yán)重威脅[5]。實(shí)驗(yàn)室研究表明，MNPs對(duì)動(dòng)物、微生物、植物和其他生物具有毒性[6]。例如，聚苯乙烯（PS）使厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacterioidota）和變形菌門（Proteobacteria）的豐度減少了高達(dá)7.3%[7]。此外，動(dòng)物攝入的MNPs會(huì)在其體內(nèi)積累并通過食物鏈放大，最終對(duì)人類健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)[8]。廢水處理廠（WWTPs）中的MNPs來源于多種來源（例如化妝品、輪胎磨損），主要通過生活污水和雨水徑流傳播，使得WWTPs成為這些塑料的主要匯[9]。
據(jù)報(bào)道，WWTPs進(jìn)水中的MNPs濃度范圍為1至10044個(gè)/升，而出水中MNPs濃度為0–447個(gè)/升[10]。出水中超過90%的MNPs直徑小于500微米，其中60%小于100微米[11]。由于MNPs的持久性，WWTPs主要攔截而非降解它們，導(dǎo)致其在處理單元中積累[12]。這種積累對(duì)功能性微生物群落的代謝活動(dòng)構(gòu)成了威脅。越來越多的證據(jù)表明，MNPs會(huì)干擾關(guān)鍵的營養(yǎng)物質(zhì)去除過程，如生物氮（N）[13]和磷（P）的去除[14]，其影響因濃度和聚合物類型而異。特別值得關(guān)注的是它們對(duì)生物氮去除過程的影響，因?yàn)樗鼈兛梢源碳ひ谎趸∟?O）的產(chǎn)生，而N?O是一種強(qiáng)效的中間產(chǎn)物，其全球變暖潛力大約是二氧化碳的300倍[15]。N?O是WWTPs直接溫室氣體（GHG）排放的主要組成部分[16]。因此，MNPs的積累對(duì)實(shí)現(xiàn)WWTPs的污染控制和碳排放減少目標(biāo)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。例如，在好氧顆粒污泥（AGS）系統(tǒng)中，PS-MPs抑制了反硝化速率和磷的去除[17]，而聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）則提高了磷的去除效率7%[18]。PS-NPs還被發(fā)現(xiàn)會(huì)抑制AGS的電子傳遞能力和活性，從而影響氮的轉(zhuǎn)化[19]。更嚴(yán)重的是，關(guān)于溫室氣體排放，PET被發(fā)現(xiàn)會(huì)刺激N?O的產(chǎn)生同時(shí)抑制反硝化代謝[20]。同樣，聚氯乙烯（PVC）在部分硝化系統(tǒng)中也會(huì)促進(jìn)N?O的產(chǎn)生[21]。
鑒于MNPs在生物處理過程中的不可避免存在，全面評(píng)估它們對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)去除的影響對(duì)于保障處理效率至關(guān)重要。以往的綜述主要集中在MPs的檢測(cè)方法[22]、它們對(duì)廢水和污泥處理的影響[23]、在WWTPs中的去除情況[24]以及一般環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]上。最近的綜述開始探討MPs對(duì)溫室氣體排放的影響[25]，特別是對(duì)生物氮去除及相關(guān)溫室氣體排放的影響[26]。然而，關(guān)于MNPs對(duì)磷去除的影響缺乏全面覆蓋。此外，不同的生物處理系統(tǒng)對(duì)污染物的抵抗力各不相同，但目前還沒有系統(tǒng)性的綜述比較MNPs對(duì)這些系統(tǒng)中氮和磷去除以及N?O排放的影響。
本文旨在解決這些挑戰(zhàn)，并填補(bǔ)在MNPs壓力下實(shí)現(xiàn)氮和磷同時(shí)去除以及N?O排放減少的多目標(biāo)優(yōu)化方面的知識(shí)空白。為此，本文系統(tǒng)地研究了MNPs在不同生物系統(tǒng)中的影響，分析了潛在機(jī)制，并提出了未來的研究方向。最終，這項(xiàng)工作旨在為受MNPs污染影響的WWTPs中有效去除氮和磷以及減少N?O排放提供指導(dǎo)策略。
章節(jié)摘錄
MNPs對(duì)不同系統(tǒng)中氮和磷去除的影響
MNPs對(duì)廢水處理中氮和磷去除的影響日益受到關(guān)注。雖然已有研究探討了活性污泥系統(tǒng)（ASS）、constructed wetlands（CWs）、顆粒污泥系統(tǒng)（AGS和anammox顆粒污泥系統(tǒng)（AnGS）[27],[28]、膜生物反應(yīng)器（MBR）、生物膜系統(tǒng)（BES）[30]和生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）[30]等系統(tǒng)，但研究結(jié)果仍然零散。如表1所示，不同系統(tǒng)的去除效率差異很大，這突顯了進(jìn)行系統(tǒng)研究的必要性
MNPs對(duì)N?O排放的影響
當(dāng)前的研究主要集中在N?O的產(chǎn)生和減少、關(guān)鍵途徑、微生物群落變化以及電子轉(zhuǎn)移過程上。在批處理活性污泥系統(tǒng)中，濃度為0–500微克的PET抑制了N?O的產(chǎn)生和減少，使N?O積累減少了60%，總產(chǎn)量減少了70%[76]。相反，在連續(xù)流式AGS系統(tǒng)中，PET促進(jìn)了N?O的產(chǎn)生并抑制了N?O還原酶的活性[20]。這種差異突顯了反應(yīng)器類型和操作模式的關(guān)鍵作用
不可降解塑料和可降解塑料對(duì)不同系統(tǒng)的影響對(duì)比
根據(jù)環(huán)境持久性，MNPs被分為不可降解微塑料（NBMPs），如PE、PS、PVC、PET，以及可降解微塑料（BMPs），如PBS、PLA、PHA和聚（丁酸-對(duì)苯二甲酸）（PBAT）[78]。迄今為止，關(guān)于BMPs和NBMPs對(duì)廢水處理性能影響的比較研究主要集中在ASS系統(tǒng)、AGS系統(tǒng)和AnGS系統(tǒng)上。
機(jī)制分析
在機(jī)制層面，如圖2所示，MNPs對(duì)廢水處理系統(tǒng)的影響是通過它們對(duì)EPS的影響以及誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激來實(shí)現(xiàn)的，這會(huì)破壞細(xì)胞膜的完整性[50]。這些主要效應(yīng)隨后導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)、功能基因表達(dá)、酶活性和代謝途徑的變化[34]。
未來展望
現(xiàn)有研究證實(shí)，MNPs會(huì)干擾氮和磷的去除并影響廢水處理系統(tǒng)中的N?O排放。然而，目前的發(fā)現(xiàn)主要是現(xiàn)象學(xué)層面的，而非機(jī)制層面的。如圖5所示，為了更準(zhǔn)確地評(píng)估實(shí)際環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)并指導(dǎo)工程實(shí)踐，未來的研究需要采用多尺度方法并結(jié)合人工智能開發(fā)預(yù)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)從觀察向機(jī)制預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)變。
結(jié)論
本文系統(tǒng)地回顧了MNPs對(duì)各種廢水處理系統(tǒng)中氮和磷去除以及N?O排放的影響。結(jié)果表明，MNPs會(huì)干擾這些過程，其影響高度依賴于聚合物類型、濃度、顆粒大小和暴露時(shí)間。納米塑料的毒性通常大于微塑料，且不可降解塑料往往比可降解塑料帶來不同的風(fēng)險(xiǎn)。MNPs對(duì)氮去除的影響
作者貢獻(xiàn)聲明
王帥航：撰寫——初稿，概念構(gòu)思。方平：驗(yàn)證，調(diào)查，概念構(gòu)思。陳成新：方法學(xué)，調(diào)查，形式分析。丁杰：方法學(xué)，調(diào)查，概念構(gòu)思。何穎：方法學(xué)，調(diào)查。孫漢軍：驗(yàn)證，方法學(xué)。丁夢(mèng)琪：調(diào)查，概念構(gòu)思。龐繼偉：方法學(xué)，調(diào)查。任楠琪：方法學(xué)，概念構(gòu)思。楊珊珊：撰寫——審稿與編輯，
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)25JK0485）、西安理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金（編號(hào)310-107020744）、城鄉(xiāng)水資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）（編號(hào)2025TS44）以及黑龍江省杰出青年科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)YQ2023E022）的資助。
