传统与可生物降解微塑料对序批式反应器处理效能及菌群结构的差异性影响研究

《Bioresource Technology Reports》：Differential impacts of conventional and biodegradable microplastics on treatment performance and bacterial community in sequencing batch reactors

本研究针对污水处理厂中微塑料(MPs)污染问题，系统比较了传统微塑料(PE、PP、PS、PET)与可生物降解微塑料(PLA)对序批式反应器(SBR)处理效能和菌群结构的影响。研究发现PLA会显著抑制COD和氨氮去除率，降低微生物多样性并引发氧化应激，而传统MPs影响较小。该成果为MPs的聚合物特异性风险评估提供了重要依据。

　　

随着塑料制品在全球范围内的广泛使用，微塑料（Microplastics, MPs）作为一种新兴污染物已广泛存在于水环境中。污水处理厂（Wastewater Treatment Plants, WWTPs）作为阻截微塑料进入自然环境的最后一道防线，其内部积累的微塑料可能对生物处理系统产生潜在影响。然而，目前关于不同聚合物类型微塑料（尤其是可生物降解微塑料）在相同环境条件下的对比研究仍较为缺乏，其影响机制尚不明确。

为此，研究人员在《Bioresource Technology Reports》上发表了一项研究，系统比较了四种传统微塑料（聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚苯乙烯PS、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET）和一种可生物降解微塑料（聚乳酸PLA）在序批式反应器（Sequencing Batch Reactor, SBR）中对污水处理效能、微生物应激响应及菌群结构的影响。该研究采用统一实验条件（微塑料浓度100 particles/g VSS，暴露时间30天），通过监测化学需氧量（COD）和氮素转化效率、分析胞外聚合物（EPS）和活性氧（ROS）变化，并结合16S rRNA测序技术解析微生物群落结构，揭示了不同微塑料的聚合物特异性影响。

在研究方法上，作者主要运用了序批式反应器连续实验、胞外聚合物提取与组分分析、活性氧测定以及16S rRNA高通量测序等技术手段，对污泥样本进行多维度评估。

3.1. 传统与可生物降解MPs对污水处理效能的影响

在COD去除方面，传统MPs（PE、PP、PS、PET）在整个实验期间对COD去除效率（83%~86%）影响不显著，而PLA则从第18天起出现持续下降，最终去除率降低4.3%。在氮素转化方面，传统MPs对氨氮（NH₄⁺-N）去除（86%~92%）和氨氧化速率（SAOR）均无显著抑制，但PLA使氨氮去除率下降5.9%，SAOR降低约33%。此外，PS显著抑制反硝化过程，导致出水硝酸盐（NO₃^?-N）浓度升高，而PLA则因降解产物提供碳源，促进了反硝化效率。

3.2. 胞外和细胞内对传统和可生物降解MP暴露的响应

在胞外聚合物（EPS）方面，传统MPs（PE、PS、PET）促使LB-EPS和TB-EPS产量增加1.3–1.7倍，蛋白质/多糖比值上升，表明微生物通过分泌EPS应对MPs胁迫。相反，PP和PLA抑制EPS分泌，PLA使LB-EPS降低约0.8倍，这可能与其表面生物膜形成导致EPS空间分布改变有关。在氧化应激方面，PS和PLA均引起活性氧（ROS）水平显著升高（约2倍），而PE、PP和PET则未引发明显氧化应激。

3.3. 传统和可生物降解MPs对细菌群落的影响

3.3.1. 细菌群落的多样性和相似性评估

Alpha多样性分析显示，PLA和PP显著降低微生物丰富度（Chao1指数）和多样性（Shannon指数），而PS和PET则略有提升。主坐标分析（PCoA）表明，PLA和PP引起菌群结构显著偏离对照组，其余MPs影响相对较小。

3.3.2. 细菌群落的结构和组成评估

在门水平上，PLA使变形菌门（Proteobacteria）相对丰度下降14.6%，拟杆菌门（Bacteroidota）上升15.1%。在属水平上，PLA促进反硝化菌OLB8富集（从4.83%升至18.39%），但氨氧化菌（如Nitrosomonas）功能受到抑制。此外，PLA和PP均导致Zoogloea（具有EPS分泌和反硝化功能）丰度下降，与EPS分泌抑制现象一致。

本研究通过系统比较不同聚合物微塑料在污水处理系统中的行为与效应，明确指出可生物降解PLA并非如传统认知那般“环境友好”，其降解过程中产生的中间产物和表面生物膜形成可能引发微生物功能抑制和菌群结构简化，甚至潜在致病菌富集风险。该研究为污水处理系统中微塑料的聚合物特异性风险评估提供了重要数据支撑，呼吁在政策制定和技术优化中需区别对待不同种类的微塑料。