热水解显著增强了聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料对污泥中厌氧甲烷生成过程的抑制作用：病原体识别与定量机制研究

《Environmental Research》：Thermal hydrolysis intensifies the targeted inhibition of polyethylene terephthalate microplastics on anaerobic methanogenesis in sludge: Path identification and quantitative mechanism research

本研究通过整合生化甲烷势、微生物群落分析和方差分解分析，首次定量揭示了热水解预处理下PET微塑料抑制厌氧消化的三大途径及其贡献率：DOM泄漏（54%）、颗粒尺寸减小（35%）和表面改性（11%），为可持续污泥管理提供了机制依据。

　　PET微塑料对厌氧消化过程的抑制作用是一个日益受到关注的环境与资源管理问题。随着中国污水处理能力的迅速提升，污泥产量显著增加。污泥在污水处理过程中承担着去除有机污染物的重要功能，因此成为可再生能源回收的重要原料。然而，污泥也成为了新兴污染物——微塑料（MPs）的汇，这使得其再利用和能源回收面临挑战。在国家“双碳”战略背景下，可持续的污泥管理和资源化利用已成为关键政策议题。厌氧消化（AD）因其在污泥减量和沼气回收方面的双重效益而被广泛应用，但其性能常因低沼气产量和污染物对微生物的抑制而受到影响，这会破坏消化过程的稳定性。为此，多种预处理技术被探索以提高AD效率，其中热 hydrolysis（TH）因其能显著提升沼气产量和污泥的生物降解性而备受关注。TH-AD技术不仅增强了污泥的可利用性，还促进了外部污泥资源的使用，因此被认为是全球范围内最成熟和广泛采用的可持续污泥管理技术之一。

然而，微塑料在污泥中的存在引发了新的关注。全球数据显示，污泥中每千克干重通常含有102至10?个微塑料颗粒，其中聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是最常检测到的聚合物。在这些微塑料中，PET因其对厌氧消化过程的显著抑制作用而受到特别关注。已有研究表明，PET微塑料的添加会对沼气产量产生负面影响，且其影响可能随颗粒尺寸变化而有所不同。例如，有研究指出，每克TS（总固体）中添加60个PET颗粒会导致沼气产量减少约12.53%。此外，PET微塑料在消化过程中释放的邻苯二甲酸酯类物质已被证实会对关键的酸化细菌产生抑制作用，且更小的颗粒（如30 μm）对甲烷生成的抑制作用更为显著。

由于PET微塑料具有酯键结构，其在热处理过程中容易发生热诱导的物理和化学变化。这些变化包括表面粗糙化、裂解、羟基和羰基官能团的富集、颗粒破碎以及溶解性有机质（DOM）的释放增加。这些转变可能会显著改变PET微塑料的生态毒性，并重塑其与厌氧消化微生物之间的相互作用。因此，在TH技术日益普及的背景下，有必要深入探讨TH预处理的PET微塑料对AD性能的具体影响，以及这些物理化学变化是否会加剧或缓解其抑制作用。

已有研究对TH对PET微塑料在AD过程中的行为影响得出了不同的结论。一方面，有研究认为TH能够缓解PET微塑料引起的应激反应，通过减少活性氧（ROS）的生成并促进低毒性的DOM释放，从而减轻其生物毒性。另一方面，也有研究指出TH反而加剧了微生物的抑制作用，加速了PET微塑料中添加剂的释放，这些有毒物质对微生物活动产生了负面影响。这种差异可能源于PET添加量、颗粒尺寸、热处理的强度、污泥成分以及微生物群落的不同。热处理会引发一系列物理化学变化，包括表面氧化、官能团重组、颗粒破碎以及添加剂的释放，这些变化会重新定义微塑料与微生物之间的相互作用，扰乱氧化还原平衡，并重塑AD的代谢环境。然而，以往的研究多为定性分析，缺乏对每条路径贡献程度的系统量化方法，这限制了不同研究之间的对比和在实际条件下的可靠预测。

为了解决这一问题，本研究建立了一个定量归因框架，结合了生化甲烷潜力（BMP）测定和统计方差分解分析。该框架首次实现了对PET微塑料在热处理过程中三种主要转化路径——溶解性有机质释放、颗粒尺寸减小以及表面改性——在AD抑制作用中的相对贡献进行量化分析。通过这一方法，我们能够将定性观察转化为机制性理解，为评估微塑料风险和优化TH-AD系统提供科学依据。

在实验设计中，我们收集了来自北京某市政污水处理厂的污泥作为基质，并从一个运行温度为37±1℃、污泥停留时间为20天的中温消化器中获取接种污泥。PET微塑料（平均粒径50 μm）由中国石化（广东）公司提供。在使用前，这些颗粒经过乙醇清洗两次、超纯水冲洗、空气干燥和密封处理，以确保其纯度和实验的准确性。

为了评估TH对PET微塑料在AD过程中抑制作用的影响，我们进行了BMP批次实验，分别在有无PET微塑料和有无TH处理的条件下进行。实验结果显示，当每克TS添加0.5 mg PET微塑料时，其对累积沼气产量的影响并不显著（p > 0.05）。然而，当添加量提高至10 mg/g TS时，沼气产量在第23天达到115.00±1.14 mL CH?/g VS后趋于稳定，最终沼气产量仅为对照组的88.32%，表明PET微塑料对AD过程产生了明显的抑制作用。这一结果进一步验证了PET微塑料在AD系统中的负面影响，并且TH处理显著加剧了这种抑制效应。

通过方差分解分析，我们确定了三种主要的转化路径对AD抑制作用的相对贡献。其中，DOM释放被认为是主导因素，占总抑制作用的54%。这一结果表明，PET微塑料在热处理过程中释放的溶解性有机质对AD过程产生了最显著的负面影响。颗粒尺寸减小对AD抑制的贡献为35%，其机制在于增强了功能细菌的氧化应激和膜损伤，从而进一步降低了沼气产量。表面改性则贡献了11%，其作用机制尚不完全明确，但可以推测其可能通过改变PET微塑料的表面特性，影响其与微生物的相互作用，从而对AD过程产生间接影响。

DOM的释放是PET微塑料在热处理过程中最显著的变化之一。通过气相色谱-质谱（GC-MS）分析，我们检测到PET微塑料释放的DOM中含有大量的邻苯二甲酸酯类物质，如邻苯二甲酸二丁酯（DBP）和环己硅氧烷（CHS）。这些物质被发现能够选择性地抑制酸化菌群，包括Synergistota和Firmicutes等关键微生物类群。同时，这些物质还降低了参与挥发性脂肪酸（VFA）形成的酶活性，从而限制了底物向甲烷生成菌的供应，进一步影响了沼气产量。这一发现表明，PET微塑料在热处理过程中释放的DOM不仅对酸化阶段产生直接影响，还可能通过抑制关键代谢途径，对整个AD过程产生连锁反应。

颗粒尺寸减小是PET微塑料在热处理过程中发生的另一个重要变化。随着热处理的进行，PET微塑料颗粒逐渐破碎，尺寸减小至纳米或亚微米级别。这一过程显著增加了微塑料与微生物的接触面积，从而增强了其对微生物的毒性作用。通过实验，我们发现颗粒尺寸减小会加剧功能细菌的氧化应激和膜损伤，导致其代谢活动受到抑制。这种影响可能与纳米颗粒的高比表面积和更强的渗透能力有关，使其更容易进入细菌细胞，干扰其正常生理功能。此外，纳米颗粒可能更容易与微生物细胞膜结合，从而破坏其结构，影响其代谢和繁殖能力。这些因素共同作用，导致AD过程中的甲烷产量显著下降。

表面改性则是PET微塑料在热处理过程中发生的第三类重要变化。热处理会改变PET微塑料的表面化学特性，包括增加羟基和羰基官能团的含量，以及改变其表面粗糙度。这些变化可能会影响PET微塑料与微生物之间的相互作用，例如通过改变其表面电荷或亲水性，影响微生物的附着和代谢。此外，表面改性还可能改变PET微塑料的生物可降解性，使其更难被微生物分解，从而影响底物的利用效率。尽管这一路径对AD抑制的贡献相对较小，但其潜在影响不容忽视，尤其是在长期运行的AD系统中，微塑料的表面特性变化可能会逐渐累积，对微生物群落产生更深远的影响。

本研究的结果表明，TH预处理显著加剧了PET微塑料对AD过程的抑制作用，并将主要的抑制瓶颈从水解阶段转移到酸化阶段。这一发现为理解PET微塑料在TH-AD系统中的风险提供了定量依据，并为优化TH-AD系统以实现可持续的污泥管理提供了指导。通过明确不同转化路径对AD抑制的贡献，我们可以更有效地监测和管理微塑料污染，确保沼气回收和资源化利用的顺利进行。此外，本研究还强调了在实际应用中需要考虑微塑料的物理化学特性变化，以及这些变化如何影响AD过程的各个阶段，从而为未来的研究和工程实践提供重要的参考。