从污染到修复：微藻-细菌颗粒污泥系统中可生物降解的聚乳酸微塑料

《Process Safety and Environmental Protection》：From impact to restoration: Biodegradable polylactic acid microplastics in microalgal-bacterial granular sludge systems

本研究评估了0-50 mg/L聚乳酸（PLA）微塑料对微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）系统性能的影响。结果显示，低浓度（≤5 mg/L）PLA对系统结构及功能影响较小，但50 mg/L浓度下MLSS下降26.9%，SVI升高至75.4 mL/g，zeta电位骤降至-32.9 mV，导致硝化、反硝化和磷去除效率显著降低。尽管高浓度PLA引发微生物多样性下降，系统在30天无PLA暴露后可完全恢复结构、功能和群落组成，表明MBGS具有较强抗逆性。研究揭示了可降解微塑料PLA对MBGS系统的潜在风险，强调需控制其环境浓度。

　　微塑料（MPs）作为环境中广泛存在且难以降解的污染物，正对水处理系统构成越来越严重的威胁。尽管近年来，随着环保意识的提高，一些可生物降解的微塑料（如聚乳酸（PLA））被推广为潜在的替代材料，但其在水处理系统中的影响仍未被充分理解。本研究探讨了基于PLA的可生物降解微塑料（0–50?mg/L）对微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）性能的影响，揭示了即使是对环境友好的材料，其在高浓度下也可能对污水处理过程产生显著干扰。

### 微塑料的环境影响与污水处理系统的挑战

全球范围内的污水处理需求正在因城市化进程加快、工业扩张和人口增长而不断上升。这些污水排放如果处理不当，可能对生态系统的完整性以及公众健康造成严重威胁。传统的活性污泥（CAS）技术虽然被广泛应用，但其在高能耗和对新兴污染物的敏感性方面存在明显限制。此外，微塑料因其物理和化学特性，可能对污水处理系统造成不可忽视的影响。微塑料的持久性和广泛分布使其在水体中难以被清除，尤其是在污水处理厂（WWTPs）中，它们往往被积累在污泥中，可能通过土地利用或排放进入自然水体，进一步影响生态系统的稳定性。

相比之下，微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）作为一种光养-好氧联合系统，因其卓越的营养去除能力和结构稳定性，被广泛认为是未来污水处理技术的有希望的替代方案。MBGS通过微藻的氧气释放和细菌的降解作用，能够同时实现营养物质的转化，从而减少曝气需求。同时，微藻的碳固定作用也有助于维持系统稳定性。然而，尽管MBGS具有较强的抗污染能力，其在面对微塑料污染时的响应仍需进一步研究。

### PLA微塑料对MBGS的影响

本研究特别关注了PLA微塑料对MBGS的影响。PLA作为一种来源于生物的聚酯，因其可降解性在包装、纺织和生物医学领域被广泛使用。然而，PLA在环境中容易发生降解，形成具有更大表面积和更高反应性的微/纳米塑料，这可能对污水处理系统产生负面影响。在实验中，我们观察到在PLA浓度为50?mg/L时，MBGS的结构和功能发生了显著变化，包括混合液悬浮固体（MLSS）减少26.9%、污泥体积指数（SVI5）从约35–75.4?mL/g增加，以及ζ电位急剧下降至?32.9?mV，表明颗粒结构出现不稳定。此外，营养去除效率也受到显著影响，总氮去除率从超过96%下降至44.4%，而总磷去除率从超过95%下降至低于30%。

### 微藻-细菌颗粒污泥的结构与功能变化

为了更深入地理解PLA对MBGS的影响，我们分析了其对颗粒结构、营养去除效率以及微生物生态的影响。研究结果显示，在低浓度PLA（≤5?mg/L）下，MBGS的结构和功能变化不明显，但在50?mg/L时，系统表现出明显的结构和功能退化。MLSS的减少和SVI5的增加可能与PLA引发的泡沫现象有关，这种泡沫在每次进水后持续20–30分钟，导致微生物的流失。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，我们观察到颗粒表面结构在高浓度PLA下发生了显著变化，包括连续聚合物矩阵的消失和颗粒表面的结构破坏。

此外，PLA微塑料在颗粒表面的吸附可能影响了颗粒的电荷特性，导致ζ电位的下降，从而削弱了颗粒间的结合力。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，我们发现PLA在颗粒表面产生了明显的化学特征，如C–H伸缩振动、甲基变形振动以及C–O–C醚键振动。这些变化表明PLA微塑料在颗粒表面的附着可能对颗粒结构和功能产生负面影响。

### 微生物活性与EPS组成的变化

在实验过程中，我们还分析了PLA对微生物活性的影响，包括特定的氨氧化速率（SAOR）、硝酸盐还原速率（SNRR）和磷吸收速率（SPUR）。结果表明，PLA对微生物活性产生了显著的抑制作用，特别是在高浓度（50?mg/L）下，微生物的活性下降明显，导致氮和磷的去除效率降低。同时，PLA对EPS（胞外聚合物）的组成和含量也产生了显著影响。随着PLA浓度的增加，EPS的含量逐渐减少，尤其是松散结合的EPS（LB-EPS）和紧密结合的EPS（TB-EPS）。

通过FT-IR分析，我们发现PLA对TB-EPS的影响更为显著，其吸收峰的强度和位置发生了明显变化。这些变化可能与PLA在颗粒内部的渗透以及对EPS网络的干扰有关。PLA的降解产物可能引起局部酸化，从而削弱EPS的电荷结合力，导致颗粒结构的不稳定。此外，PLA可能通过物理嵌入EPS网络，作为结构应力源，影响氧气和营养物质的扩散。

### 微生物群落的动态变化

在微生物群落层面，我们通过α多样性分析评估了PLA对群落组成的改变。随着PLA浓度的增加，群落的Chao1、ACE和Shannon指数显著下降，而Simpson指数则上升，表明PLA对微生物多样性产生了显著影响。特别是在50?mg/L的PLA浓度下，群落多样性下降明显，但在30天的再生期后，所有多样性指标均恢复到初始水平，表明MBGS系统具有较强的自我恢复能力。

在门级分类中，Actinobacteria、Proteobacteria和Bacteroidetes是主要的门类。随着PLA浓度的增加，Actinobacteria的相对丰度显著下降，而Proteobacteria的相对丰度则上升。这些变化可能与PLA对氮和磷去除功能的影响有关。尽管PLA对群落多样性产生了影响，但某些门类如Paracoccus和Pseudomonas表现出较强的耐受性，这可能与它们对PLA的适应能力有关。

在属级分类中，Nakamurella是主要的属类，其相对丰度在所有样本中保持在23–30%之间。这种丝状异养菌在环境压力下表现出较强的抗逆性，对颗粒结构的形成和氨去除具有重要作用。然而，Micropruina这一已知的EPS生产属类在PLA浓度增加时表现出明显的下降趋势，特别是在50?mg/L时，其相对丰度降至2.7%。这表明Micropruina对PLA非常敏感，而其他PLA耐受性较强的属类可能在EPS生产方面发挥了补偿作用。

### 系统恢复与环境影响的长期效应

在实验的最后阶段，即30天的再生期，PLA的添加停止后，MBGS系统表现出显著的恢复能力。MLSS、SVI5和ζ电位等参数均恢复到初始水平，表明系统的结构和功能得到了恢复。然而，磷的去除效率仍略低于对照组，这可能与PLA对磷吸收功能的长期影响有关。因此，尽管MBGS系统在PLA去除后能够恢复其基本功能，但某些关键过程如磷去除可能需要更长时间才能完全恢复。

### 对污水处理技术的启示

本研究的结果表明，即使是被认为对环境友好的PLA微塑料，在高浓度下也可能对MBGS系统的性能和结构稳定性产生显著影响。这提示我们在污水处理过程中需要对微塑料的浓度进行严格控制，并考虑建立环境阈值系统来管理基于聚合物的材料排放。同时，工业排放者应被鼓励采用预处理技术，以促进PLA在排放前的降解。

此外，本研究强调了对微塑料降解产物对微生物群落和生物膜结构影响的进一步研究的重要性。我们建议对PLA在不同环境条件下的降解动力学进行深入研究，包括温度、pH值、水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）等因素的影响。未来的研究还应探讨其他类型可生物降解塑料对MBGS系统的影响，以及它们的联合存在可能产生的协同效应。同时，研究生物可降解和不可降解微塑料、重金属或残留抗生素的共同作用，将有助于更全面地理解它们对污水处理系统的累积影响。

### 结论

综上所述，本研究揭示了PLA微塑料对MBGS系统的显著影响，包括结构和功能的变化，以及微生物群落的动态调整。尽管低浓度PLA对系统的影响较小，但高浓度（≥15?mg/L）可能导致颗粒结构的破坏、EPS的减少以及氮和磷去除效率的下降。然而，MBGS系统表现出较强的自我恢复能力，其结构和功能参数在PLA暴露停止后30天内得以恢复。这些结果强调了即使是对环境友好的材料，其在污水处理系统中的影响也需引起重视。