聚苯乙烯微/纳米塑料尺寸效应对人工湿地除磷功能的影响机制：基于微生物代谢驱动的解析

针对微(纳米)塑料(MPs/NPs)威胁人工湿地(CWs)生态功能的难题，本研究通过对比聚苯乙烯(PS) MPs/NPs对磷(P)去除性能、微生物群落及代谢通路的差异影响，发现NPs较MPs更显著抑制多磷酸盐积累菌(PAOs)活性(TP去除率降低13.31%)，并首次系统揭示其通过干扰"胞外-胞内"磷循环基因(PCGs)的双重作用机制，为湿地系统应对新兴污染物提供理论支撑。

　　

随着工业发展，塑料污染已成为全球性环境问题。在紫外线辐射、机械磨损等作用下，塑料会逐渐分解为微米级(MPs)和纳米级(NPs)颗粒，这些微小颗粒不仅能通过污水管网进入人工湿地(CWs)系统，还会在食物链中富集，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。尽管CWs能有效去除污水中的MPs/NPs，但这些污染物反而会干扰湿地自身的生态功能——尤其是对氮(N)、磷(P)等关键元素去除效率的影响尚未明确。现有研究多聚焦于MPs/NPs对氮循环的影响，而对其尺寸效应如何调控磷去除的微生物代谢机制仍存在认知空白。

针对这一科学问题，江苏省重点研发计划资助的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表论文，通过构建无植物人工湿地模型，系统比较了4-6 μm聚苯乙烯微塑料(PS MPs)与70-110 nm纳米塑料(PS NPs)对磷去除性能的差异影响。研究发现NPs比MPs表现出更强的抑制作用：长期暴露使总磷(TP)去除率降低13.31%，磷酸酶活性下降61.46%。通过高通量测序和代谢组学分析，首次揭示这种尺寸效应与微生物抗氧化系统损伤、关键功能菌群(如Thauera、Dechloromonas)丰度降低，以及"胞外"(如phoA、ugpQ)和"胞内"(如磷酸转移酶系统PTS)磷循环基因的双重抑制密切相关。

关键技术方法包括：动态光散射(DLS)表征塑料颗粒分散性；连续流人工湿地反应器构建；土壤磷酸酶(PST)活性检测；16S rRNA高通量测序分析微生物群落；宏基因组学解析磷循环功能基因(PCGs)；抗氧化指标(ROS、LDH)生化检测。

【TP removal efficiency of CWs】
通过90天实验发现，PS NPs组最终TP去除率较MPs组显著降低(p < 0.05)，且短期暴露阶段磷酸酶活性抑制更明显。这表明NPs对聚磷酸盐积累菌(PAOs)的代谢活性具有快速抑制作用。

【微生物群落分析】
β多样性显示NPs引起更显著的群落结构改变。功能菌属Thauera(与聚磷代谢相关)在NPs组丰度下降37.5%，而MPs组仅降低12.3%。这种差异与NPs更强的细胞膜穿透能力导致的氧化应激有关。

【磷循环基因调控】
宏基因组数据表明，NPs同时抑制"胞外"矿化基因(phoA、ppx)和"胞内"代谢基因(如参与ATP合成的purA)。这种双重干扰解释了为何NPs对磷去除的破坏更持久。

【抗氧化系统响应】
NPs组超氧化物歧化酶(SOD)活性较对照组下降42.1%，丙二醛(MDA)含量升高2.3倍，证实氧化损伤是尺寸效应的核心机制之一。

该研究创新性地建立了MPs/NPs尺寸-微生物代谢-磷循环功能的关联模型，揭示纳米级塑料通过物理穿透和生化应激的双重途径破坏湿地生态功能。这不仅为评估塑料污染的环境风险提供了新指标(如PCGs表达谱)，还为设计抗干扰型人工湿地提出了关键调控靶点——需优先保护PAOs菌群和维持磷酸转移酶系统(PTS)活性。作者建议未来研究应关注塑料表面化学性质与尺寸效应的协同作用，并开发针对纳米塑料的特异性吸附基质。

值得注意的是，该团队发现的"胞内磷代谢抑制"机制突破了传统仅关注胞外转化的研究范式，为理解环境微生物的磷代谢网络提供了新视角。这些成果对制定污水处理中MPs/NPs的排放标准、优化湿地运行参数具有重要指导价值，尤其在应对富营养化水体治理方面展现出应用潜力。