聚乙烯对苯二甲酸酯微塑料急性暴露对厌氧氨氧化颗粒污泥性能的影响及代谢机制研究

为解决微塑料(MPs)污染对废水生物脱氮工艺的潜在影响问题，研究人员开展了聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)-MPs急性暴露对厌氧氨氧化(anammox)颗粒污泥(AnGS)性能的研究。结果表明：150 μm PET-MPs显著提升反应器脱氮效率(91.7%)和联氨脱氢酶(HDH)活性，刺激厌氧氨氧化菌(AnAOB)分泌胞外聚合物(EPS)，并通过下调3-甲氧基酪胺等代谢物影响氨基酸代谢。该研究为MPs污染控制提供了新见解。

　　

塑料污染已成为全球环境挑战，其中尺寸小于5毫米的微塑料(MPs)尤其令人担忧。这些微小颗粒通过降解塑料制品进入环境，在污水处理厂(WWTPs)中大量富集，而现有技术难以完全去除。更棘手的是，作为新型污染物，MPs对污水处理核心工艺——如革命性的厌氧氨氧化(anammox)技术——的影响机制尚属未知。anammox工艺因其无需氧气和外部碳源的独特优势，被誉为"废水脱氮的绿色解决方案"，但其功能菌群(AnAOB)生长缓慢且对环境敏感。当MPs闯入这个精密系统时，会引发怎样的连锁反应？这直接关系到全球污水处理体系的可持续性。

针对这一科学盲区，国内研究人员开展了一项创新研究，系统探究了不同粒径聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)-MPs的急性暴露效应。通过12小时短时暴露实验发现，MPs非但没有抑制anammox系统，反而出人意料地提升了其性能。具体而言，150 μm大粒径PET-MPs使铵氮(NH₄⁺-N)去除率提升至91.7%，同时显著激活了关键酶联氨脱氢酶(HDH)。研究还揭示MPs刺激AnAOB分泌大量胞外聚合物(EPS)作为防护屏障，并通过代谢组学发现3-甲氧基酪胺等代谢物的动态变化直接影响氨基酸代谢通路。这些发现发表于《Anaerobe》，为理解MPs-微生物互作提供了全新视角。

研究团队采用多组学联用策略：首先建立500 mL升流式厌氧污泥床(UASB)反应器模拟实际工况；通过氮素分析监测NH₄⁺-N/NO₂^--N去除动力学；采用酶联免疫法测定HDH活性；三维荧光光谱解析EPS组分；最后通过非靶向代谢组学追踪代谢物变化。所有实验均设置13 μm与150 μm PET-MPs暴露组及空白对照。

【Effect of PET-MPs on nitrogen removal performance】

氮去除动力学显示：暴露7小时后，13 μm和150 μm PET组NH₄⁺-N去除率持续优于空白组(p<0.05)，其中150 μm组优势更显著。至12小时时，两组去除率分别达89.2%和91.7%。同步观察到的NO₂^--N去除率提升证实系统脱氮效能整体增强。

【关键酶活性变化】

HDH活性检测揭示：大粒径MPs对anammox关键酶的激活作用更强。这与粒径效应理论相符——较大表面积的MPs可能提供更多微生物附着位点，但具体机制仍需深入解析。

【EPS分泌响应】

三维荧光光谱检测到EPS含量显著增加，特别是蛋白质类物质。这种"防护罩"式响应被认为是AnAOB抵抗MPs胁迫的核心策略，其分泌量与MPs粒径呈正相关。

【代谢重编程】

非靶向代谢组学发现：13 μm组天冬酰胺(L-asparagine)上调，而3-甲氧基酪胺和L-丝氨酸普遍下调。这些变化通过氨基酸代谢网络间接影响AnAOB的生物合成能力，可能是性能改变的深层原因。

这项研究颠覆了"MPs必然抑制微生物活性"的传统认知，首次证实特定条件下PET-MPs可短暂刺激anammox系统。其科学价值在于：1) 确立MPs粒径效应的剂量-响应关系；2) 揭示EPS分泌作为微生物抗逆的新机制；3) 提供代谢组学证据链解释表型变化。尽管实际应用中仍需警惕MPs长期暴露风险，但该发现为发展MPs污染控制策略提供了理论基石，对保障污水处理系统韧性具有重要指导意义。未来研究可延伸至不同MPs类型(如PE/PP)的慢性暴露效应，以及AnAOB菌群结构的演变规律。