《Water Research》：Sewer-relevant aging of microplastics drives plastic-class-dependent N2O emissions from denitrifying sludge
编辑推荐：
●与污水相关的微塑料（MP）老化与反硝化N2O排放相关联。●MP老化增强了芳香类、添加剂相关、低活性溶解性有机碳（DOC）的释放。●在C/N = 4:1时，老化的可堆肥和可生物降解MPs表现出更强的N2O刺激作用。●在C/N = 4:1时，老化MP衍生DOC损害了硝酸盐呼吸的
- ●
与污水相关的微塑料（MP）老化与反硝化N2O排放相关联。
- ●
MP老化增强了芳香类、添加剂相关、低活性溶解性有机碳（DOC）的释放。
- ●
在C/N = 4:1时，老化的可堆肥和可生物降解MPs表现出更强的N2O刺激作用。
- ●
在C/N = 4:1时，老化MP衍生DOC损害了硝酸盐呼吸的电子供应。
- ●
老化MPs富集了副球菌（Paracoccus），引导菌群向N2O释放方向发展。
引言
微塑料（MPs，粒径<5 mm的塑料）已成为市政工程水系统（如市政污水处理厂，WWTPs）中日益严峻的污染物，进水浓度可达3 × 107 颗粒/m3（Liu等，2021）。进入污水处理厂后，大部分（50–85%）的MPs被截留并积累在生物处理单元的污泥中（Ali等，2021；Sun等，2019），在此直接与微生物相互作用以进行生物脱氮（BNR）（Cheng等，2022）。越来越多的证据表明，MPs可干扰微生物氮转化并影响氮循环中间体，尤其是一氧化二氮（N2O），这是一种强效温室气体（GHG），占典型污水处理厂生物处理直接温室气体排放的80%以上（Song等，2024）。作为BNR过程的副产物，N2O主要由异养反硝化细菌（DEN）的不完全反硝化及硝化菌相关途径产生（Roothans等，2025）。DEN通过一氧化二氮还原酶将N2O还原为N2是已知的唯一生物N2O汇（图S1）。作为反硝化的最后一步，N2O还原会竞争有限的电子供体，因此在电子匮乏条件下（即低碳氮比（C/N）），电子分配的任何微小偏移都可能不成比例地放大N2O释放（Pan等，2013）。这引发了人们的担忧：MPs通过干扰反硝化细菌的生态生理功能和电子供应，可能导致N2O汇功能失调，增加BNR污水处理的温室气体排放。
MPs对反硝化相关N2O源和汇的影响已引起越来越多的研究关注。已有广泛报道指出，MPs通过破坏细胞膜完整性、过度产生活性氧（ROS）以及扰乱电子传输与消耗系统（ETCS）等途径干扰反硝化菌，最终促进N2O积累（He等，2024；Liu等，2025）。然而，这些研究使用的是原始MPs，而进入生物处理单元的MPs不可避免地经历了化学暴露、机械磨损和微生物降解所导致的老化（Wu等，2022）。与原始MPs相比，老化MPs表现出不同的特征，如表面形貌改变、聚合物碳链断裂以及倾向于释放溶解性有机碳（DOC）和有毒化学添加剂（Wu等，2022）。因此，关于原始MPs得出的结论可能无法准确反映MPs暴露对微生物和菌群的真实环境影响。此外，老化引起的MPs特性变化强烈依赖于环境因素，如光照、温度、pH值、机械力以及共存污染物（Qiu等，2026）。例如，研究发现紫外辐照（即光老化）会引发地表水中聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）MPs的高速率光降解，产生富含易降解DOC的浸出液（Sheridan等，2022）。在被光老化聚苯乙烯MPs污染的构建湿地中，上游反硝化基因（narG/T, nirK/S, norB）上调，而一氧化二氮还原酶（NOS）活性受到抑制，从而增加了N2O排放（Zhang等，2026）。另一方面，污水管道中的MPs经历由水力湍流、机械磨损和硫化驱动的老化过程，导致酯键断裂、硫元素掺入以及嵌入成分溶解（Du等，2024；Liu等，2022；Zhao等，2021）。因此，由此产生的MPs衍生DOC在芳香性、含硫化合物和功能团组成方面预计具有独特的分子特征，这与光氧化老化产生的特征不同（Cao等，2025；Yu等，2024）。然而，与原始MPs观察结果相比，与污水相关的老化是否以及如何放大、减弱或改变MPs对污水处理BNR过程中N2O排放的影响，目前尚不明确。
一些近期研究已开始探讨这种化学–微生物联系，但主要在简化系统中或针对特定塑料类型。例如，通过将模式反硝化细菌Paracoccus denitrificans暴露于老化可生物降解MPs中，Zhang等（2025）表明，聚羟基脂肪酸酯（PHA）MPs的老化通过释放γ-丁内酯损害了N2O汇容量，限制了N2O还原所需的电子可用性。污水系统中不同化学结构和可生物降解性的MPs共存进一步增加了复杂性（Liu等，2022；Zhao等，2021）。可生物降解MPs，如聚乳酸（PLA），越来越多地被用作传统塑料（如PE、PP）的替代品，通常更容易水解降解，这可能导致不同的老化特征（Perez-Garcia等，2025）。例如，其聚合物骨架中的酯键易受硫化物介导的断裂并随后释放DOC，所产生的浸出液不仅在数量上不同，在DOC化合物性质（包括单体、低聚物以及增塑剂和稳定剂等添加剂）上也可能存在差异（Sun等，2022）。近期有报道指出，在低C/N比条件下，原始可生物降解MPs（如PLA）对反硝化污泥N2O生产的刺激作用比其传统对应物（如PE）更强（He等，2024）。然而，关于不同可生物降解性塑料类别在与污水相关老化方面的知识仍然有限。这些变化是否导致不同的N2O排放模式，以及这些响应如何受耦合的物理化学和群落水平过程调控，仍不清楚。
本研究通过三种塑料类别的代表性MPs（即不可生物降解型、可堆肥型和可生物降解型）进行两步、与污水相关的老化协议（结合硫化与机械磨损）来弥补这一空白。随后，在一个整合的化学–生理–基因组框架内，从浸出液分子特征追踪到N2O排放。这一设计使我们能够确定与污水相关的老化是否导致依赖于塑料类别的N2O排放响应，并识别导致这些差异的化学和微生物驱动因素。我们的发现为老化MPs的环境行为及其对现实污水处理情景下反硝化相关N2O排放的后果提供了新见解。
章节摘要
MPs制备与老化
基于其可生物降解性，选择了在WWTPs中常见的三类MPs（Sun等，2019）。具体而言，PE和对苯二甲酸乙二醇酯（PET）用作代表性不可生物降解微塑料（NMPs），PLA和对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）用作可堆肥微塑料（CMPs），丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚羟基丁酸酯（PHB）用作可生物降解微塑料（BMPs）。可堆肥塑料在特定条件下认证可完全分解
老化引起的MPs物理化学特性变化
硫化-磨损老化显著改变了MPs的物理化学性质。与原始MPs相比，老化MPs表现出明显的裂纹和表面侵蚀，尤其是在可堆肥微塑料（CMPs）和可生物降解微塑料（BMPs）中（图1a）。所有MPs类型的比表面积和中位粒径分别增加至原始值的103.3%–166.0%和103.4%–123.7%（图1b和图S2）。老化还加剧了表面氧化，因为
与污水相关的老化改变了MPs及其浸出液的性质
MPs的环境行为强烈受老化影响，但许多以往研究仍依赖于原始MPs，这无法很好地代表WWTPs中真实的MPs暴露情况（Binda等，2024；Wu等，2022）。在此，采用结合硫化和机械磨损的两步老化协议，模拟MPs在污水管网和一级处理单元中经历的化学侵蚀和物理应力（Liu等，2022；Wu等，2022）。这些老化过程显著
结论
通过模拟三种可生物降解性类别的MPs与污水相关的老化，并将其浸出液化学性质与微生物响应联系起来，本研究证明老化显著主导了MPs影响反硝化相关N2O排放的方式。硫化与机械磨损的结合显著增强了MPs衍生DOC的释放，其中芳香性和潜在添加剂相关的分子特征表现出最显著的富集。而不是作为生物可利用的
CRediT作者贡献声明
越昊：初稿撰写、验证、方法论、调查研究。关晓红：监督、资源提供。沈彦文：审阅与编辑、监督、概念构思、资源提供、经费获取。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
CRediT作者贡献声明
越昊：初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查研究、形式化分析。关晓红：监督、资源提供。申彦文：审阅与编辑、监督、资源提供、经费获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究受国家自然科学基金（项目编号：22278266）资助。
Hao Yue|Xiaohong Guan|Yanwen Shen
