《Journal of Water Process Engineering》：Thermal alkali pretreatment combined with magnetite to alleviate polystyrene microplastics inhibition and restrict TRGs propagation in anaerobic sludge digestion system
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本研究探究了热碱预处理与磁铁矿添加对含PS微塑料厌氧污泥消化过程中甲烷生成及TRGs抑制的协同效应，结果表明预处理可减少有机质累积并缓解抑制，磁铁矿进一步促进甲烷生成并降低TRGs丰度，同时改变微生物群落结构及微塑料降解特性。
作者：刁健、李向军、刘改杰、冯天振、李向坤
海南大学环境科学与工程学院，中国海南，570228
摘要
四环素抗性基因（TRGs）是抗生素抗性基因传播的关键媒介，其在废水处理系统中的增殖对环境和公共健康构成潜在风险。本研究探讨了热碱预处理和添加磁铁矿对厌氧污泥消化的影响，同时研究了系统中存在聚苯乙烯（PS）微塑料时对TRGs的抑制作用。结果表明，PS微塑料显著降低了甲烷产量（最多降低了57.41%），并将总固体（TS）含量提高了1.61倍。污泥-PS混合物的热碱预处理减轻了难降解有机物的积累并缓解了沼气的抑制作用，而添加磁铁矿后甲烷产量恢复到原始水平的1.33倍，并降低了大多数TRGs的绝对丰度，改变了intI1和intI2的相对丰度。微生物群落分析显示，这种联合策略增加了Methanothrix和Methanomassiliicoccus的相对丰度，从而提高了气体产量并抑制了TRGs。傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜证实热碱预处理促进了PS微塑料的老化和降解，而添加磁铁矿进一步增强了这些效果。
引言
微塑料作为一种新兴的全球污染物，由于其体积小、难以降解和易于迁移的特性，在各种环境介质中广泛存在[1]。污水处理厂（WWTP）是微塑料的重要聚集源，废水中的微塑料最终会大量积累在活性污泥（WAS）中[2]。其中，如聚苯乙烯等微塑料对污泥的厌氧消化系统具有显著的抑制作用[3]。其影响机制是多方面的：微塑料颗粒可通过物理作用吸附在污泥絮体上，形成阻碍底物与微生物有效接触的屏障，从而影响水解效率[4]；同时，微塑料中含有的增塑剂和抗氧化剂等化学物质在消化过程中持续释放，会直接抑制微生物活性[5]。更复杂的是，微塑料的疏水表面可以作为载体，富集重金属和多环芳烃等共污染物，产生协同毒性效应，共同损害产甲烷古菌等关键微生物的代谢功能，最终导致系统酸化甚至失效[6]。
污泥不仅是微塑料的富集场所，也是抗生素及其抗性基因的重要储存库[7]。残留的抗生素在厌氧环境中对微生物群落施加选择压力，促进抗生素抗性基因的增殖和传播，对污泥处理带来环境和健康风险[8]。近年来，微塑料作为抗生素抗性基因（ARGs）载体的作用受到了越来越多的关注[9]。微塑料的持久表面为环境中细菌提供了独特的附着位点，促进了生物膜的形成，为不同细菌物种（包括病原体）之间的水平基因转移创造了有利条件[10]。值得注意的是，经过预处理（如紫外线老化或与污泥共处理以扩大处理能力）后，其表面变得粗糙，产生了更多的裂纹和功能基团[11]。尽管研究表明这些预处理方法可能减轻微塑料对污泥厌氧消化性能的影响，但它们也可能增强微塑料吸附抗生素的能力并富集微生物，从而为ARGs的交换提供更有利的微环境，增加其在厌氧消化系统中的扩散风险[12]。
为了减轻这些综合抑制效应并控制ARGs的增殖风险，人们探索了多种增强策略。热碱预处理和添加磁铁矿等导电材料已被证明是缓解上述抑制因素和提高厌氧消化效率的有效方法[13]。热碱预处理对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）有显著影响，可导致其水解并降低质量，但对聚酰胺66（PA66）等某些微塑料的化学变化非常有限[14]。磁铁矿作为一种天然导电氧化铁矿物，在厌氧消化系统中可作为电子介质，显著增强挥发性脂肪酸氧化菌与产甲烷古菌之间的直接电子转移，从而加速有机物的降解和甲烷的产生[15]。此外，磁铁矿可为微生物提供可利用的铁，可能促进关键产甲烷酶的活性[16]。同时，由于磁铁矿能提高厌氧污泥消化系统的消化能力[17]，因此探索其与热碱预处理的联合使用是否能够进一步减轻微塑料对系统的损害及其对抗生素抗性基因的影响具有重要意义。
尽管先前的研究分别报道了热碱预处理或磁铁矿等导电材料对厌氧消化性能的积极影响，但它们在减轻微塑料抑制和抗生素抗性基因增殖双重压力方面的联合应用仍不甚明了。特别是这种联合策略如何影响微塑料的物理化学性质、关键微生物群的代谢活性以及四环素抗性基因在厌氧污泥系统中的水平转移潜力，目前尚未得到系统阐释。因此，本研究旨在探讨热碱预处理和添加磁铁矿对聚苯乙烯微塑料胁迫下污泥厌氧消化的协同效应，重点关注甲烷回收、四环素抗性基因动态以及背后的微生物学和物理化学机制。研究结果有望为开发综合策略提供理论基础，以提高污泥处理效率，同时控制与微塑料和抗生素抗性基因相关的环境风险。
实验部分
活性污泥（WAS）和微塑料（MPs）的来源
本实验使用的污泥取自中国天津市北辰区一家污水处理厂的二次污泥沉淀池。污泥通过65目筛网过滤后，以2.5:1的比例与好氧污泥混合进行培养。每天对污泥的进出水量进行测量。污泥中四环素浓度的背景值为10 mg/L。初始培养阶段的污泥详细信息见甲烷产量、总固体（TS）、挥发性固体（VS）和可溶性COD的变化
研究以添加PS微塑料前的最后一次数据测量值作为A阶段的基准，然后将B阶段和C阶段的数据平均值绘制在图1中。如图1所示，在B阶段，由于添加了PS，反应器1和2的甲烷产量均显著下降；尤其是在反应器1中，日均甲烷产量从24.09 mlCH4/g VS?d降至10.26 mlCH4/g VS?d，TS值从39.59 g/L升高结论
通过对未经处理或经过预处理的含PS微塑料的厌氧污泥消化系统进行比较分析，得出以下结论：(1) PS微塑料显著抑制了污泥中有机物向sCOD的转化并阻碍了甲烷的产生，而热碱预处理可以缓解甲烷产生的抑制作用；(2) 添加磁铁矿可通过富集产甲烷微生物进一步增加甲烷产量。
作者贡献声明
刁健：撰写初稿、数据分析、概念构建。李向军：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构建。刘改杰：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构建。冯天振：撰写、审稿与编辑、资源协调。李向坤：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52370071）和河北省自然科学基金（项目编号：E2021202103和B2023202037）的支持。
