《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Molecular insights into microplastics facilitating organic matter transformation during thermal hydrolysis of sludge
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摘要在污泥热水解过程中，微塑料的老化/降解可能会干扰有机物的反应路径，但其具体机制尚不清楚。本研究探讨了聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯在不同温度下对有机物转化的影响及其相关分子机制。研究发现，微塑料会改变有机物的分布，促进链断裂，并引发蛋白质结构变化。这些变化使得微塑料能够提升清洁
摘要
在污泥热水解过程中，微塑料的老化/降解可能会干扰有机物的反应路径，但其具体机制尚不清楚。本研究探讨了聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯在不同温度下对有机物转化的影响及其相关分子机制。研究发现，微塑料会改变有机物的分布，促进链断裂，并引发蛋白质结构变化。这些变化使得微塑料能够提升清洁能源气体的生成量（在180℃时，氢气产量增加2.45–3.07倍，甲烷产量增加1.67–2.33倍，均为污泥最大产量的水平），同时减少挥发性硫化物的种类。污泥产生的活性物质可能会作用于微塑料，加速其老化。在分子层面，聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯通过疏水作用、氢键、盐桥以及π-阳离子相互作用与蛋白质结合，这些结合降低了蛋白质的稳定性，增强了反应活性，并促进了相互转化（即蛋白质解离）。总之，污泥中的微塑料可进一步推动污泥分解和有机物转化。
引言
作为污水处理的副产品，污泥通过絮凝和沉淀作用能捕获95%以上的微塑料[1]、[2]。不同地区的污泥中微塑料浓度差异较大，范围为1.60×103到62.37×103颗粒/千克干污泥[3]、[4]、[5]。污泥中的主要微塑料类型包括聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯和聚酰胺[3]。传统的污泥处理工艺无法有效去除或转化微塑料，这可能导致它们重新进入生态环境，对生态系统和人类健康构成严重威胁[6]、[7]、[8]。
在污泥处理过程中去除微塑料，可显著降低微塑料向环境中的排放。在厌氧消化或堆肥过程中，微塑料虽然会发生物理和化学结构变化，如断裂以及含氧官能团的生成，但并未发生显著降解[9]、[10]、[11]。然而，由于污泥热水解过程具有较高的温度和压力，因此被认为是一种能够有效使污泥中的微塑料老化和降解的工艺[12]、[13]。
污泥热水解是一种广泛应用的预处理工艺，它能破坏污泥絮体及微生物细胞，将大分子有机物水解为小分子（如氨基酸、单糖），从而提高后续厌氧消化中生物量的利用效率[14]、[15]。经过实际污泥热水解处理后，污泥中的微塑料浓度从59.5个/克干污泥降至38.5个/克干污泥[5]。该工艺显著改变了微塑料的理化性质，还在一定程度上促使聚合物长链发生分解[5]。更有趣的是，在污泥热水解过程中，污泥中的有机物更有利于微塑料的降解[13]，但其具体原因尚不明确。因此，除了温度因素外，我们推测在污泥热水解过程中，微塑料与污泥之间存在某种相互作用，促使微塑料老化。同时，这类相互作用对污泥转化的潜在影响也值得研究。目前仅有少数研究表明，污泥热水解后微塑料可能会提高污泥蛋白溶液的pH值和电导率[13]，而且关于微塑料在污泥热水解过程中对污泥有机物影响的报道也较少。
蛋白质是污泥中结构复杂的主要大分子有机物，对污泥的聚集和稳定性起着关键作用[16]、[17]。在污泥热水解过程中的污泥分解过程中，随着污泥结构的破坏，被困在污泥中的微塑料不可避免地会与蛋白质发生相互作用。这些相互作用的底层分子机制，包括结合亲和力、主要作用力以及结构兼容性，目前仍不甚清楚。这一认知空白限制了人们对微塑料如何介导污泥有机物转化的深入理解。分子对接和密度泛函理论计算是解析此类分子相互作用的有效工具[18]、[19]。在污泥热水解过程中，污泥蛋白质与微塑料之间的协同作用，将对污泥系统中有机物的转化路径及其进一步利用起到决定性作用。
因此，本研究选择了在污泥中普遍存在的聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯，与实际脱水污泥进行相互作用分析。本研究的目标是：（1）全面研究微塑料对污泥热水解过程中污泥有机物多相产物的影响；（2）分析微塑料与污泥有机物之间的分子级相互作用；（3）明确微塑料影响污泥有机物转化的机制。
章节节选
污泥与微塑料的来源
本实验所使用的脱水污泥取自中国北京的某污泥处理中心，其总固体含量和挥发性固体含量分别为115–140克/升和85–107克/升。溶解性化学需氧量为933毫克/升，含水量为86%。向污泥中加入蒸馏水，将其总固体含量调整至约100克/升。稀释后的污泥被储存在4℃环境下，以备后续实验使用。本研究还购买了粒径为500微米的聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。
微塑料对污泥热水解过程中气体生成的影响分析
图1展示了不同温度下污泥热水解过程的气体生成情况。在所有组别中，二氧化碳的生成量在160℃时达到峰值。此外，在这一温度下，添加聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯后，二氧化碳的生成量比仅添加废水处理的组别高出1.40–1.51倍，这说明微塑料能够促进二氧化碳的生成。然而，在180℃时，二氧化碳的生成量出现大幅下降，添加聚乙烯与仅添加废水处理的组别之间以及添加聚对苯二甲酸乙二醇酯与仅添加废水处理的组别之间的差异很小（见图1(a)），这表明这种急剧下降主要是由
结论
本研究全面分析了微塑料对污泥热水解过程中污泥有机物多相产物的影响及其对应的分子机制。在存在聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯的情况下，有机物生成的氢气和甲烷量分别增加了2.45–3.07倍和1.67–2.33倍，而挥发性硫化物的种类则有所减少。聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯不仅促进了污泥有机物的转化，还引发了蛋白质结构的变化。蛋白质是对微塑料影响反应最主要的物质。微塑料会
作者贡献说明
杨青：项目管理、资金筹集。魏磊：验证、研究、正式分析。王亚欣：监督、资源协调、项目管理。韩伟鹏：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、数据可视化、方法设计、数据整理。刘秀红：写作——审稿与编辑、数据可视化、数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52170017）的支持。
Weipeng Han|Xiuhong Liu|Lei Wei|Yaxin Wang|Qing Yang
北京工业大学水质科学与水环境修复工程重点实验室，中国北京100124
