《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Metabolic shifts of microbial communities exposed to high concentrations of tire microplastics: effects on nitrogen cycling and pollutant degradation
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轮胎微塑料在城市径流中含量丰富，并向废水生物群落引入物理和化学压力。在本研究中，研究人员将好氧颗粒污泥(AGS)暴露于高浓度TMPs中，旨在阐明微生物和功能反应背后的机制，并通过呼吸测量法结合基于RNA测序的宏转录组学分析来量化微生物活性。暴露于TMPs并未损
轮胎微塑料在城市径流中含量丰富，并向废水生物群落引入物理和化学压力。在本研究中，研究人员将好氧颗粒污泥(AGS)暴露于高浓度TMPs中，旨在阐明微生物和功能反应背后的机制，并通过呼吸测量法结合基于RNA测序的宏转录组学分析来量化微生物活性。暴露于TMPs并未损害整体废水处理性能。硝化效率从对照反应器中的82.6 ± 3.2%提高到TMP暴露下的96.7 ± 0.5%，而总胞外聚合物物质(EPS)含量下降了40%以上。在进水中加入TMPs后，总摄氧率(OUR)增加了5.5倍，而硝化菌特异OUR在50 mg TMPs/L时上升，但在100-500 mg TMPs/L时下降，尽管硝化基因得到富集，这表明TMPs导致转录与呼吸活动之间发生解偶联。暴露于TMPs使绿弯菌门的丰度从0.5%增加到1.6%，并富集了与异源降解、EPS产生和氮转化相关的属，例如假单胞菌属(1.14–2.33%)、Micavibrio(0.75–2.83%)、聚磷菌属(0.02–1.38%)、动胶菌属(0.09–1.13%)或Candidatus Nitrotoga(0-0.45%)。宏转录组学分析表明，细菌群落经历了显著的代谢重编程，以抵消环境压力、优化能量产生，并转向替代的碳和电子通量策略。TMPs促进了颗粒中的经典硝化和完全硝化。细菌下调了反硝化基因转录，同时上调了参与异源降解功能的基因，这反映了一种优先去除有毒化合物以确保生存的适应机制。结果表明，暴露于TMPs起到了一种选择压力的作用，降低了群落多样性，同时有利于耐压微生物的增殖。本研究的发现为TMPs如何影响工程废水生物反应器中的关键氮循环过程提供了见解。
轮胎微塑料是道路磨损产生的一类特定污染物。由于轮胎制造中使用了各类化学添加剂，TMPs对环境和人类健康的潜在威胁可能大于其他常规微塑料。大量TMPs随径流进入污水处理厂，并在生物处理阶段的污泥中大量累积。功能多样的细菌群落是WWTPs去除有机碳、氮和磷化合物的核心，而AGS因其优良的沉降性能和密集结构，正逐渐取代传统活性污泥系统。尽管此前有研究指出TMPs可在生物质中累积并影响氮转化，但其对AGS影响的潜在分子机制尚不明确。过往研究多局限于个别基因的转录水平分析，缺乏对微生物代谢途径和实际呼吸能力的综合评估。为此，研究人员开展了将AGS暴露于高浓度TMPs的研究，首次将宏转录组学与呼吸测量法相结合，以识别TMPs诱导下微生物上调的具体代谢途径，探究TMPs对微生物群落结构和代谢活动（特别是氮转化途径）的重塑作用，该论文发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为微塑料与微生物组的相互作用及生物废水处理系统的运行提供了深刻的机制见解。
在关键技术方法方面，研究人员使用来自波兰Lubawa污水处理厂的AGS作为接种物，运行了5个颗粒污泥序批式反应器。反应器分别投加0、50、100、250和500 mg/L的TMPs，连续运行168天。通过设置加入烯丙基硫脲(ATU)的对照组，利用ATU抑制氨单加氧酶的特性，测定了异养微生物和自养硝化菌的总摄氧率和特异摄氧率。随后，研究人员采集对照组与最高浓度组(500 mg/L)的生物质，利用基于RNA测序的宏转录组学分析，揭示了群落转录图谱与代谢通路的改变。
在研究结果方面，具体发现如下：
3.1. GSBR performance under exposure to TMPs
研究表明，TMP暴露并未损害整体废水处理性能，但改变了氮转化模式。与对照组相比，TMP暴露反应器的出水铵浓度更低，硝化效率从82.6 ± 3.2%显著提升至96.7 ± 0.5%，并伴随亚硝酸盐的积累。同时，颗粒中总EPS含量显著降低，蛋白质与多糖的比例上升。显微镜观察发现TMP颗粒为微生物附着和生物膜形成提供了额外表面，部分替代了EPS介导的细胞聚合，这解释了EPS产量的下降。蛋白质比例的相对增加反映了微生物在TMP压力下增强自我保护的适应性反应，但也可能削弱了颗粒基质的保护功能。
3.2. Microbial community shifts in AGS under exposure to TMPs
宏转录组学分析显示，TMP暴露降低了群落的Alpha多样性。在门水平上，Pseudomonadota占主导地位，而Chloroflexota丰度增加，这可能与其在厌氧条件下降解合成橡胶前体物质有关。在属水平上，具有降解TMPs及其浸出物能力的菌属丰度显著上升，如Pseudomonas、Micavibrio和Hydrogenophaga等。此外，TMP暴露增加了AGS中AOB（氨氧化细菌，负责将氨氧化为亚硝酸盐）和NOB（亚硝酸盐氧化细菌，负责将亚硝酸盐氧化为硝酸盐）的丰度。Nitrosomonas的富集改变了AOB/NOB平衡，而Candidatus Nitrotoga的出现则表明在TMP压力下硝化群落发生了功能重组。同时，与厌氧释磷和EPS生产相关的Accumulibacter和Zoogloea也显著增加，表明微生物群落发生了协调的结构与功能适应。
3.3. OUR
呼吸测量结果表明，TMP暴露后总OUR增加了2.3至5.5倍，表明TMPs刺激了多种微生物的耗氧活动，这可能归因于异养细菌降解了TMPs吸附或浸出的有机化合物。在50 mg/L浓度下，硝化菌特异OUR近翻倍，但在100-500 mg/L浓度下却出现下降。尽管RNA分析表明硝化基因丰度增加，但硝化菌呼吸活性降低，表明存在TMP相关的转录与呼吸活动解偶联。这可能是由于TMPs阻碍了颗粒内部的氧气扩散通道，加上异养菌与自养硝化菌对氧气的竞争，导致颗粒内部形成缺氧微环境。这种现象表明微生物在受到TMP毒性胁迫时，可能增加了关键酶的转录以补偿受损的代谢功能，但能量多被用于生存而非实际呼吸。
3.4. Metabolic reprogramming of AGS under TMP stress
转录组分析显示，细菌群落经历了显著的代谢重编程。与能量产生和转化相关的转录本减少，而氨基酸、碳水化合物和脂质转运代谢相关的模块增加。此外，与细胞运动、复制和修复相关的功能上调，表明微生物激活了细胞修复机制以应对毒性胁迫。KEGG通路分析表明，异源降解潜力提升了25%，而氮代谢途径的相对丰度从14%骤降至6%。在氮循环方面，TMPs促进了经典硝化和完全硝化，但下调了反硝化、异化硝酸盐还原和厌氧氨氧化等还原性氮过程。例如，编码亚硝酸盐还原酶和氧化亚氮还原酶的转录本丰度显著下降。同时，参与苯甲酸盐降解、甲烷氧化以及应对环境压力的外膜蛋白OmpU等基因转录显著上调。这表明在TMP压力下，微生物倾向于通过单加氧酶途径进行芳香族化合物的解毒，并重新分配代谢资源以优先去除有毒化合物。
在研究结论方面，研究人员总结指出，TMPs重塑了AGS微生物群落，导致EPS产量降低及颗粒结构与保护特性的改变，进而触发了微生物群落的功能与转录适应。在AGS中，TMPs上调了硝化相关基因，提升了硝化效率，但并未相应增加硝化菌特异的呼吸活动。TMP暴露下生物质的整体呼吸活动升高和碳代谢的多样化，指向压力驱动的代谢重编程，这重新分配了能源消耗并改变了碳和电子流。细菌下调了反硝化基因转录，同时获得了异源降解功能，反映了一种优先去除有毒化合物以确保生存的适应机制。暴露于TMPs还提高了与增强抗压性、降低细胞膜通透性和增强生物膜形成能力相关的基因转录比例。这些发现为TMPs影响废水生物反应器关键氮循环过程提供了机制层面的见解。
