细胞外聚合物介导的应激响应机制：好氧颗粒污泥在微塑料/纳米塑料与铜离子共同作用下的功能响应

《Environmental Pollution》：Extracellular polymers mediated stress response mechanisms: Functional responses of aerobic granular sludge under combined microplastic/nanoplastic and copper ion stress

　　

摘要

微塑料和纳米塑料与重金属的共存可能会影响好氧颗粒污泥（AGS）的结构和处理性能。本研究比较了在聚苯乙烯微塑料（Ps-MPs）和纳米塑料（Ps-NPs）以及Cu²⁺共同作用下，AGS的运行性能、胞外聚合物物质（EPS）的特性和转录反应。所有反应器中的化学需氧量（COD）去除率均保持在90%以上。到第二阶段结束时，Ps-MPs + Cu²⁺组和Ps-NPs + Cu²⁺组的氨氮去除率分别降至78.95%和75.46%；前者通过增强的反硝化作用实现了72.14%的总氮去除率，而后者在高浓度下显著抑制了反硝化作用。Ps-NPs与EPS之间的结合常数为4.57 × 10² L/mol，使该系统达到了最高的Cu²⁺去除效率（79.27%）。Ps-MPs + Cu²⁺组和Ps-NPs + Cu²⁺组反应结束时的EPS含量分别为159.97 mg/g VSS和145.31 mg/g VSS，PN/PS比值分别降至2.43和1.49。Ps-MPs + Cu²⁺可以减轻Cu²⁺对AGS聚集的不利影响，而Ps-NPs + Cu²⁺则会削弱颗粒的稳定性。

转录组分析进一步阐明了分子层面的应激响应机制，确认AGS通过协同上调与氮代谢相关的基因来补偿受损的生化途径，并调节EPS合成基因的表达，从而增强生物膜的物理屏障功能。本研究揭示了由微塑料粒径不同所介导的EPS响应差异，为提高AGS系统对多种污染物联合污染的抵抗力提供了理论基础。

引言

微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）是全球关注的新兴污染物，由于它们的广泛分布和生态毒性而受到广泛关注。在污水处理厂（WWTPs）中检测到它们的持续释放，并已被证明会对生物处理过程产生负面影响（Carnevale Miino等，2024；Matthews等，2021；Hanif等，2022）。

重金属Cu²⁺是废水中的常见污染物，其浓度从几十毫克/升到几百毫克/升不等，会导致水体产生异味和浑浊（Zhang等，2024）。即使浓度仅为0.1–0.2 mg/L，Cu²⁺也对鱼类具有致命性（Cui等，2024）。尽管Cu²⁺是微生物生长所需的必需微量元素，但高浓度仍可能具有毒性并抑制生物废水处理系统。

好氧颗粒污泥（AGS）在废水处理（WWT）中具有显著优势，因为其具有较高的生物量、较强的负荷波动抗性以及出色的氮和磷去除能力（Liu等，2024）。AGS通过调节功能微生物群落并分泌保护性胞外聚合物（EPS）来应对环境压力。EPS中的蛋白质（PN）增强了细胞表面的疏水性，而长链多糖通过桥接和结合作用促进微生物聚集，共同维持颗粒结构（Deng等，2016）。研究表明，聚乙烯微塑料可以刺激EPS的分泌，增加多糖（PS）成分，从而提高缓冲能力（Zhang等，2013；Zheng等，2014）。Jachimowicz等人（2022）发现，在1、10和50 mg/L的聚乙烯微塑料暴露条件下，虽然微塑料并没有显著降低生物处理效率，但它们促进了EPS和藻酸的生成，改变了颗粒形态，并影响了污泥的沉降性能。这表明EPS的增加并不一定意味着颗粒稳定性的提高；其效果还取决于蛋白质和多糖等成分的比例，以及它们对表面电荷和疏水性的影响。EPS的三维网络结构富含活性位点，为重金属和有机污染物提供了重要的吸附和络合界面（Sp?th等，1998）。

EPS对污染物具有高亲和力，在复杂污染中起着关键作用。重金属离子可以吸附在MPs/NPs的表面，导致复杂的环境效应（Liu等，2022）。EPS富含氨基、羧基和羟基等结合位点，可以介导MPs/NPs与重金属之间的相互作用（Alvim等，2023）。先前的研究表明，聚四氟乙烯纳米塑料可以同时吸附Cu²⁺和环丙沙星，减少EPS的蛋白质含量及其结合功能团的能力，并增强这两种物质对硝化和反硝化活动及相关微生物的联合抑制作用（Yang等，2022）。相比之下，Meng等人（2025）发现，Ps-NPs和Cu²⁺的共同作用显著促进了好氧反硝化细菌的EPS分泌，在一定程度上缓解了Cu²⁺对反硝化过程的抑制作用。然而，MPs/NPs、重金属和EPS之间的相互作用机制仍然不清楚，关于EPS结合不同粒径塑料的重金属能力的系统研究仍缺乏。

本研究重点关注EPS，并从三个方面探讨了AGS在Ps-MPs/Ps-NPs和Cu²⁺共同作用下的应激抵抗机制：反应器性能、EPS表征和转录组学。具体包括：(a)联合应力对AGS反应器性能的影响；(b)EPS的响应特征；(c)转录组分析。本研究旨在阐明EPS在Ps-MPs/Ps-NPs和Cu²⁺共同污染下的关键调节作用及其介导的应激抵抗机制，从而为提高废水处理系统对微塑料/纳米塑料和重金属联合污染的抵抗力提供理论基础。

章节摘录

实验材料

聚苯乙烯微塑料（Ps-MPs，50 μm）和聚苯乙烯纳米塑料（Ps-NPs，400 nm）均购自东莞张穆头的 Suzhan Plastics。根据污水处理厂中微塑料和纳米塑料的浓度分别为26.23 μg/L和11.28 μg/L（Xu等，2023；Okoffo等，2023；Wang等，2021a，2024），我们采用了0.1、1和10 mg/L的分层暴露设计：0.1 mg/L代表接近环境上限的低剂量条件，而1和10 mg/L则代表较高剂量条件

AGS形态

高浓度的Cu²⁺导致R2组中的AGS颗粒大小减小（图1b），而立体显微镜图像显示纤维结构增加（图S1）（Wang等，2010）。R3组的平均颗粒大小始终高于R1组（图1c），表明Ps-MPs通过提供附着界面、促进EPS分泌（Zhou等，2022）和吸附Cu²⁺来减轻金属毒性。Wang等人（2022）发现，单一NPs的暴露会破坏污泥...

结论

本研究系统研究了Ps-MPs/Ps-NPs和Cu²⁺共同存在对AGS的影响，得出以下结论：

Ps-MPs部分减轻了Cu²⁺对AGS颗粒大小、生物量、沉降和表面性质（Zeta电位和疏水性）的抑制作用，保持了较高的总氮去除率（72.14%）；而Ps-NPs则加剧了毒性作用，并显著抑制了反硝化作用。

(2)

这两种类型的微塑料都促进了EPS的分泌；然而，在...

CRediT作者贡献声明

廖丽娜：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理。巩炳 rou：方法学，研究。甘玉爽：撰写——审阅与编辑。杨元龙：撰写——审阅与编辑。况志豪：撰写——审阅与编辑。方芳：撰写——审阅与编辑。刘志平：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了
国家自然科学基金（52470027）和
重庆市技术创新与应用发展专项项目（重点项目 CSTB2025TIAD-KPX0039）的支持。

廖丽娜|巩炳 rou|甘玉爽|杨元龙|况志豪|方芳|刘志平

重庆大学环境与生态学院，重庆，400045，中国