磺胺甲恶唑意外缓解微塑料诱导的硝化抑制作用：聚合物老化与微生物代谢转变的关键角色

《Journal of Hazardous Materials》：Unexpected mitigation of microplastic-induced nitrification inhibition by sulfamethoxazole: The pivotal roles of polymer aging and microbial metabolic shifts

　　**摘要**微塑料（MPs）和抗生素是废水中普遍存在的新型共污染物，然而微塑料老化如何调节其对生物硝化作用的联合毒性仍不明确，这限制了微塑料在生物处理系统中风险的准确评估。本研究利用宏基因组测序，系统比较了原始和老化聚氯乙烯（PVC）及聚乳酸（PLA）微塑料与磺胺甲恶唑（SMX）共存在连续流生物反应器中对硝化作用的单独及联合效应。结果表明，老化对不同聚合物产生截然不同的影响：老化加剧了PVC引起的硝化抑制，硝化速率从9.55降至6.91 mg N/g-SS·h，抑制率从16.4%上升至39.5%；而老化减轻了PLA引起的抑制，从7.0%降至1.2%。这种差异由老化所改变的表面性质以及不同聚合物溶解性有机碳释放的差异所驱动。出乎意料的是，与50 μg/L SMX的联合暴露缓解了微塑料引起的硝化抑制，通过将优势硝化菌*Nitrospira*替换为*Nitrosomonas*重塑了微生物群落结构，并调节了编码氨单加氧酶的功能基因丰度，从而重构了氮代谢网络。这些发现表明，微塑料的老化状态和聚合物类型是硝化毒性的关键调控因素，低浓度抗生素共污染可通过微生物群落和代谢重编程来减轻抑制作用，推进了对生物废水处理中微塑料生态毒性的机制性理解。**引言**好氧硝化是生物污水处理中关键的微生物转化过程，其转化效率直接决定了污水处理厂（STPs）出水氮排放的达标情况，并保障了水生生态安全[1]。微塑料（MPs，< 5 mm）、抗生素和持久性有机污染物等新型污染物的广泛检出，在市政废水中普遍存在，对传统生物处理工艺构成了重大挑战[2]、[3]、[4]、[5]。这些污染物在复杂废水基质中的共存不仅威胁硝化微生物的活性和群落稳定性[6]、[7]，还通过出水排放推动抗生素耐药基因（ARGs）等环境风险在整个生态系统中的传播[8]、[9]。因此，阐明共存新型污染物对硝化系统施加的胁迫机制已成为确保生物处理过程稳定运行、降低相关生态风险的关键研究优先事项[10]、[11]。污水处理厂是微塑料和抗生素等新型污染物的重要来源和汇[4]、[12]。预处理过程仅能去除35–59%的微塑料，大量微塑料进入下游生物处理单元[13]。研究表明，高浓度的聚乳酸（PLA）显著抑制氨氧化[14]，而聚氯乙烯（PVC）等传统微塑料释放的增塑剂对硝化细菌产生直接毒性效应[8]、[15]。同样，四环素和磺胺甲恶唑（SMX）等常见抗生素通过破坏细胞代谢直接抑制硝化菌生长[16]、[17]。然而，现有大多数研究聚焦于单一污染物的影响，未能反映实际全规模污水处理厂中复杂的多污染物共存情景。关键在于，微塑料在进入污水处理厂之前，已在市政排水管网和受纳自然水体中经历由水力剪切、紫外线辐射和微生物降解等多种过程驱动的老化[18]、[19]。老化显著改变了微塑料的物理化学性质，增加了表面粗糙度，诱导裂纹形成，减小了粒径，并促进了有毒添加剂的释放，从而改变了其环境行为和生物效应[20]、[21]。特别是PLA等可生物降解微塑料更容易降解，释放的溶解性有机碳（DOC）可作为硝化污泥中异养微生物的额外碳源[22]、[23]。相比之下，PVC等传统微塑料化学性质稳定，但含有大量有毒增塑剂（如邻苯二甲酸酯类，PAEs），这些物质可在老化过程中释放[24]。这些不同的老化行为可能导致微塑料对硝化作用的抑制机制存在根本性差异，但对此差异的系统性对比研究仍然匮乏。在真实环境中，生活 sewage 是多种污染物的复杂混合物。由于具有高吸附亲和力，微塑料可作为抗生素等有机污染物的载体，增强这些污染物的迁移性和毒性，并改变污水处理厂中微生物群落结构和代谢功能[25]、[26]、[27]。微塑料老化可进一步放大这种载体效应，导致对功能微生物的更大抑制[15]、[28]。这种联合胁迫可能在生物处理系统中产生复杂的相互作用（协同、加性或拮抗），其产生的生态影响远非单一污染物的简单累加效应[29]、[30]。近期宏基因组分析技术的进展使研究者能够在多污染物条件下高分辨率地解析微生物群落结构和功能基因表达[23]、[31]、[32]。然而，系统整合微塑料老化、微塑料类型（传统vs.可生物降解）以及抗生素共污染对硝化系统影响的研究仍然迫切。本研究纳入了微塑料老化这一关键因素，研究了环境相关浓度下老化PVC微塑料和PLA微塑料单独以及与SMX联合对硝化生物反应器性能的影响。本研究的主要目标为：(1) 考察老化PVC微塑料和PLA微塑料的物理化学变化和浸出行为在SMX共污染条件下对硝化功能的影响；(2) 利用宏基因组分析解析联合胁迫对硝化污泥微生物群落结构的影响；(3) 探索共污染对硝化相关功能基因和酶活性影响背后的微生物机制。本研究为评估新型共污染的环境风险以及优化生物污水处理工艺以减轻多污染物胁迫影响提供了基础性理论依据。**微塑料与化学品**直径平均为150 μm的PVC微塑料和PLA微塑料购自东莞市樟木头塑胶城（中国东莞）。实验使用前，微塑料经超声波清洗去除聚合物表面附着的残余细颗粒。清洗后的微塑料经冷冻干燥并存放于密封干燥器中备用。本研究的目标抗生素磺胺甲恶唑（SMX）购自上海新诺威化学科技有限公司（中国上海）。配制50 mg/L SMX储备液……**老化微塑料在河流水系中的形态和化学改变**经过长期河流侵蚀作用后，老化微塑料表面出现了大量裂纹（图1A）。这些形态和物理化学变化在老化PLA微塑料中最为显著，其水接触角和平均粒径分别降低了19.4°和15.2 μm。这些变化可能由水力冲刷的物理扰动与表面定殖微生物的酶解作用共同驱动[38]、[39]。**结论**生物老化从根本上改变了微塑料对硝化过程的影响。值得注意的是，老化对PVC和PLA微塑料处理组产生的硝化抑制效应存在差异。对于PVC微塑料，老化促进了有毒邻苯二甲酸酯类的释放，导致硝化抑制更为严重，硝化速率从9.55降至6.91 mg N/g-SS·h。对于PLA微塑料，老化减少了溶解性有机碳的释放，减轻了异养微生物对氮资源的竞争，并……**CRediT作者贡献声明****高品：** 写作–审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取、概念构思。**张玉成：** 方法论、数据整理。**袁培坤：** 写作–初稿撰写、验证、调查、形式分析。**孔湘海：** 资源、数据整理。**程金平：** 写作–审阅与编辑、监督。**李旭华：** 数据整理。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的经济利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。**致谢**本研究受中央高校基本科研业务费、东华大学研究生创新基金（CUSF-DH-D-2024031）、广西科技重大专项（AA23073009）资助，并部分由香港特别行政区研究资助局早期职业学者计划（28300024）资助。**重要性声明**微塑料（MPs）和抗生素在废水中经常共存，但关于自然老化对……影响的研究报告……袁培坤 | 张玉成 | 程金平 | 孔湘海 | 李旭华 | 高品东华大学环境科学与工程学院，中国上海 201620