氧化还原稳态调控厌氧微生物稳定性：微塑料胁迫下选择性活性氧清除的机制洞察

《Water Research》：Redox homeostasis governs anaerobic microbial stability: Mechanistic insights from selective ROS scavenging under microplastic stress

　　

摘要

氧化还原稳态是厌氧生态系统中微生物功能发挥的基础。尽管微塑料（MPs）会引发氧化应激并导致活性氧（ROS）积累，但氧化应激在微生物功能稳定性中的调控作用及其可逆性仍未明确。本研究采用Cu/Zn-MOF纳米酶进行选择性ROS清除，结合宏基因组学与生化分析，阐明氧化应激如何促成微塑料诱导的厌氧微生物功能失调。电子顺磁共振（EPR）波谱分析表明，PS微塑料暴露促进了消化液中环境持久性自由基的积累（4.26 × 10¹⁴自旋/g），并促进O₂^??的生成，导致ROS持续积累（超过对照组的120%）。这种氧化应激损害了微生物活力，与对照组（CK）相比，累积产甲烷量降低了22.7%。宏基因组分析揭示，PS微塑料降低了关键产甲烷菌（Methanothrix sp. 和 Methanobacterium sp.）的相对丰度，以及铁硫簇组装、抗氧化防御、挥发性脂肪酸转化和产甲烷相关的基因。Cu/Zn-MOF（0.25 mg/g-TS）对ROS的调控在PS微塑料仍存在的情况下缓解了这些代谢限制。低剂量Cu/Zn-MOF与铁硫簇组装相关功能潜能的恢复及产甲烷相关基因的增加相关，使最大产甲烷速率从14.31提升至21.74 mL CH₄/g-VS/d，并增强了以产甲烷菌为核心的微生物网络连通性。这些发现将氧化应激确定为影响厌氧微生物稳定性的可逆调控节点，并突出了靶向氧化还原调控作为增强ROS敏感生物系统韧性的策略。

引言

氧化还原稳态对于微生物生态系统稳定性至关重要，它通过协调代谢相互作用和能量守恒发挥作用（Schieber and Chandel, 2014; Sies et al., 2022）。尽管氧化应激已在好氧系统中得到广泛研究，但其在厌氧微生物生态系统中的作用仍知之甚少（Liu et al., 2025; Lu and Imlay, 2021）。对于厌氧消化（AD）而言，这一点尤为关键，因为其中紧密耦合的微生物相互作用决定了过程稳定性和产甲烷量（Liu et al., 2024a; Subbarao et al., 2023; Zhang et al., 2023）。在食物废弃物（FW）的厌氧消化过程中，微塑料（MPs）可能随残留食品包装和一次性塑料制品进入系统，并在收集和处理过程中进一步产生（Chen et al., 2026; Zhang et al., 2024d）。在常见包装聚合物中，聚苯乙烯（PS）在机械扰动下容易释放微塑料碎片（Du et al., 2020），且PS微塑料已被报道可抑制厌氧消化过程中的产甲烷、改变微生物群落并干扰挥发性脂肪酸（VFAs）的转化（Kang et al., 2025; Wang et al., 2022; Zhang et al., 2026b）。因此，选择PS作为代表性的包装相关微塑料进行研究。重要的是，PS微塑料胁迫下活性氧（ROS）的积累表明，氧化应激可能是将微塑料暴露与微生物功能失调联系起来的桥梁（Duan et al., 2022; Wei et al., 2020; Wei et al., 2019; Wu et al., 2021）。与微塑料暴露相关的环境持久性自由基（EPFRs）可能通过电子转移反应进一步维持ROS的生成（Chen et al., 2023; Liu et al., 2022; Zhang et al., 2024c）。然而，ROS积累究竟是厌氧消化性能下降的主要贡献因素还是仅伴随代谢紊乱出现，目前仍未明确。

ROS包括羟基自由基（?OH）、超氧自由基（O₂^??）、过氧化氢（H₂O₂）和单线态氧（¹O₂）（Sies and Jones, 2020）。在这些ROS种类中，O₂^??对厌氧微生物尤其重要，因为它容易使参与电子传递和能量守恒的含铁硫簇蛋白质失活（He et al., 2026; Luo et al., 2023; Yan et al., 2023; Zhang et al., 2024c）。因此，过量的ROS积累可能损害氧化还原依赖性代谢并干扰微生物功能。然而，微塑料暴露期间的ROS积累往往伴随着微生物活性降低、底物转化受限和群落演替（Wang et al., 2025b; Zhu et al., 2025），使得难以确定氧化应激是功能退化的关键贡献因素还是仅为代谢紊乱的结果。目前，缓解厌氧消化器中微塑料毒性的策略主要依赖运行干预措施，如pH控制、共底物添加以及物理/化学预处理（Li et al., 2023; Mirsoleimani Azizi et al., 2023; Vasmara et al., 2024; Zeng et al., 2022），同时还辅以添加剂，包括导电材料（Mohammad Mirsoleimani Azizi et al., 2023; Wang et al., 2023a; Wang et al., 2025a）和化学絮凝剂（Tang et al., 2022）。尽管这些方法在一定程度上可以改善过程性能，但它们同时改变了多种环境条件，使得难以确定氧化应激的具体贡献。因此，合适的机制性干预措施应能直接调节ROS，同时尽可能减少对整体消化条件的影响。

超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）等内源性抗氧化酶构成了微生物抵抗氧化应激的主要生物防御系统（Sies et al., 2022）。这些系统维持细胞内氧化还原平衡并使微生物能够适应瞬时的氧化波动（Ji et al., 2019）。然而，在长期环境胁迫下，由于其稳定性有限且易受周围条件影响，它们的保护能力可能不足（Zhang et al., 2024a; Zhang et al., 2025a）。因此，需要一种外源性ROS调控方法来直接检验氧化应激在维持微生物功能稳定性中的作用。Cu/Zn-MOF提供了一种相对靶向ROS的干预手段，因为其Cu/Zn催化中心模拟天然Cu/Zn-SOD，可直接催化超氧清除，同时其无机框架提供了比蛋白质酶更高的催化稳定性（Ai et al., 2022; Huang et al., 2024; Huang et al., 2019; Wu et al., 2022; Zandieh and Liu, 2024）。因此，本研究采用Cu/Zn-MOF作为外源性氧化还原调控工具，通过扰动ROS水平来检验其对PS微塑料诱导微生物功能失调的贡献。

本研究探讨了ROS介导的氧化应激是否促成PS微塑料诱导的厌氧消化不稳定性，并评估了基于Cu/Zn的纳米酶选择性清除ROS作为氧化还原调控策略的可行性。具体而言，我们考察了：(i) ROS积累及其与产甲烷和VFAs转化的关系；(ii) PS微塑料暴露下铁硫簇介导的电子传递通路的破坏；(iii) 通过基因组中心宏基因组学分析的微生物群落重组和代谢响应；以及(iv) 纳米酶添加后氧化还原稳态和共生相互作用的保持情况。本研究探讨了选择性氧化还原调控在缓解微塑料诱导氧化应激和提高厌氧微生物系统韧性方面的潜力。

章节片段

底物、微塑料和Cu/Zn-MOF纳米酶的来源

为确保成分一致，FW底物根据前人研究（Fang et al., 2024）在实验室制备，确保均质化前初始微塑料含量最低。接种料来自有机固体废物处理厂获得的脱水消化液（中国，31.28°N，121.72°E，处理能力1000吨/天）。有关材料和样本的更多信息详见补充材料（表S1和S2）。粒径为1 μm的PS微塑料

Cu/Zn-MOF纳米酶缓解了PS微塑料诱导的产甲烷抑制

首先通过生物气生产和动力学模型评估了PS微塑料和Cu/Zn-MOF对厌氧消化的影响。如图1a所示，对照组（CK）的累积产甲烷量达到约343.68 ± 9.0 mL/g-VS。加入PS微塑料（300 mg/g-TS）后，产甲烷量明显下降，约为265.78 ± 6.5 mL/g-VS。每日产甲烷量曲线（图1b）也表明，PS组的峰值产甲烷时间延迟且峰值降低

结论

氧化还原稳态和高效的电子传递对于维持厌氧生物系统至关重要。氧化应激越来越被认为是环境扰动下厌氧微生物群落韧性的重要限制因素。本研究表明，PS微塑料暴露诱导了持续性的ROS积累，伴随细胞内氧化还原平衡破坏、产甲烷性能降低以及以产甲烷菌为核心的微生物网络连通性减弱。EPR

缩略语

AD，厌氧消化；PS，聚苯乙烯；VFAs，挥发性脂肪酸；MPs，微塑料；ROS，活性氧；?OH，羟基自由基；O₂^??，超氧自由基；H₂O₂，过氧化氢；¹O₂，单线态氧；EPFRs，环境持久性自由基；SOD，超氧化物歧化酶；CAT，过氧化氢酶；GP_x，谷胱甘肽过氧化物酶；LDH，乳酸脱氢酶；Cyt-C，细胞色素c；FW，食物废弃物；TS，总固体；VS，挥发性固体；SCOD，溶解性化学需氧量；SPS，溶解性

CRediT作者贡献声明

Wenyue Wang：调查、验证、数据整理、可视化、撰写初稿。Zhenyang Wang：数据整理。Linjie Zhang：调查、数据整理。Zhipeng Zheng：数据整理。Yinglong Su：监督、撰写-审阅与编辑。Min Zhan：监督、撰写-审阅与编辑。Bing Xie：概念构思、方法论、撰写-审阅与编辑。

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利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所述工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委员会基础科学研究中心（22276059和22676067）以及上海市科学技术委员会"科技创新行动计划"国际科技合作计划（24230712100）的资助。

Wenyue Wang|Zhenyang Wang|Linjie Zhang|Zhipeng Zheng|Yinglong Su|Min Zhan|Bing Xie

华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200241，中国；有机固体废物生物转化上海工程研究中心