《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Investigating bioremediation of micro- and nanoplastics by a Nordic polyculture isolated from wastewater
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从市政污水中分离获得了一种天然微藻混养体系（polyculture）。将该混养体系暴露于单一及复合的微塑料与纳米塑料（micro- and nanoplastics，MNPs）条件下。研究结果表明，该混养体系对聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（
摘要专业翻译
从市政污水中分离获得了一种天然微藻混养体系（polyculture）。将该混养体系暴露于单一及复合的微塑料与纳米塑料（micro- and nanoplastics，MNPs）条件下。研究结果表明，该混养体系对聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚氯乙烯（PVC）类MNPs仅表现出轻微的应激响应。MNPs与微藻之间的相互作用主要通过生物吸附（biosorption）和异质聚集（hetero-aggregation）实现。北欧微藻混养体系在8天内可从水体中去除90%的MNPs。
论文解读文章
一、研究背景与意义
塑料因其多功能性、耐久性和抗拉强度已成为人类生活不可或缺的组成部分。然而，全球塑料年产量已增至3.59亿吨，预计到2050年将增长三倍，伴随而来的是到2040年塑料废物将惊人地达到7.1亿吨，尤其是在水生系统中。由于塑料的不可生物降解性，它们可在水体中存留数年，其消除是一项严峻的挑战。大型塑料并未被降解，而是碎裂为更小的颗粒，生成微塑料（microplastics，MPs，尺寸小于5 mm）和纳米塑料（nanoplastics，NPs，尺寸小于1 μm），并释放到空气、水和土壤中。NPs的扩散最为令人担忧，因为它们可以穿透生物膜，可能对人类、动物和水生生物造成显著伤害。此外，基于表面化学特性，MNPs可与其他新兴污染物（如全氟和多氟烷基物质PFAS）结合并成为其运输载体，从而传播更高水平的联合毒性。
当前从水体中去除MNPs的策略包括焚烧、回收、膜过滤、浮选、电凝或光催化等物理和化学处理方法，但这些方法的有效性参差不齐，不仅成本高昂，还可能向环境中释放不需要的化学物质和二次污染物。相比之下，MNPs的生物修复（bioremediation）似乎是一种经济有效且可持续的水体MNP污染处理方法。在已报道的生物去除途径中，微藻介导的处理方法因其良好的有效性和可持续潜力而受到广泛关注。然而，利用藻类菌株处理水体中MNPs的研究仍然十分匮乏。
微藻作为水生生态系统的重要组成部分，与MNPs的相互作用不可避免。已有报道多集中于将藻类菌株作为水体塑料毒性的生物标志物或指示物，MNP毒性已在单一微藻菌株中进行分析，最常研究的包括小球藻属（Chlorella）、栅藻属（Scenedesmus）、骨条藻属（Skeletonema）和衣藻属（Chlamydomonas）。MNPs已被报道可造成显著损害，包括抑制光合作用、改变色素组成和膜结构以及诱导氧化应激。然而，微藻也具有固有的防御机制，可促进其生存并减轻外源胁迫因子（如重金属和药物）的影响。在应对新兴污染物诱导的胁迫时，藻类细胞可释放胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS），通过结合污染物形成保护屏障，防止其可能的渗透。生物吸附（biosorption）即污染物与细胞表面的结合，由藻类细胞表面存在的羧基、羟基和氨基官能团促进，实现新兴污染物的静电或疏水结合。
尽管微藻的防御响应在重金属和药物方面已有充分阐明，但针对MNPs的研究尚属空白。已有少数关于利用藻类去除/降解塑料的报道，要么量化了通过藻类生物膜形成对低/高密度聚乙烯（LDPE和HDPE）片材的降解，要么检测了单一聚合物（如聚苯乙烯）的去除，而非多种MPs或MNPs的组合。因此，针对微藻-MNP相互作用、防御响应以及多种或混合MNPs去除效率量化的全面研究仍然缺乏。此外，微藻很少被探索用于NPs的去除。实现显著的生物修复需要鉴定能够代谢耐受MNP暴露、限制其细胞渗透并有效将其从水体中消除的合适藻类菌株。
二、研究内容与主要结论
为填补上述研究空白，本研究将三种最广泛使用的塑料——聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚氯乙烯（PVC）——衍生的MNPs暴露于北欧微藻混养体系。该混养体系分离自瑞典北部以未经处理的市政污水连续供料的开放式跑道池反应器，除绿色微藻栅藻属（Scenedesmus sp.）外，还包含其他绿藻门（Chlorophyta）、硅藻（diatoms）、蓝藻（cyanobacteria），以及污水中存在的真菌和细菌。此前该混养体系已证明对重金属和药物具有高效去除能力，但从未被研究用于MNP去除。
研究详细考察了MNPs对混养体系诱导的胁迫效应，包括生长、光合作用、色素组成、抗氧化系统以及总碳水化合物、脂质和EPS的生化表征。通过电子显微镜和红外光谱阐明了MNPs与微藻的相互作用。最终，通过热裂解-气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）半定量评估了生物修复潜力，旨在建立北欧微藻作为MNP去除的有效生物介质。
三、主要关键技术方法
研究人员从瑞典于默奥能源公司（Ume? Energy）的跑道池中分离获得北欧微藻混养体系（主要含栅藻属Scenedesmus sp.、蓝藻、真菌和细菌），在BG-11培养基中于19±2 °C、24小时光照（100 μmol m-2 s-1光合有效辐射PAR）、100 rpm连续振荡条件下培养。将PS（900 nm）、PMMA（600 nm）纳米塑料和PVC（1-5 μm）微塑料以50和100 ppm单一浓度及三者各25 ppm的混合浓度（Plasticmix）加入培养基中，以OD680=0.2的初始接种密度暴露8天。采用动态光散射（DLS）和Zeta电位表征MNP胶体稳定性；采用漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）表征MNP表面官能团及藻类生物质；采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察MNP-微藻相互作用；采用热裂解-气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）半定量计算MNP去除效率。
四、研究结果
4.1 MNPs的理化表征
在BG-11培养基中，PMMA（661-679 nm）和PVC（1.5-3.5 μm）的平均流体力学尺寸与其标称尺寸相近，而单分散PS颗粒（900 nm）增大至近两倍，形成微米级颗粒（1.5-1.9 μm），对应PDI值大于0.3，表明PS发生同质聚集。培养基中的盐离子可与MNP表面相互作用并压缩其电双层，导致聚集增加。所有MNPs均显示负表面电荷（-27至-32 mV）。FTIR光谱确认了PS的苯环特征峰（698、755、1452、1492、1602 cm-1）、PMMA的甲基和酯基官能团以及PVC的C-Cl键特征。
4.2 MNP暴露对混养体系生长、光合效率及色素组成的影响
通过8天内OD值变化和光合效率（Fv/Fm）监测发现，混养体系对PS、PMMA和PVC的MNP暴露仅表现出轻微应激响应。叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量在MNP暴露后变化不显著，表明该混养体系对MNPs具有良好的代谢耐受性。
4.3 生物量、总碳水化合物和脂质评估
8天后通过冻干称重评估生物量产量，采用苯酚-硫酸法测定总碳水化合物，氯仿-甲醇提取法测定脂质含量。MNP暴露对混养体系的生物量积累和生化组成（碳水化合物和脂质含量，以%干重计）影响有限，进一步证实了其耐受性。
4.4 胞外聚合物（EPS）评估
通过分级提取获得可溶性、松散结合和紧密结合三种EPS组分，并测定其碳水化合物和蛋白质含量。MNP暴露诱导混养体系增加EPS分泌，EPS作为保护性屏障通过结合污染物防止其渗透进入细胞。
4.5 Zeta电位评估
MNP暴露后混养体系的Zeta电位发生变化，同时MNPs在BG-11培养基中经8天微藻相互作用后的流体力学尺寸、PDI和Zeta电位与初始值相比发生改变，证实了MNP-微藻之间的相互作用。
4.6 生物质FTIR表征
冻干生物质的DRIFTS分析揭示了MNP暴露后藻类细胞表面官能团的变化，表明生物吸附机制涉及细胞表面羧基、羟基和氨基官能团与MNPs之间的静电或疏水结合。
4.7 SEM和TEM分析
扫描电子显微镜（SEM）观察显示MNPs附着于藻类细胞表面，形成异质聚集（hetero-aggregation）。透射电子显微镜（TEM）分析进一步确认了MNPs与微藻细胞的物理相互作用模式，MNPs主要被截留在细胞表面而非穿透进入细胞内部。
4.8 脂质过氧化评估
通过硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）测定评估氧化应激导致的脂质过氧化程度。MNP暴露后TBARS含量仅轻微升高，表明混养体系仅经历轻微的氧化应激响应。
4.9 抗氧化酶活性测定
过氧化氢酶（catalase）和抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase）的活性测定用于检测微藻的活性氧（ROS）清除潜力。两种抗氧化酶的活性在MNP暴露后变化不显著，进一步证实该混养体系对MNPs具有良好的应激耐受能力。
4.10 MNP去除效率计算
通过离心和过滤两种方法分离生物质与含游离MNPs的溶液，利用Py-GC-MS半定量分析处理后残留培养基中游离MNPs的比例，并与未处理空白培养基中的MNP浓度进行比较。结果表明，北欧微藻混养体系在8天内可从水体中去除90%的MNPs，展现出优异的生物修复潜力。
五、讨论与结论总结
本研究表明，从市政污水分离的北欧微藻混养体系对PS、PMMA和PVC三类MNPs具有显著的代谢耐受性，仅表现出轻微的应激响应。MNP-微藻相互作用主要通过生物吸附和异质聚集实现，藻类细胞表面官能团介导的静电/疏水结合以及应激诱导的EPS分泌是关键的防御和去除机制。混养体系在8天内实现了90%的MNP去除效率，优于单一藻株的修复性能，这得益于混养体系中微藻、蓝藻、真菌和细菌的协同作用。该研究首次系统评估了北欧微藻混养体系对多种及混合MNPs的去除能力，填补了利用微藻去除NPs的研究空白。一旦在实验室规模建立，此类研究可为处理实际废水中存在的多样化MNPs铺平道路，为未来研究和实际应用提供重要潜力。
