探究聚苯乙烯（PS）和聚乳酸（PLA）微塑料对好氧颗粒污泥系统中废水处理性能及微生物机制的长期影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Investigating the long-term impacts of PS and PLA microplastics on wastewater treatment performance and microbial mechanisms in aerobic granular sludge system

　　**摘要**本研究系统调查了两种典型微塑料——不可生物降解的聚苯乙烯（PS）和可生物降解的聚乳酸（PLA）——对好氧颗粒污泥（AGS）反应器运行效率及污泥特性的长期影响机制。结果表明，低浓度微塑料均能促进污泥颗粒化。然而，高浓度PS和PLA暴露导致AGS平均粒径减小，总氮（TN）去除率分别降低约10%和7%。进一步分析发现，PS和PLA均促进了胞外聚合物（EPS）总量的增加，但其蛋白质（PN）和多糖（PSa）含量呈现差异性变化。通过测量氧化应激指标，证实PS对AGS代谢活性的抑制作用强于PLA。宏基因组分析显示，暴露于这两种微塑料显著增加了AGS微生物群落的丰度和多样性，硝化和反硝化功能基因丰度上调。与细胞壁/膜/荚膜生物合成相关的直系同源群（COGs）丰度降低，证实微塑料会损害AGS细胞膜。同时，与转录调控、无机离子转运和碳水化合物代谢相关的COGs丰度同步下降，可能是系统反硝化能力下降的重要原因。综合各项指标评估，不可生物降解的PS对AGS系统稳定性的负面影响比可生物降解的PLA更为显著。**引言**可生物降解塑料因其可被微生物降解、环境滞留时间短和生态足迹小等优点，越来越多地被用作食品包装、农用薄膜（Kasirajan和Ngouajio，2012）和生物医学行业（Jiang等，2025）中的环保替代品。与不可生物降解塑料相比，可生物降解塑料更容易通过非生物过程（如氧化（Bule Mozar等，2023）、光降解（J. He等，2023）和风化（Shen等，2023））碎裂成微塑料（MPs）甚至纳米塑料（NPs）（Fan等，2022）。这对环境构成了一定危害，可能隐藏未披露的风险（Mustapha等，2024）。Wei等（2022）报告称，可生物降解的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）产生约11.0%的微塑料（MPs），显著高于聚乙烯（PE）。近期证据表明，可生物降解农膜的农药吸附能力是聚乙烯的3至9倍（Cordoba等，2025）。好氧颗粒污泥（AGS）具有结构紧凑（Dahalan等，2015）、生物质密度高（Purba等，2020）、沉降性能优异（Hamza等，2019）、功能微生物群落多样（Chen等，2020）以及对冲击负荷耐受性强（Alves等，2025）等特点，在废水处理中具有良好的应用前景。然而，微塑料的引入给AGS工艺的应用带来了显著不确定性（Cavazzoli等，2026）。也有研究发现，PS纳米塑料严重抑制反硝化作用（B. Zhang等，2023）。0.1 mm PE颗粒也会通过破坏硝化作用降低AGS反应器的脱污能力（Zheng等，2022）。相反，Xiong等（2023）表明，1–10 mg/L的聚丙烯腈微塑料对颗粒稳定性和污染物去除无显著影响。值得注意的是，Song等（2022）成功利用可生物降解的聚乳酸（PLA）增强了AGS的稳定性。由于可生物降解和不可生物降解塑料在城市废水处理系统中广泛存在，它们对AGS系统构成的风险——包括其积累效应和所表现出的差异——仍属未知。目前，研究人员主要关注传统不可生物降解微塑料对环境和废水处理系统的影响（Wu等，2021），而针对可生物降解微塑料对AGS系统长期影响的研究较少。此外，关于传统不可生物降解微塑料对AGS系统影响的研究结果不能完全适用于可生物降解微塑料。因此，本研究对两种代表性微塑料（MPs）——聚苯乙烯（PS）和聚乳酸（PLA）——对AGS系统长期运行效率和污泥特性的影响进行了对比分析。研究全面分析了AGS的生化响应，包括胞外聚合物（EPS）、酶活性、能量代谢和氧化应激。此外，还采用宏基因组测序来阐明活性污泥对微塑料的耐受机制。研究结果为微塑料污染条件下AGS系统的稳定运行提供了理论依据。**章节片段****反应器设置与运行**采用高径比为16、有效体积为1.6 L的序批式反应器（SBR）。反应器配备底部进水系统和曝气系统，体积交换率为50%，表面空气流速为2.12 cm/s。接种来自重庆鸡冠石污水处理厂的活性污泥培养建立AGS反应器。以合成废水为进水，COD为500–600 mg/L，NO??-N...**微塑料对AGS特性的影响**微塑料浓度增加导致R1和R2的生物质量和沉降性能下降（图1）。在100 mg/L时，R1和R2的MLSS分别降至4.8和5.0 g/L（R0为7.2 g/L），这与微塑料抑制污泥生长的研究结果一致（Li等，2023）。PS的影响比PLA更为严重，可能是由于PLA密度较高且沉降较快，使其不易流失。各反应器的VSS/SS比值（0.75–0.87）表明...**结论**长期监测AGS反应器发现，低浓度PS和PLA促进了AGS的颗粒化。然而，高浓度微塑料会恶化污泥的沉降性能，导致生物量流失和总氮去除效率显著下降。PS对细胞氧化还原平衡具有普遍影响，引发污泥细胞的强烈氧化应激反应，而PLA则可刺激产生更多EPS作为补偿性防御。**未引用参考文献**（Bin Hu等，2024, 2024, Yu等，2024）**CRediT作者贡献声明****Ting Peng：** 方法论，调查。**Yuanlong Yang：** 撰写——初稿，可视化，形式分析，数据整理。**Yushuang Gan：** 撰写——审阅与编辑。**Bingrou Gong：** 撰写——审阅与编辑。**Zhiping Liu：** 撰写——审阅与编辑，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。**Fang Fang：** 撰写——审阅与编辑。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述工作的情况。**致谢**本研究得到国家自然科学基金（编号：52470027）和重庆市技术创新与应用发展专项项目（重点项目CSTB2025TIADKPX0039）的资助。Yuanlong Yang | Ting Peng | Bingrou Gong | Yushuang Gan | Fang Fang | Zhiping Liu