微塑料和纳米塑料对生物脱氮过程的影响及其加剧温室效应的机制研究综述

本文由北京工业大学的Yuliang Zhu、Ben Ma、Dong Li（通讯作者）、大连理工大学的Tongshuai Liu、北京工业大学的Yanjun Zhu、Huiping Zeng以及哈尔滨工业大学的Jie Zhang共同完成，发表于2025年的《Journal of Hazardous Materials》期刊。文章聚焦环境科学与工程领域，系统综述了污水处理厂（WWTPs）中微塑料（microplastics, MPs）和纳米塑料（nanoplastics, NPs）的来源、类型及其对生物脱氮（biological nitrogen removal, BNR）过程的抑制作用，并揭示了其加剧温室效应的机制。

研究背景与目标

塑料污染已成为全球性环境问题，而MPs/NPs因其持久性和潜在生态毒性备受关注。污水处理厂是MPs/NPs的重要汇集地，其中生物处理单元通过活性污泥吸附大量MPs/NPs，可能导致脱氮功能微生物活性受抑制，进而威胁BNR过程的稳定性。本文旨在：（1）总结MPs/NPs对BNR性能的影响；（2）阐明其抑制机制；（3）通过分子对接模拟分析MPs/NPs与脱氮功能酶的结合特性；（4）提出缓解策略。

主要观点与论据

1. MPs/NPs在污水处理厂中的来源与分布

MPs/NPs分为初级（直接排放）和次级（塑料降解产物）两类。全球污水处理厂数据显示，纤维（fibers）、碎片（fragments）和薄膜（films）是主要形态，占比超过50%。纤维主要来自合成纺织品洗涤，碎片和薄膜源于塑料制品磨损。聚合物类型以聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）为主。尽管污水处理厂对MPs/NPs的去除率可达90%以上，但大部分被活性污泥吸附并累积，浓度甚至高于污水本身（如污泥中MPs含量高达896 items/g）。

证据支持：
- 中国某污水处理厂数据显示，生物处理单元对MPs的单一阶段去除率达86.9%~95.2%（Jiang et al., 2022）。
- PS和PVC因表面电荷特性更易吸附重金属和抗生素（Li et al., 2020）。

2. MPs/NPs对生物脱氮过程的差异化影响

（1）硝化过程（Nitrification）
MPs/NPs通过抑制氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性，阻碍NH₄⁺-N向NO₃⁻-N的转化。PS的抑制作用最强（氨氧化率最大抑制51.33%），而PE可能因负电性促进NH₄⁺-N吸附从而轻微提升硝化效率。纳米级MPs/NPs因更易穿透细胞膜，比微米级颗粒更具毒性。

证据支持：
- 50 nm PS使AOB基因丰度降低64.1%（Zhou et al., 2022）。
- PVC释放的双酚A（BPA）直接损伤微生物DNA（Li et al., 2020）。

（2）反硝化过程（Denitrification）
反硝化菌（DNB）多样性较高，对MPs/NPs的耐受性较强。低浓度PET可释放碳源促进反硝化，但高浓度PS（200 mg/L）会抑制硝酸盐还原酶（NAR）和亚硝酸盐还原酶（NIR），导致NO和N₂O积累。

证据支持：
- 分子对接显示，PS与一氧化氮还原酶（NOR）结合能最高，可能阻断NO向N₂O的转化（结合能达-7.8 kcal/mol）。
- 长期暴露下，N₂O排放量增加46.67%（Gan et al., 2024）。

（3）厌氧氨氧化（Anammox）
Anammox菌对MPs/NPs最敏感。0.5 mg/L PVC长期暴露（250天）使氨氧化速率下降63.6%，因EPS（胞外聚合物）通道被阻塞。

证据支持：
- 生物膜覆盖的MPs吸附重金属能力提升40%（Kalcikova et al., 2017）。

3. 抑制机制的多维度解析

（1）EPS结构与功能破坏
MPs/NPs刺激微生物分泌更多蛋白质类EPS作为防御屏障，但过量积累导致多糖占比上升，削弱污泥絮凝能力。PS-NPs（120 nm）使EPS中蛋白质/多糖比例从1.2降至0.5（Wang et al., 2023）。

（2）活性氧（ROS）应激
纳米级MPs/NPs诱导细胞内ROS爆发，引发脂质过氧化和DNA损伤。200天暴露后，ROS水平升高至对照组的3倍（Xu et al., 2022）。

（3）污染物载体效应
MPs/NPs作为重金属（如Cd、Ni）和抗生素（如磺胺甲恶唑）的载体，通过生物膜（”plastisphere”）增强毒性迁移。生物膜覆盖的MPs对抗生素吸附量提升50%（He et al., 2021）。

（4）功能酶活性抑制
分子对接模拟表明，PS与NOR的π-π键结合能最高（-8.2 kcal/mol），而PE与氨单加氧酶（AMO）结合较弱。

研究意义与价值

1. 科学价值：首次系统揭示MPs/NPs通过结合功能酶、干扰电子传递链和促进温室气体排放的分子机制。
   
2. 应用价值：提出需在生物处理单元前增设MPs/NPs拦截设施，并开发耐MPs/NPs的脱氮菌剂。
   
3. 政策建议：强调污水处理厂作为MPs/NPs”热点”的监管重要性，需制定基于聚合物类型的排放标准。
   

研究亮点

• 方法创新：结合宏基因组学与分子对接技术，量化MPs/NPs与8种脱氮酶的相互作用。
  
• 跨尺度分析：从宏观工艺性能（如脱氮效率下降32.1%）到微观机制（如ROS生成路径）全面解析。
  
• 环境警示：证实MPs/NPs通过NOR抑制加剧N₂O排放，为全球变暖提供新解释。
  

未来方向

1. 开发低成本原位去除技术（如电絮凝耦合生物膜）。
   
2. 研究微生物群落互作关系以增强抗逆性。
   
3. 评估老化MPs/NPs的长期生态风险。
   

本文为理解MPs/NPs在工程生态系统中的行为提供了理论框架，并为污水处理厂的优化设计提供了关键依据。