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一、研究作者与发表信息

本研究由Ying Zhang、Ming-zhi Shen、Jian-xia Wang、Jing-han Wang*（通讯作者）和Zhan-you Chi合作完成，作者单位均为大连理工大学生物工程学院生物智能制造教育部重点实验室。研究发表于Journal of Hazardous Materials（2025年1月），标题为《Less toxic combined microplastics exposure towards attached Chlorella sorokiniana in the presence of sulfamethoxazole while massive microalgal nitrous oxide emission under multiple stresses》，DOI: 10.1016/j.jhazmat.2025.137223。

二、学术背景

研究领域与动机

本研究属于环境科学与微藻生物技术交叉领域，聚焦于微藻生物膜（microalgal biofilm）在废水处理中的应用。传统废水处理依赖活性污泥法，能耗高且碳源需求大，而微藻系统可通过光合作用供氧并固定CO₂，同时高效回收氮磷等营养盐。然而，废水中普遍存在的微塑料（microplastics, MPs）和抗生素（如磺胺甲恶唑，sulfamethoxazole, SMX）可能影响微藻的生理特性及温室气体减排潜力。

关键科学问题

1. 环境浓度MPs与抗生素联合暴露对附着态微藻（Chlorella sorokiniana）生长、营养盐去除及抗氧化响应的影响；
   
2. 微藻细胞内一氧化氮（nitric oxide, NO）积累及其转化为氧化亚氮（nitrous oxide, N₂O）的机制；
   
3. N₂O排放对微藻CO₂固定效益的抵消作用。
   

研究目标

揭示MPs（聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC、聚酰胺PA）、SMX及亚硝酸盐（NO₂⁻）联合胁迫下微藻生物膜的响应机制，评估其对废水处理及温室气体平衡的潜在影响。

三、研究流程与方法

1. 实验设计与培养系统

• 微藻菌株与培养基：采用Chlorella sorokiniana (FACHB-275)，在BG-11培养基中预培养，后转至模拟市政废水（总氮50 mg/L，总磷5 mg/L，以NO₃⁻或NO₂⁻为氮源）。
  
• 胁迫条件：设置单因素（如仅NO₂⁻或SMX）、双因素（如NO₂⁻+PE）、三因素（如NO₂⁻+PE+SMX）等共19组处理（详见表1），MPs浓度为10 μg/L，SMX为100 μg/L。
  
• 生物膜培养：在六孔板中静态培养4天形成生物膜，光照条件为16 h/8 h光暗循环，温度25±1℃。
  

2. 关键分析指标

• 生长参数：生物膜密度（干重法）、叶绿素含量（分光光度法）、胞外聚合物（EPS，加热提取法）；
  
• 营养盐去除：总氮（TN）、总磷（TP）残留浓度（标准水质分析法）；
  
• 抗氧化响应：超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性，丙二醛（MDA）含量，细胞内NO含量（荧光探针DAF-FM DA）；
  
• N₂O排放：采用气相色谱（PDHID检测器）测定密封培养瓶中的气体浓度，结合亨利定律计算液相溶解量。
  

3. 数据分析

• 联合毒性评估：采用独立作用模型（Independent Action Model）计算组合指数（CI），判定协同（CI>1）或拮抗效应（CI）；
  
• 统计方法：单因素ANOVA（GraphPad Prism 9.5），显著性阈值p<0.05。
  

四、主要研究结果

1. 微藻生长与胁迫响应

• MPs与SMX的毒性差异：10 μg/L MPs对生物膜生长的抑制强于100 μg/L SMX。PE+PVC或PE+PA联合暴露导致协同毒性（生物膜密度降低66%），而MPs+SMX组合显示拮抗效应（生物膜密度比对照高17%）。
  
• 叶绿素与EPS变化：SMX显著降低叶绿素a含量（降幅达66.8%），但促进EPS多糖分泌（最高138.9 mg/g DCW），与生物膜密度正相关。
  

2. 营养盐去除机制

• TN去除：微藻同化和MPs吸附共同贡献，最终残留TN为2.7–14.1 mg/L，其中PE+PVC组效率最低（去除率71.8% vs 对照94.2%）；
  
• TP去除：各组均<0.5 mg/L，差异不显著，归因于微藻奢侈吸收和EPS吸附。
  

3. 氧化应激与N₂O排放

• 抗氧化酶动态：SOD活性最高达对照3.2倍，而CAT活性下降至41%，表明氧化损伤累积；
  
• NO与N₂O关联：NO积累量随胁迫时间增加，其向N₂O的转化效率在12天内翻倍（R²=0.89）；
  
• 温室气体平衡：NO₂⁻+PE+PVC胁迫下，N₂O排放抵消CO₂固定效益的176.2%，使系统净排放温室气体。
  

五、结论与价值

科学意义

1. 首次揭示环境浓度MPs与抗生素联合暴露对附着态微藻的拮抗/协同效应；
   
2. 阐明微藻通过NO-N₂O途径贡献温室气体排放的机制，挑战了微藻系统“碳中和”的传统认知；
   
3. 提出废水处理中需同时监测新兴污染物与N₂O排放的管控策略。
   

应用价值

1. 为优化微藻废水处理工艺提供胁迫耐受性参数；
   
2. 警示MPs和抗生素共存可能加剧污水处理系统的气候风险。
   

六、研究亮点

1. 创新对象：聚焦附着态微藻生物膜（非悬浮培养），更贴近实际水生环境；
   
2. 方法学：结合分子水平（NO信号）与系统水平（温室气体平衡）的多尺度分析；
   
3. 环境相关性：采用μg/L级环境浓度MPs，结论更具现实指导意义。
   

七、其他发现

• MPs老化影响：未老化MPs的抗生素吸附能力较弱，可能增强SMX的生物有效性；
  
• 长期暴露空白：建议未来研究延长胁迫周期，模拟自然水体中的MPs老化过程。
  

（注：专业术语如“microalgal biofilm”首次出现时译为“微藻生物膜”，后文直接使用中文术语。）