这篇文档属于类型a，是一篇关于轮胎磨损微塑料（tire wear particles, TWPs）对好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge, AGS）微生物活性影响的原创研究论文。以下为详细的学术报告：

作者与发表信息

本研究由Weronika Irena Mądzielewska（波兰奥尔什丁瓦尔米亚-马祖里大学环境生物技术系）、Piotr Jachimowicz（捷克俄斯特拉发技术大学环境技术研究所）、Job Oliver Otieno和Agnieszka Cydzik-Kwiatkowska（波兰奥尔什丁瓦尔米亚-马祖里大学）合作完成，发表于International Journal of Molecular Sciences (Int. J. Mol. Sci.)，2025年4月27日，DOI: 10.3390/ijms26094136。

学术背景

研究领域：环境生物技术，聚焦微塑料（microplastics, MPs）对污水处理系统中微生物功能的影响。
研究动机：
1. 问题现状：轮胎磨损颗粒（TWPs）是环境中微塑料的主要来源之一，全球年排放量达590万吨，通过雨水径流进入污水处理厂（WWTPs）。尽管污水处理厂对微塑料的去除效率超过97%，但粒径<63 μm的TWPs仍可能逃逸至环境，威胁水生生态系统。
2. 知识空白：现有研究多关注聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等常规微塑料对活性污泥的影响，但TWPs的化学组成（含橡胶、炭黑、重金属等）可能对微生物代谢路径（如氮循环）产生独特干扰，其分子机制尚不明确。
3. 研究目标：
- 量化TWPs对好氧颗粒污泥（AGS）中氮代谢关键基因（amoA、nirK、nosZ）转录活性的影响；
- 揭示TWPs对硝化（ammonia oxidation）与反硝化（denitrification）过程的差异化调控机制；
- 评估TWPs对污水处理工艺稳定性的潜在风险。

研究方法与流程

1. 实验设计

• 研究对象：实验室规模的好氧颗粒污泥序批式反应器（GSBRs，3 L容积），接种来自波兰Lubawa污水处理厂的AGS。
  
• TWPs制备：采用新轮胎研磨后筛分70–200 μm颗粒，模拟真实环境中的TWPs粒径分布。
  
• 实验分组：设置5组GSBRs，TWPs投加浓度分别为0（对照）、50、100、250、500 mg/L，每组运行超过300个周期（8 h/周期）。
  

2. 运行参数

• 操作条件：温度20°C，溶解氧4 L/min，周期包含厌氧（120 min）、缺氧（180 min）、好氧（180 min）阶段。
  
• 进水水质：合成市政废水（避免其他微塑料干扰），COD/NH₄⁺-N比为10:1。
  

3. 分析技术

• 污染物动力学：每小时测定NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N浓度（Hach Lange比色法），计算去除速率。
  
• 分子生物学分析：
  
  • RNA提取与反转录：从污泥样品中提取总RNA，DNase处理后合成cDNA。
    
  • 实时定量PCR（qPCR）：检测16S rRNA（总微生物活性）、amoA（氨单加氧酶，硝化标志）、nirK（亚硝酸盐还原酶）、nosZ（一氧化二氮还原酶）的转录水平。
    
  • 标准曲线构建：使用克隆质粒（含目标基因片段）定量基因拷贝数。
    

4. 数据统计

• 相关性分析：Pearson检验TWPs剂量与基因表达的关系（p<0.05）。
  

主要结果

1. TWPs促进硝化但抑制反硝化

• 氨氮去除速率：随TWPs浓度升高，NH₄⁺-N去除率从3.9 mg/(L·h)（对照组）增至4.5 mg/(L·h)（500 mg TWPs/L），可能与TWPs吸附NH₄⁺或释放含氮添加剂（如苯胺）作为共代谢底物有关。
  
• 硝化基因表达：amoA转录水平在500 mg TWPs/L时达峰值（275,000±62,000拷贝），较对照增加160%，表明TWPs刺激氨氧化菌（AOB）活性。
  
• 反硝化抑制：
  
  • nirK转录量在500 mg TWPs/L时下降33%（对照：1×10⁶拷贝→TWPs_500：6.7×10⁵拷贝）；
    
  • nosZ转录量降低58%（对照：4×10⁶拷贝→TWPs_500：1.68×10⁶拷贝），可能导致N₂O排放风险增加。
    

2. 微生物活性动态变化

• 总活性（16S rRNA）：高剂量TWPs（500 mg/L）导致周期中段活性骤降（4 h时仅10±1百万拷贝），推测因TWPs释放的毒性物质（如多环芳烃、重金属）短期抑制代谢。
  

3. 机制解释

• 硝化增强：TWPs中的橡胶成分可能诱导氧化应激，促进活性氧（ROS）生成，间接激活AOB的氨氧化酶。
  
• 反硝化受阻：TWPs嵌入颗粒污泥结构，破坏缺氧微区，限制电子传递链功能；同时，TWPs吸附有机碳源，导致反硝化菌底物不足。
  

结论与价值

1. 科学意义：首次从基因转录层面揭示TWPs对AGS中氮代谢路径的差异化调控，填补了轮胎微塑料对生物污水处理影响的分子机制空白。
   
2. 应用价值：警示TWPs可能通过抑制反硝化导致污水处理厂出水氮负荷升高（加剧富营养化）及N₂O排放（温室效应），需优化机械处理工艺（如混凝）强化TWPs去除。
   
3. 政策建议：呼吁将TWPs纳入污水处理厂微塑料监测体系，并研发针对轮胎磨损颗粒的源头减排技术。
   

研究亮点

1. 创新方法：结合污染物动力学与多基因qPCR分析，建立TWPs剂量-微生物活性的定量关系模型。
   
2. 新颖发现：TWPs对硝化与反硝化的相反作用（“促硝化-抑反硝化”）挑战了传统微塑料单一抑制效应的认知。
   
3. 跨学科性：融合环境工程、分子微生物学与材料科学，为微塑料的生态风险评估提供新视角。
   

其他有价值内容

• 局限性：实验室条件下使用合成废水，未来需验证实际污水中的TWPs与其它污染物（如抗生素）的协同效应。
  
• 延伸方向：建议研究TWPs长期暴露对污泥颗粒结构稳定性的影响，以及微生物群落的适应性进化机制。
  

此研究为理解微塑料在污水处理系统中的复杂行为提供了关键数据，对优化工艺设计及环境政策制定具有重要参考价值。