这篇文档属于类型a，是一篇关于微塑料（microplastics, MPs）在颗粒序批式反应器（granular sequencing batch reactors, GSBRs）中对污染物去除动力学及微生物群落影响的原创性研究报告。以下是针对该研究的详细学术报告：
作者及发表信息
本研究由波兰奥尔什丁瓦姆-马祖里大学（University of Warmia and Mazury in Olsztyn）环境生物技术系的Piotr Jachimowicz、Weronika Mądzielewska和Agnieszka Cydzik-Kwiatkowska合作完成，发表于2024年7月的《Journal of Hazardous Materials》（期刊编号476，文章ID 135061）。研究聚焦于两种常见微塑料——聚乙烯（polyethylene, PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）在废水处理系统中的行为机制。
学术背景
研究领域：环境工程与微生物生态学交叉领域，关注微塑料对废水生物处理系统的干扰效应。
研究动机：
1. 现实问题：污水处理厂（WWTPs）虽能有效去除氮、磷等传统污染物，但对新兴污染物（如微塑料）的去除能力有限。微塑料通过吸附污泥进入环境，可能随污泥农用或填埋造成二次污染。
2. 科学空白：现有研究多集中于活性污泥系统，而对好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge, AGS）这一高效紧凑工艺的研究不足，尤其是微塑料类型与剂量对污染物去除动力学和微生物基因表达的影响机制尚未明确。
研究目标：
- 量化PE和PET微塑料在GSBRs中的积累特征；
- 解析微塑料对COD、氮、磷去除效率及速率的影响；
- 揭示微塑料对关键功能基因（如硝化基因amoA、反硝化基因nirK/nirS/nosZ、聚磷基因ppk1）表达的调控作用；
- 阐明微生物群落结构对微塑料胁迫的响应规律。
研究流程与方法
1. 实验设计与反应器运行
- GSBRs设置：共两组实验（分别针对PET和PE），每组包含4个反应器（对照+3个浓度梯度：1/10/50 mg/L），运行200个周期（约2个月）。
- 操作参数：8小时周期（60分钟缺氧/400分钟好氧/10分钟沉淀/5分钟进出水），曝气速率0.8 cm/s，污泥龄30天。
- 合成废水：模拟市政污水，含NH₄Cl（76.1 mg/L）、Na₂HPO₄（46.2 mg/L）及乙酸钠（碳源），COD/NH₄⁺/TP浓度分别为600–700/50–70/10–16 mg/L。
2. 微塑料特性与添加
- 类型选择：PE（粒径40–48 μm，密度0.94 g/mL）和PET（<300 μm，密度1.3 g/mL），基于环境常见性与工业应用广泛性。
- 检测方法：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认微塑料在污泥中的存在，结合盐饱和浮选法提取微塑料并定量其在生物量中的沉积量。
3. 污染物去除动力学分析
- 监测指标：COD、NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N、PO₄³⁻-P的浓度变化，采用APHA标准方法测定。
- 动力学模型：COD去除符合伪一级动力学，氮磷转化遵循零级动力学，通过ANOVA和Tukey’s HSD检验统计差异。
4. 分子生物学分析
- 实时定量PCR（qPCR）：测定16S rRNA（总细菌活性）及功能基因（amoA、nirK/nirS、nosZ、ppk1）的绝对丰度，标准曲线法量化基因拷贝数。
- 宏基因组测序：Illumina MiSeq平台测序16S rRNA V4区，USEARCH算法聚类OTU，Microbiome Analyst工具分析群落结构。
5. 数据统计
- 软件工具：Statistica 13进行ANOVA和Pearson相关性分析，显著性阈值p<0.05。
主要研究结果
1. 微塑料在污泥中的积累差异
- PET：沉积量显著高于PE（121–159 vs. ~30 mg/g MLSS），且与剂量正相关，50 mg/L PET占生物量15.9%。
- PE：因密度低易被气泡夹带流失，沉积量稳定。
2. 污染物去除效率变化
- COD去除：PET抑制效应显著（50 mg/L时效率下降4%），而PE无显著影响。
- 磷去除：PET促进PO₄³⁻去除（效率提升7%），PE无显著变化，可能与PET释放溶解性有机碳（DOC）有关。
- 氮转化：PET抑制NH₄⁺氧化速率（-16.7%），但增强反硝化（NO₃⁻去除率+18%）；PE则促进NH₄⁺氧化（+28%）。
3. 功能基因表达响应
- 硝化基因：amoA丰度在PET组与NO₂⁻/NO₃⁻浓度正相关（r=0.56–0.58），表明硝化过程受调控。
- 反硝化基因：nosZ（编码N₂O还原酶）在PET组与剂量正相关（r=0.53），且与ppk1（聚磷激酶基因）高度协同（r=0.97），提示反硝化聚磷菌（DPAOs）的活跃。
4. 微生物群落重构
- 优势菌门：变形菌门（Proteobacteria，51.5–72.6%）和拟杆菌门（Bacteroidetes，19.2–45.6%）主导。
- 关键属：
- PET组：反硝化菌（*Zoogloea*、*Hyphomonas*）和塑料降解菌（*Ideonella*）丰度与剂量正相关；
- PE组：致病菌（*Mycobacterium*）和丝状菌（*Singulisphaera*）增加，可能引发污泥膨胀风险。
结论与价值
科学意义：
1. 首次系统揭示PET和PE微塑料在AGS系统中的差异化行为，阐明其通过改变功能基因表达和群落结构干扰氮磷循环的机制。
2. 提出微塑料剂量-基因表达-污染物去除效率的定量关系模型，为废水处理工艺优化提供理论依据。
应用价值：
- 指导污水处理厂应对微塑料污染的工艺调整（如控制PET负荷以保障硝化效率）；
- 警示微塑料富集可能导致的病原菌（如*Bacteroides*）和藻毒素（如*Microcystis*）风险，需加强污泥安全处置。
研究亮点
- 方法创新：结合qPCR和宏基因组学，多尺度解析微塑料的生态效应。
- 发现新颖：首次报道PET微塑料促进反硝化聚磷菌的协同作用。
- 工程启示：指出微塑料类型特异性影响需纳入废水处理设计标准。
其他价值
- 环境启示：研究强调膜技术虽能截留微塑料，但污泥中微塑料的归宿问题仍需解决。
- 政策建议：呼吁对工业废水中的微塑料浓度实施限值管控。
（全文完）