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作者与期刊信息

本研究的主要作者包括Yanying He、Yingrui Liu、Min Yan、Tianhang Zhao、Yiwen Liu、Tingting Zhu和Bing-Jie Ni。他们分别来自天津大学环境科学与工程学院和悉尼科技大学水与废水技术中心。该研究于2022年8月30日在线发表在《Water Research》期刊上，文章编号为119037。

学术背景

本研究的主要科学领域是环境科学与工程，特别是废水处理中的生物脱氮（Biological Nitrogen Removal, BNR）过程。微塑料（Microplastics）作为一种新兴污染物，广泛存在于水体、土壤和生物体内，甚至已进入人类血液。尽管已有研究表明微塑料对微生物活动具有潜在影响，但其对BNR过程中一氧化二氮（N2O）转化的影响尚未明确。N2O是一种强效温室气体，其排放对全球气候变化具有重要影响。因此，本研究旨在填补这一知识空白，探讨聚乙烯对苯二甲酸酯（Polyethylene Terephthalate, PET）微塑料对主流BNR过程中N2O转化的长期影响及其机制。

研究流程

本研究分为长期实验和批次实验两部分，具体流程如下：

1. PET微塑料和合成废水的制备
   PET微塑料由东莞华创公司提供，平均粒径为80微米。合成废水模拟了典型BNR过程的进水条件，包含NH4Cl、葡萄糖、乙酸钠等成分，化学需氧量（COD）为300 mg/L，氨氮（NH4+）浓度为50 mg N/L。

2. 反应器设置与运行
   研究使用了四个10升的序批式反应器（Sequencing Batch Reactor, SBR），分别暴露于不同浓度的PET微塑料（0、10、100和500 μg/L）。每个反应器的运行周期为360分钟，包括6分钟进水、90分钟缺氧期、220分钟好氧期等步骤。反应器在22±1°C下运行，溶解氧（DO）维持在1.3-1.7 mg O2/L。

3. 批次实验
   在长期暴露实验结束后，研究人员从反应器中取出混合液进行批次实验，以评估PET微塑料对反硝化（Denitrification）和硝化（Nitrification）过程中N2O转化的影响。反硝化批次实验包括两种类型：一种用于评估NO3-、NO2-和N2O的最大比还原速率，另一种用于揭示N2O的转化过程。硝化批次实验则用于评估NH4+和NO2-的最大比氧化速率以及N2O的产生途径。

4. 数据分析
   研究使用在线N2O传感器和位点偏好分析（Site-Preference, SP）技术，确定了N2O的产生途径。此外，通过高通量测序和实时PCR技术，分析了微生物群落的变化及其对氮代谢途径的影响。

主要结果

1. PET微塑料对反应器整体性能的影响
   长期暴露于PET微塑料的反应器中，NH4+和NO2-的去除效率未受显著影响，但NO3-的去除效率略有下降。N2O的排放因子（Emission Factor, EF）在实验组和对照组之间无显著差异，主要归因于缺氧期NO2-的积累增加。

2. PET微塑料对反硝化过程中N2O转化的影响
   批次实验结果表明，PET微塑料显著降低了N2O的产生和还原速率。随着PET微塑料浓度的增加，N2O的积累量从0.9 mg N/L降至0.3 mg N/L。

3. PET微塑料对硝化过程中N2O产生的影响
   PET微塑料显著降低了硝化过程中N2O的产生量，其排放因子从1.0%降至0.3%。位点偏好分析显示，氨氧化细菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）反硝化途径对N2O的贡献从78.0%降至45.1%，而羟胺（NH2OH）氧化途径的贡献增加了22.9%。

4. PET微塑料与BNR污泥的相互作用
   PET微塑料显著增加了污泥的粒径和胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）分泌，并重塑了微生物群落。例如，Thauera和Rhodobacter等与N2O排放相关的菌群丰度显著降低，而Nitrospira等硝化细菌的活性增强。

结论

本研究首次揭示了长期暴露于PET微塑料对主流BNR过程中N2O转化的影响及其机制。研究发现，PET微塑料显著降低了反硝化和硝化过程中N2O的产生和还原速率，并改变了N2O的产生途径。此外，PET微塑料还通过增加污泥粒径和EPS分泌，重塑了微生物群落及其氮代谢途径。这些发现为理解微塑料对废水处理过程的影响提供了重要依据，并为减少BNR过程中N2O排放提供了新的思路。

研究亮点

1. 重要发现
   研究发现，PET微塑料显著降低了N2O的产生和还原速率，并改变了N2O的产生途径。此外，PET微塑料还通过重塑微生物群落和氮代谢途径，影响了BNR过程的整体性能。

2. 方法创新
   研究使用了位点偏好分析技术，首次明确了PET微塑料对N2O产生途径的影响。此外，通过高通量测序和实时PCR技术，深入分析了微生物群落的变化及其对氮代谢途径的影响。

3. 研究对象的特殊性
   本研究聚焦于PET微塑料对BNR过程中N2O转化的影响，填补了微塑料对废水处理过程中温室气体排放影响的研究空白。

其他有价值的内容

本研究还探讨了PET微塑料对污泥特性的影响，例如增加了污泥粒径和EPS分泌。这些发现为理解微塑料与废水处理系统中微生物的相互作用提供了新的视角。此外，研究结果还为优化BNR过程、减少N2O排放提供了理论依据。