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该研究由Yanying He、Xiang Li、Yingrui Liu、Haixiao Guo、Yufen Wang、Tingting Zhu、Yindong Tong、Yingxin Zhao、Bing-Jie Ni和Yiwen Liu共同完成，研究团队来自天津大学环境科学与工程学院。该研究于2024年6月10日发表在《Environmental Science & Technology Letters》期刊上，标题为“Biodegradable Microplastics Increase N2O Emission from Denitrifying Sludge More Than Conventional Microplastics”。

学术背景
微塑料污染近年来成为全球环境和人类健康的重要议题，尤其是尺寸小于5毫米的微塑料颗粒在环境中广泛存在。尽管可生物降解塑料（Biodegradable Microplastics, BMPs）被视为缓解塑料污染的潜在替代品，但其在自然条件下难以完全降解，甚至在环境老化过程中会生成更多的微塑料颗粒。与传统的不可生物降解微塑料（Nonbiodegradable Microplastics, NBMPs）相比，BMPs具有更多的含氧官能团和更高的极性，可能对污水处理系统中的生物脱氮过程产生更大影响。然而，关于微塑料如何影响反硝化过程中一氧化二氮（N2O）积累的机制仍不明确。因此，该研究旨在探讨BMPs与NBMPs对反硝化性能、电子竞争、电子分布以及N2O积累的影响及其潜在机制。

研究流程
研究分为多个步骤，主要包括实验设计、长期暴露实验、批次测试以及机制分析。
1. 实验微塑料选择：研究选取了四种常见的BMPs（聚乳酸、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯）和四种NBMPs（聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯）作为模型微塑料，尺寸约为100微米。
2. 实验设计：从污水处理厂获取活性污泥，经过6个月的稳定培养后，将反硝化污泥均匀分配到三个4升的序批式反应器中。两个实验反应器分别添加1 mg/L的BMPs和NBMPs，另一个作为对照组，不添加微塑料。实验持续4个月，期间监测硝酸盐、亚硝酸盐和化学需氧量（COD）的浓度。
3. 批次测试：设计了三种类型的批次测试，分别用于研究不同碳源条件下反硝化还原酶的电子分布、N2O积累以及电子竞争。测试中使用了七种不同的氮氧化物添加方案，并在不同COD浓度下进行。
4. 数据分析：通过线性回归分析计算氮氧化物的表观消耗速率，并利用理论方程推导真实的电子消耗速率和电子分布。此外，还使用了流式细胞术、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术分析微生物细胞的生理状态、细胞膜损伤以及胞外聚合物（EPS）成分的变化。
5. 机制研究：通过量化电子传输和消耗系统（ETCS）中的关键基因，探讨微塑料对反硝化过程的分子机制。

主要结果
1. 电子竞争：BMPs和NBMPs均显著降低了氮氧化物的表观消耗速率，且BMPs的抑制作用更强。电子竞争在低COD负荷条件下更为激烈，BMPs暴露下电子竞争的加剧更为显著。
2. 电子分布：微塑料暴露后，电子更倾向于分配到下游还原酶（如亚硝酸盐还原酶和N2O还原酶），而硝酸盐还原酶的电子分配比例下降。BMPs对电子分布的影响比NBMPs更大，导致N2O积累的可能性增加。
3. N2O积累：在COD:N比率低于4:1时，BMPs暴露下的反应器中N2O积累量显著高于NBMPs和对照组。这表明BMPs可能增加污水处理过程中的温室气体排放。
4. 机制分析：NBMPs通过过度产生活性氧（ROS）破坏细菌膜结构，导致更多细胞死亡，从而抑制反硝化性能。而BMPs则通过改变EPS成分和与降解中间产物的相互作用，降低反硝化菌的丰度和关键酶的活性，进而破坏ETCS。

结论
该研究首次表明，BMPs不仅显著削弱了反硝化性能，还导致在低COD:N比率下比NBMPs更多的N2O排放。这一发现对理解微塑料对污水处理和温室气体排放的潜在影响具有重要意义。尽管BMPs在降解性上优于NBMPs，但其对反硝化污泥和N2O排放的影响更为严重。因此，在推广可生物降解塑料时，需全面评估其环境风险，特别是对温室气体排放的潜在影响。

研究亮点
1. 重要发现：BMPs对反硝化过程的负面影响比NBMPs更严重，且在低COD条件下显著增加N2O排放。
2. 方法创新：研究通过批次测试和机制分析，首次揭示了BMPs与NBMPs对反硝化过程的不同作用机制。
3. 研究意义：该研究为理解微塑料对污水处理系统的复杂影响提供了新的视角，并为评估可生物降解塑料的环境风险提供了科学依据。

其他有价值的内容
研究还指出，BMPs的降解中间产物可能与EPS结合，进一步破坏污泥结构和分子功能。这一发现为未来研究BMPs在生物污水处理系统中的具体降解过程提供了方向。此外，研究强调了在推广可生物降解塑料时，需综合考虑其环境兼容性和机械性能，以减少塑料污染及其对环境的潜在危害。