类型a：学术研究报告

作者及研究机构
本研究由Wenxin Shi、Xinyu Yang、Shuchang Huang（重庆大学环境与生态学院）、Piet N.L. Lens（联合国教科文组织水教育学院）和Bing Zhang（重庆大学环境与生态学院，通讯作者）共同完成，发表于《Chemical Engineering Journal》第479卷（2024年），在线发布于2023年11月22日。

学术背景
研究领域为环境工程与微生物生态学，聚焦于可降解微塑料（Degradable Microplastics, DMPs）对好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）系统中氮转化过程的潜在影响。随着可降解塑料（如聚己内酯PCL和聚丁二酸丁二醇酯PBS）的广泛应用，其微塑料形态（直径 mm）在水环境中持续积累，可能威胁废水生物脱氮效率。然而，不同DMPs对AGS系统氮代谢途径的差异化影响机制尚不明确。本研究以PCL和PBS为模型DMPs，旨在揭示其浓度与类型对AGS脱氮性能的抑制规律及内在机制。

研究流程与方法
1. 实验设计与反应器运行
- 设置3组序批式反应器（SBR）：对照组（R1）、PCL暴露组（R2）和PBS暴露组（R3），运行105天，分三阶段添加DMPs（0.5、5、50 mg/L）。
- 监测指标包括污泥物理特性（MLSS浓度、粒径、SVI）、污染物去除效率（COD、NH4+-N、TN、PO43–P）、胞外聚合物（EPS）组成（蛋白质PN、多糖PS）、活性氧（ROS）生成及乳酸脱氢酶（LDH）释放。

1. 微生物与分子分析

   • 高通量测序：分析第30、60、105天的污泥微生物群落结构（16S rRNA V3-V4区），评估Chao1、Shannon等多样性指数及功能菌属（如硝化菌Nitrosomonas、反硝化菌Azoarcus）。
     
   • 功能基因定量：通过qPCR测定氮代谢基因（amoA、nirK、nirS、narG）的拷贝数。
     
   • 酶活性检测：测定氨氧化酶（AMO）、硝酸盐还原酶（NR）等关键酶活性，结合电子传递系统活性（ETSA）评估代谢能力。
     

2. 网络分析
   基于Gephi软件构建基因-微生物-环境因子关联网络，解析DMPs对氮代谢途径的调控机制。

主要结果
1. DMPs浓度依赖性效应
- 低浓度（0.5、5 mg/L）DMPs对TN去除效率无显著影响（p>0.05），但50 mg/L时PCL组TN去除率下降25.7%，显著高于PBS组（降幅<20%）。
- 高浓度PCL导致污泥结构劣化（SEM显示表面裂纹），MLSS浓度降至4.0 g/L（对照组5.7 g/L），EPS中蛋白质含量降低35%，削弱颗粒稳定性。

1. 毒性机制差异

   • PCL的高生物降解性：6周内PCL降解率达26.5%（PBS仅3.5%），释放更多微塑料碎片（直径~10 μm），诱发ROS过量生成（较对照组增加180%）和细胞膜损伤（LDH释放量提升2.76倍）。
     
   • 微生物群落响应：PCL组反硝化菌Azoarcus相对丰度降至1.30%（对照组3.20%），narG基因表达量减少35%，NR酶活性下降89%，直接抑制反硝化电子传递（ETSA降低39%）。
     

2. 网络分析揭示调控路径
   PBS组中Thauera与nirS基因的关联度达82.95%，而PCL组Pseudomonas对nirS的贡献减弱（相关性-85.79%），表明DMPs重塑了功能菌与代谢基因的互作网络。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次阐明PCL与PBS微塑料通过差异化生物降解性影响AGS脱氮性能的机制，提出“DMPs-ROS-功能菌-基因表达-酶活性”的级联抑制路径。
- 为评估可降解塑料的环境风险提供了微生物组学与分子生物学证据。

1. 应用价值
   
   • 警示高浓度PCL微塑料对污水厂脱氮工艺的潜在威胁，建议优化可降解塑料作为固体碳源（如PBS）的使用策略，避免副产物累积。
     

研究亮点
1. 方法创新：结合PARAFAC分析EPS荧光组分与网络分析，多维度解析DMPs的生态效应。
2. 发现新颖：揭示PCL因高降解性释放纳米级碎片，其毒性强于PBS，填补了可降解微塑料差异化毒性机制的认知空白。

其他价值
研究指出未来需探究DMPs副产物（如增塑剂）对AGS的长期影响，为后续研究指明方向。