https://mp.weixin.qq.com/s/pmR29B5i-Kh4hIJ0vo-JEg
01研究背景
化學化工及廢紙造紙過程中會有大量微塑料進入廢水處理系統，這些微塑料中只有20%被水流帶走，其余80%由于無法降解而積聚在污泥中。微塑料通過影響污泥的生化途徑、關鍵酶、功能基因和微生物群落，對厭氧消化產生嚴重影響。來著工業的微塑料（例如酚醛樹脂（PF））尚未受到足夠的重視。據報道，自然水體中80%的微塑料來自污水處理廠。因此，污水處理過程中微塑料的遷移規律，尤其在顆粒污泥中的賦存情況值得進行深入研究。
02文章概述
近日，廣西大學王雙飛院士團隊、太陽紙業和博世科聯合攻關，對污水處理系統中酚醛樹脂微塑料（PF-MPs）的危害及作用機理進行了深入研究，研究了不同粒徑PF-MPs的對厭氧顆粒污泥（AnGS）的影響，通過分子動力學模擬與光譜學相結合的方法證明了EPS在厭氧顆粒污泥捕獲微塑料中的重要作用，明確了EPS與PF-MPs之間相互作用的基本機制，為生物處理過程中微塑料的遷移規律及控制提供理論基礎。該成果以題為“Impact of phenolic-formaldehyde resin microplastics on anaerobic granular sludge: EPS interaction mechanisms and impacts on reactor performance”發表在《Journal of Hazardous Materials》上，博士生江柯漾為本文第一作者，王志偉副教授為本文通訊作者，太陽紙業高級工程師張偉和博世科高級工程師劉憙提供技術支持，研究生高倩、馮金虎、朱思嘉、翟文霞、吳迪和張慧亞參與研究工作。
圖文摘要
03圖文導讀
1. PF-MPs 對 AnGS 廢水處理性能的影響
實驗第8天至第42天，L-PF、MPF、S-PF組累計甲烷產量分別增加了1.4%、3.4%和4.3%，COD去除率分別增加了2.4%、0.6%和2.7%。PF-MPs的加入顯著提高了厭氧反應器出水中的生物質含量（分別提高了301.1%、258.1%和206.4%），并且隨著PF-MPs粒徑的增大，出水中的生物質含量逐漸升高。所有粒徑的PF-MPs均導致完整顆粒污泥甲烷速率降低、滯后期增加，其中S-PF表現出最明顯的抑制作用。
圖1. 不同粒徑的PF-MP對AnGS的影響：（a）COD去除率；（b）甲烷產量；（c）出水中生物質含量；（d）完整顆粒日甲烷產量曲線擬合。*和**分別代表p < 0.05和0.01。
2. PF-MPs對AnGS物理性質的影響
PF-MPs的存在導致了AnGS顆粒的破碎和表面細胞死亡，并且PF-MPs的尺寸越大，對AnGS完整性的破壞越大。實驗結束后，暴露于PF-MPs反應器中的顆粒污泥中值粒徑與體積平均徑均小于對照組反應器。利用SEM對污泥表面進行觀察，對照組反應器中的AnGS顆粒較為穩定，表面光滑且平整，而實驗組反應器中的顆粒表面呈裂隙狀，有均勻的破碎。CLSM表明，空白組AnGS中死亡細胞比例為37.5%，而暴露于PF-MPs的AnGS中，死亡細胞比例分別高達61.5%，57.2%和50.9%。
圖2. 添加不同粒徑PF-MP后的 AnGS：（a）粒徑分布，（b）粒徑比例，（c）AnGS表面SEM圖
3. EPS含量變化及分布
EPS含量均呈現出先升高再降低的趨勢。短時間內微生物和EPS可在PF-MPs表面附著和積累，隨著時間的增加，PF-MPs與EPS形成的聚集體中具有高代謝活性的微生物開始消耗EPS的可生物降解成分（主要是蛋白質）。三維熒光區域積分表明，暴露于PF-MPs降低了EPS中色氨酸（區域II）和可溶性微生物副產物（區域IV）的比例。
圖3. AnGS的EPS含量（a）LB-EPS，（b）TB-EPS
蛋白質二級結構分析表明，PF-MPs使EPS中蛋白質α-helix/（β-sheet + random coil）比值增加，PF-MPs的加入可以使蛋白質更加致密，不利于其內部疏水基團的暴露，從而導致AnGS的親水性增強。XPS分析表明，PF-MPs降低了EPS中主要疏水官能團C-(C, H)的含量。
圖4. 加入PF-MPs后EPS元素組成和功能基團的變化
4. PF-MPs 對微生物的影響
分析了AnGS中糖酵解、乙酸代謝和CO2還原產甲烷過程中基因表達和關鍵酶活性的變化，進一步揭示PF-MPs影響AnGS的潛在機制。L-PF和S-PF促進了糖酵解、乙酸代謝和CO2還原產甲烷的過程基因的表達。S-PF中漂浮污泥中主要代謝途徑相關基因表達和酶活性降低。
圖5. PF-MPs對微生物反應相關的基因轉錄變化
5. EPS與PF-MPs的相互作用機制
范德華相互作用在EPS所有成分與PFMPs之間的相互作用能中占主導地位，這可能是因為PF-MPs帶中性電荷。PF-MPs與兩種多糖之間的相互作用能強于PF-MPs與蛋白質之間的相互作用能。PF-MPs與酪氨酸之間的相互作用能強于色氨酸。圖6c顯示了PF-MPs與各種EPS成分之間的接觸原子數隨模擬時間的變化，表明多糖的響應速度比蛋白質和氨基酸更快。
圖6.（a）模擬時間內每個系統的代表性快照；（b）模擬時間最后5納秒內每個系統中PF-MPs和EPS各成分之間的平均相互作用能；（c）模擬時間內每個EPS成分和PF-MP之間的接觸原子數
圖7. PF-MPs 吸附動力學曲線（a-c）和吸附等溫線（d-f），PF-MPs在EPS吸附時的同步（g）和異步（h）圖
擬一級動力學模型（R2=0.982）能更好地擬合EPS在PF-MPs上的吸附動力學。Langmuir模型（R2=0.992）的擬合效果優于Freundlich模型（R2=0.937），說明單層吸附在EPS的吸附中起著重要作用。等溫線非線性指數（1/n）為0.501，說明反應容易進行。2D-COS表明，EPS的響應順序為多糖>糖醛酸>脂質>酰胺II和羧酸>酰胺I。
04 結論
本研究探究了不同粒徑PF-MPs對AnGS影響的機理，論證了EPS在厭氧顆粒污泥捕獲PF-MPs中的重要作用，明確了EPS對PF-MPs的吸附機理與行為。研究發現，微生物和EPS能夠在PF-MPs表面黏附并積累，生物膜中微生物的高代謝活性提高了COD去除率，消耗了EPS中可生物降解的成分，導致AnGS內部微生物失去EPS的保護作用，細菌活力降低甚至死亡。此外，小粒徑的PF-MPs易被污泥捕獲，黏附在污泥表面并形成致密的EPS-MPs聚集體，堵塞空腔，阻礙傳質，導致顆粒內溶，影響污泥密度和沉降性能。明確了EPS在污泥捕獲PF-MPs過程中的作用，其中單分子層物理吸附起主要作用，EPS中蛋白質比腐殖酸更易吸附，AnGS主要通過表面多糖捕獲PF-MPs。本研究闡明了EPS與PF-MPs相互作用的基本機制，為生物處理過程中微塑料的控制提供理論指導。
原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389424028875