Biodegradable Microplastics Increase N2O Emission from Denitrifying Sludge More Than Conventional Microplastics 與傳統微塑料相比，可生物降解的微塑料更能增加反硝化污泥的 N2O 排放

來源：Environ. Sci. Technol. Lett. 2024, 11, 701?708


1. 摘要核心內容


核心發現：

可生物降解微塑料（BMPs）比傳統不可降解微塑料（NBMPs）更顯著抑制反硝化性能，通過加劇電子競爭和改變電子分配，導致N?O積累量增加（尤其在COD:NO?? < 4:1時）。

機制差異：

BMPs：降低反硝化菌豐度及電子傳遞與消耗系統（ETCS）關鍵基因表達，與胞外聚合物（EPS）成分改變相關。

NBMPs：通過過量產生活性氧（ROS）破壞細胞膜完整性，直接導致細胞死亡，擾亂ETCS。

環境意義：污水中的微塑料（尤其是BMPs）可能增加污水處理過程的溫室氣體排放。


2. 研究目的


比較BMPs與NBMPs對反硝化污泥的長期影響；

揭示微塑料影響N?O積累的機制（聚焦電子競爭與分配）；

評估BMPs作為“環保替代品”的實際環境風險。


3. 研究思路


長期暴露實驗：

設置3組反應器（對照、+1 mg/L BMPs、+1 mg/L NBMPs），運行4個月。

使用4種典型BMPs（PLA, PBAT, PCL, PBS）和4種NBMPs（PE, PET, PS, PVC）。

批次測試設計：

Test I：非碳限制條件（300 mg COD/L），添加不同氮氧化物組合（NO??/NO??/N?O），測定氮氧化物消耗速率與電子分配。

Test II：碳限制條件（COD負載率30–180 mg/g VSS/h），分析電子競爭強度。

Test III：不同COD:N比例（1.5:1, 3:1, 4:1），量化N?O積累（關鍵數據來源：Unisense電極）。

機制解析：

生理狀態（流式細胞術、ROS、LDH）；

EPS成分（光譜分析、FTIR）；

微生物群落（高通量測序）；

酶活性（ETS、GK、GAPDH、反硝化還原酶）；

功能基因（ETCS相關基因及金屬轉運基因）。


4. 測量數據及其意義

數據類型 來源圖表 研究意義

氮氧化物消耗速率 圖1A, 圖S1-S3 量化微塑料對反硝化速率的抑制程度（BMPs > NBMPs）。

電子分配比例 圖2A-D, 圖S15 揭示電子流向變化：BMPs使更多電子分配至Nir（而非Nos），促進N?O積累。

N?O積累動態 圖2E 證明低COD:N時BMPs顯著增加N?O排放（峰值比NBMPs高15%）。

細胞死亡率與膜損傷 圖3A-B, 圖S16 NBMPs通過ROS破壞膜完整性，BMPs無直接生物毒性。

EPS成分與污泥疏水性 圖3C-E, 圖S18-S20 BMPs降解中間產物改變EPS蛋白組成，增加疏水性，抑制底物傳遞。

酶活性抑制 圖3F-G BMPs對ETCS酶（ETS、GK、GAPDH）及反硝化還原酶的抑制更強。

功能基因表達 表S9 BMPs下調復合體I基因及Fe/Mo轉運基因，影響金屬酶活性；上調復合體III基因。

5. 核心結論


性能影響：

BMPs和NBMPs均抑制反硝化，但BMPs的抑制作用更強（電子消耗速率僅為對照的41–55%）。

N?O排放機制：

電子競爭加劇：微塑料縮小PEC-MES差值（BMPs效應更顯著）。

電子分配失衡：BMPs使電子更多流向Nir（而非Nos），減少N?O還原（圖2, S15）。

低COD:N時N?O激增：COD:N=1.5時，BMPs組N?O積累量是對照的1.44倍（圖2E）。

毒性路徑差異：

NBMPs：物理損傷為主（ROS↑→膜破裂→細胞死亡）。

BMPs：生化干擾為主（降解中間產物改變EPS→抑制菌群活性與ETCS功能）。

環境啟示：

BMPs并非“綠色替代品”，其在污水處理中促進N?O排放的風險高于NBMPs，需重新評估其全生命周期環境影響。


6. Unisense電極數據的詳細解讀

測量方法


使用Unisense微電極實時監測溶解態N?O濃度，反應器設計消除氣相干擾（無頂空）。

在Test III中持續跟蹤不同COD:N比例下的N?O動態（圖2E）。


研究意義


準確量化溶解N?O：

傳統氣相檢測可能低估N?O（部分溶解于液相），該電極直接測定液相濃度，避免低估排放風險。

揭示瞬時積累規律：

在COD:N=4:1時，僅BMPs組出現N?O峰值（0.33 mg N/L），表明BMPs在臨界條件下仍觸發N?O釋放。

COD:N=1.5:1時，BMPs組的N?O積累速率與總量均最高（圖2E），直接關聯電子分配失衡（Nir活性↑/Nos活性↓）。

機制驗證關鍵：

N?O積累動態與電子分配數據（圖2A-D）形成互證，說明BMPs通過抑制Nos的電子獲取能力導致N?O滯留。

工程指導價值：

證實COD:N>4:1可緩解微塑料引發的N?O排放（圖S1a-S3a），為優化污水處理工藝參數提供依據。


環境應用


該數據直接證明：BMPs在真實污水處理場景（常見低COD:N條件）下是潛在的N?O排放放大器，需優先管控。


總結：本研究通過多維度數據揭示了BMPs比NBMPs更易促進反硝化過程N?O排放的機制，其中Unisense電極提供的溶解N?O動態數據是關鍵證據，凸顯了“可降解”塑料的隱性環境風險。