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

来源：Environ. Sci. Technol. Lett. 2024, 11, 701−708

 

1. 摘要核心内容

 

核心发现：

可生物降解微塑料（BMPs）比传统不可降解微塑料（NBMPs）更显著抑制反硝化性能，通过加剧电子竞争和改变电子分配，导致N₂O积累量增加（尤其在COD:NO₃⁻ < 4:1时）。

机制差异：

BMPs：降低反硝化菌丰度及电子传递与消耗系统（ETCS）关键基因表达，与胞外聚合物（EPS）成分改变相关。

NBMPs：通过过量产生活性氧（ROS）破坏细胞膜完整性，直接导致细胞死亡，扰乱ETCS。

环境意义：污水中的微塑料（尤其是BMPs）可能增加污水处理过程的温室气体排放。

 

2. 研究目的

 

比较BMPs与NBMPs对反硝化污泥的长期影响；

揭示微塑料影响N₂O积累的机制（聚焦电子竞争与分配）；

评估BMPs作为“环保替代品”的实际环境风险。

 

3. 研究思路

 

长期暴露实验：

设置3组反应器（对照、+1 mg/L BMPs、+1 mg/L NBMPs），运行4个月。

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

批次测试设计：

Test I：非碳限制条件（300 mg COD/L），添加不同氮氧化物组合（NO₃⁻/NO₂⁻/N₂O），测定氮氧化物消耗速率与电子分配。

Test II：碳限制条件（COD负载率30–180 mg/g VSS/h），分析电子竞争强度。

Test III：不同COD:N比例（1.5:1, 3:1, 4:1），量化N₂O积累（关键数据来源：Unisense电极）。

机制解析：

生理状态（流式细胞术、ROS、LDH）；

EPS成分（光谱分析、FTIR）；

微生物群落（高通量测序）；

酶活性（ETS、GK、GAPDH、反硝化还原酶）；

功能基因（ETCS相关基因及金属转运基因）。

 

4. 测量数据及其意义

数据类型 来源图表 研究意义

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

电子分配比例 图2A-D, 图S15 揭示电子流向变化：BMPs使更多电子分配至Nir（而非Nos），促进N₂O积累。

N₂O积累动态 图2E 证明低COD:N时BMPs显著增加N₂O排放（峰值比NBMPs高15%）。

细胞死亡率与膜损伤 图3A-B, 图S16 NBMPs通过ROS破坏膜完整性，BMPs无直接生物毒性。

EPS成分与污泥疏水性 图3C-E, 图S18-S20 BMPs降解中间产物改变EPS蛋白组成，增加疏水性，抑制底物传递。

酶活性抑制 图3F-G BMPs对ETCS酶（ETS、GK、GAPDH）及反硝化还原酶的抑制更强。

功能基因表达 表S9 BMPs下调复合体I基因及Fe/Mo转运基因，影响金属酶活性；上调复合体III基因。

 

 

 

5. 核心结论

 

性能影响：

BMPs和NBMPs均抑制反硝化，但BMPs的抑制作用更强（电子消耗速率仅为对照的41–55%）。

N₂O排放机制：

电子竞争加剧：微塑料缩小PEC-MES差值（BMPs效应更显著）。

电子分配失衡：BMPs使电子更多流向Nir（而非Nos），减少N₂O还原（图2, S15）。

低COD:N时N₂O激增：COD:N=1.5时，BMPs组N₂O积累量是对照的1.44倍（图2E）。

毒性路径差异：

NBMPs：物理损伤为主（ROS↑→膜破裂→细胞死亡）。

BMPs：生化干扰为主（降解中间产物改变EPS→抑制菌群活性与ETCS功能）。

环境启示：

BMPs并非“绿色替代品”，其在污水处理中促进N₂O排放的风险高于NBMPs，需重新评估其全生命周期环境影响。

 

6. Unisense电极数据的详细解读

测量方法

 

使用Unisense微电极实时监测溶解态N₂O浓度，反应器设计消除气相干扰（无顶空）。

在Test III中持续跟踪不同COD:N比例下的N₂O动态（图2E）。

 

研究意义

 

准确量化溶解N₂O：

传统气相检测可能低估N₂O（部分溶解于液相），该电极直接测定液相浓度，避免低估排放风险。

揭示瞬时积累规律：

在COD:N=4:1时，仅BMPs组出现N₂O峰值（0.33 mg N/L），表明BMPs在临界条件下仍触发N₂O释放。

COD:N=1.5:1时，BMPs组的N₂O积累速率与总量均最高（图2E），直接关联电子分配失衡（Nir活性↑/Nos活性↓）。

机制验证关键：

N₂O积累动态与电子分配数据（图2A-D）形成互证，说明BMPs通过抑制Nos的电子获取能力导致N₂O滞留。

工程指导价值：

证实COD:N>4:1可缓解微塑料引发的N₂O排放（图S1a-S3a），为优化污水处理工艺参数提供依据。

 

环境应用

 

该数据直接证明：BMPs在真实污水处理场景（常见低COD:N条件）下是潜在的N₂O排放放大器，需优先管控。

 

总结：本研究通过多维度数据揭示了BMPs比NBMPs更易促进反硝化过程N₂O排放的机制，其中Unisense电极提供的溶解N₂O动态数据是关键证据，凸显了“可降解”塑料的隐性环境风险。