微塑料對(duì)污泥厭氧消化的影響和機(jī)理

劉亞利，張宏偉，康曉榮

（1 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2 南京工程學(xué)院環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 211167）

近年來(lái)，微塑料（粒徑＜5mm）作為新興污染物對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)造成危害，引起廣泛關(guān)注。通常，個(gè)人護(hù)理品、紡織品等塑料制品隨污水進(jìn)入污水處理廠，再經(jīng)過一級(jí)、二級(jí)和深度處理后，約有99%的微塑料富集到剩余污泥中。據(jù)報(bào)道，全球濕污泥中的微塑料濃度可達(dá)到400～7000 顆粒/kg。我國(guó)2020 年的剩余污泥產(chǎn)量增至6000 萬(wàn)噸，微塑料總量超過1000 億個(gè)，成為微塑料的主要來(lái)源之一。因此，有必要關(guān)注微塑料對(duì)剩余污泥處理處置過程的影響。

厭氧消化在實(shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化的同時(shí)，還能回收能源，是一項(xiàng)可持續(xù)的污泥處理技術(shù)。然而，污泥厭氧消化工藝的運(yùn)行穩(wěn)定性易受外源污染物干擾。如高濃度的抗生素、重金屬和藥物可導(dǎo)致污泥厭氧消化性能降低，甚至失效。研究發(fā)現(xiàn)，微塑料及其浸出物濃度達(dá)到一定程度也會(huì)抑制污泥厭氧產(chǎn)甲烷過程。特別是，微塑料具有較大的比表面積和較強(qiáng)的疏水性能，可作為其他污染物的載體并與其他污染物協(xié)同干擾或抑制污泥厭氧產(chǎn)甲烷過程。

因此，本文概述了污泥中微塑料的來(lái)源和性質(zhì)，并重點(diǎn)總結(jié)了聚苯乙烯（polystyrene，PS）、聚酰胺6（polyamide 6，PA6）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）、聚乙烯（polyethene，PE）等微塑料對(duì)污泥水解、酸化、產(chǎn)甲烷等階段的影響。同時(shí)，從細(xì)胞結(jié)構(gòu)、酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)等角度，詳細(xì)闡述了微塑料影響污泥厭氧消化的機(jī)理。此外，本文在總結(jié)現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了有待深入研究的幾點(diǎn)建議。

1 污泥中微塑料的來(lái)源和性質(zhì)

1.1 污泥中微塑料的來(lái)源

污水處理廠進(jìn)水中的微塑料主要源于工業(yè)廢水、生活污水和雨水徑流。如圖1 所示，洗滌用品、個(gè)人護(hù)理品和紡織品等塑料是生活污水的主要來(lái)源。地毯、氣囊、繩索和漁具等生產(chǎn)過程中排放的聚丙烯（polypropylene，PP）、尼龍和PE 等工業(yè)廢水也是微塑料的一個(gè)重要來(lái)源。橡膠輪胎磨損產(chǎn)生的微塑料隨雨水徑流進(jìn)入污水處理廠，屬于次要來(lái)源。

圖1 污水中微塑料的來(lái)源及其在污水廠的歸宿

微塑料隨污水進(jìn)入污水處理廠后，一般要經(jīng)過一級(jí)、二級(jí)和深度處理再排入水體。一級(jí)處理主要包括篩分、沉砂池和初沉池，能夠去除高達(dá)98%的微塑料。二級(jí)處理主要是利用微生物的胞外聚合物（EPS）捕獲微塑料并通過微生物降解之。然而，即使生物處理池污泥濃度很高時(shí)，二級(jí)處理也只能去除污水廠進(jìn)水中0.4%的微塑料。生物處理池對(duì)微塑料的去除效果與水力停留時(shí)間、反應(yīng)器類型、微塑料粒徑、是否添加絮凝劑等因素有關(guān)。深度處理主要包括混凝、沉淀、過濾、消毒、反硝化曝氣生物濾池、膜生物反應(yīng)器和高級(jí)氧化等技術(shù)，大約能去除進(jìn)水微塑料的0.6%?？傮w來(lái)說，經(jīng)污水處理廠處理后，出水中的微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%左右，大概99%的微塑料進(jìn)入污泥。

1.2 污泥中微塑料的濃度

微塑料濃度嚴(yán)重影響污泥厭氧消化效能，因此有必要對(duì)不同地區(qū)、不同類型污泥中的微塑料濃度進(jìn)行歸納總結(jié)（表1）。一般來(lái)說，濕污泥中的微塑料濃度為7 顆粒/g，干污泥中的微塑料濃度為1.5～170顆粒/g。污泥中微塑料的濃度受地域影響顯著，如我國(guó)11 個(gè)省市污水處理廠干污泥中的微塑料濃度為1.60～56.4 顆粒/g，歐洲和美國(guó)的污泥微塑料含量略低于我國(guó)。我國(guó)東部地區(qū)的污泥微塑料濃度高于西部地區(qū)，內(nèi)陸寒冷地區(qū)高于南方沿海城市。此外，不同類型污泥中的微塑料濃度也存在較大差異。剩余污泥、回流污泥、消化污泥和脫水污泥中均含有微塑料，且消化污泥中微塑料的濃度約為剩余污泥的5倍。造成污泥中微塑料濃度變化的主要因素如下：①污水處理工藝可能引起污泥微塑料濃度的變化，三級(jí)處理后的污泥微塑料濃度相對(duì)較高；②季節(jié)影響，雨季時(shí)污泥微塑料數(shù)量會(huì)增加；③基礎(chǔ)設(shè)施完善和工業(yè)發(fā)展發(fā)達(dá)均造成污泥微塑料濃度升高。

表1 不同類型污泥中微塑料濃度

1.3 污泥中微塑料的形態(tài)和組分

污泥中的微塑料主要以碎片、微珠、微纖維、薄膜、泡沫和不規(guī)則形態(tài)存在，其中微纖維形態(tài)占85.92%，其他形態(tài)占14.08%。微塑料的形態(tài)受地域影響較大。美國(guó)、加拿大、蘇格蘭和韓國(guó)污泥中的微塑料以碎片和纖維形態(tài)為主，比利時(shí)、法國(guó)、芬蘭和瑞典則以顆粒為主。我國(guó)剩余污泥中纖維形態(tài)微塑料含量達(dá)到63%，然后是桿狀物（15%）、薄膜（14%）、薄片（7.3%）和球體（1.3%）。

微塑料是指直徑＜5mm 的塑料碎片和顆粒。污泥中纖維形態(tài)的微塑料平均粒徑為（1110.72±862.95）μm，其他形態(tài)的微塑料平均粒徑為（681.46±528.73）μm，個(gè)人護(hù)理品微珠的粒徑為0.1～0.5mm?？傮w來(lái)說，污泥中粒徑＜0.05mm的微塑料占主導(dǎo)地位，而粒徑＞0.1mm 的顆粒較少，最常見的粒徑為25μm、100μm和500μm。然而，也有研究認(rèn)為污泥中＞0.5mm的微塑料數(shù)量在逐漸增多。

微塑料成分方面，個(gè)人護(hù)理品主要由PE和PS制成，洗面奶和沐浴露的主要成分是PE、酰化物和PP，聚酯（PES）和PA 是紡織品的主要成分，這些主要來(lái)源于生活污水。因此，污水處理廠進(jìn)水或出水中最常檢測(cè)到的微塑料是PES、PE、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）和PA，其含量分別為28%～89%、4%～51%、4%～35%和3%～30%。

2 微塑料對(duì)污泥厭氧消化的影響

污泥厭氧消化是一個(gè)復(fù)雜的生化過程，包括水解、酸化、產(chǎn)甲烷三階段。微塑料對(duì)污泥厭氧消化過程的影響受其種類、濃度和粒徑、反應(yīng)器類型和運(yùn)行方式，以及污泥組分等多種因素影響。如表2所示，低濃度的微塑料未對(duì)產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)生不利影響，但高濃度的微塑料明顯抑制甲烷生成，且抑制程度與微塑料濃度呈正相關(guān)關(guān)系。以PVC 為例，低濃度（10 顆粒/gTS） 略微提高了甲烷產(chǎn)量（5.9%），而高濃度（20～60 顆粒/gTS）導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量降低75.8%～90.6%。這是因?yàn)楦邼舛萈VC 浸出雙酚A（BPA，3.6μg/L）使得sp.的豐度降低了16.5%，進(jìn)而改變了產(chǎn)甲烷群落結(jié)構(gòu)。與PVC類似，低濃度PE（≤60顆粒/gTS）不會(huì)顯著影響甲烷產(chǎn)量，但高濃度PE（200顆粒/gTS）造成甲烷產(chǎn)量降低27.5%。同樣，鄰苯二甲酸二乙基己酯（DEHP）先增加了產(chǎn)甲烷菌的豐度，而后抑制產(chǎn)甲烷菌活性，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量先增加后降低。不同的是，高濃度的PA6（50 顆粒/gTS）仍能促進(jìn)甲烷生成，只是其促進(jìn)效果較低濃度（10顆粒/gTS）有所下降，這主要與PA6釋放的已內(nèi)酰胺（CPL）提高關(guān)鍵酶F420 的活性密切相關(guān)。然而，微塑料及其浸出物對(duì)乙酸型產(chǎn)甲烷菌和氫型產(chǎn)甲烷的直接影響尚不明確。

表2 微塑料對(duì)剩余污泥厭氧消化各階段的影響

此外，除對(duì)環(huán)境敏感的產(chǎn)甲烷階段外，微塑料還會(huì)對(duì)溶胞、水解和酸化過程產(chǎn)生影響。對(duì)溶胞過程來(lái)說，60顆粒/gTS的PVC可使揮發(fā)性固體（VS）從32.1%減少到22.9%，10 顆粒/gTS 的PA6 使得VS 比對(duì)照實(shí)驗(yàn)增加了約32%，而≤60 顆粒/gTS 的PE 對(duì)VS 基本沒有影響。對(duì)污泥水解過程而言，0.25g/L 的PS 抑制了葡萄糖的降解，PE 的劑量對(duì)葡萄糖降解則無(wú)顯著差異。Chen 等對(duì)比研究PA6 存在與否對(duì)溶解性化學(xué)需氧量（COD）、蛋白質(zhì)和碳水化合物濃度的影響發(fā)現(xiàn)，PA6未對(duì)污泥水解過程產(chǎn)生影響。張靜靜等也發(fā)現(xiàn)暴露于PS 納米顆粒后，pH、短鏈脂肪酸（SCFAs）和氨氮未發(fā)生明顯變化。但是，在pH 7.0～7.2條件下，20～60顆粒/gTS 的PVC 通過浸出1.8～3.6μg/L 的BPA 降低了蛋白酶活性，進(jìn)而抑制污泥水解。也有研究認(rèn)為，直接添加20mg/L 的BPA 進(jìn)入pH 為7.4 的厭氧系統(tǒng)，能夠降低α-淀粉酶和脂肪酶的活性、抑制污泥水解。相反，在堿性條件（pH 10）下，添加50mg/kgTS的BPA可促進(jìn)蛋白質(zhì)水解，但未影響糖類水解。在pH 10 的發(fā)酵環(huán)境中，PET 微塑料浸出的有毒鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）造成水解菌sp.減少了23.8%，直接抑制了蛋白質(zhì)和碳水化合物的水解?？傮w來(lái)說，微塑料及其浸出物對(duì)碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的水解影響存在差異，主要受水解條件、微塑料種類和劑量影響。

對(duì)于污泥酸化階段，微塑料對(duì)污泥酸化過程的影響主要取決于微塑料的劑量、種類與產(chǎn)乙酸菌的反應(yīng)。低濃度的PVC（10顆粒/gTS）可使SCFAs產(chǎn)量提高4.9%，但當(dāng)PVC從20顆粒/gTS增加到60顆粒/gTS，相應(yīng)的SCFAs產(chǎn)量從6.9%下降至16.8%。因?yàn)楦邼舛萈VC 浸出的BPA 降低了產(chǎn)酸菌sp.和sp.的豐度、抑制了乙酸激酶（AK）的酶活性。同樣的，PS≥10g/L、PE（100～200 顆粒/gTS）和PET（10～60 顆粒/gTS）均對(duì)SCFAs 的生成產(chǎn)生抑制，而10 顆粒/gTS 的PA6 可使SCFAs 產(chǎn)量增加23.5%。張靜靜等發(fā)現(xiàn)PS 納米顆粒降低SCFAs 總量的同時(shí)卻增加丙酸濃度。這是因?yàn)楦邼舛萈E 使得產(chǎn)乙酸菌的豐度下降24.1%，PET 微塑料中浸出的DBP 降低sp.和sp.的豐度。不同的是，在污泥堿性（pH 10）厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，添加50mg/kgTS的BPA可增加sp.和的豐度，進(jìn)而使SCFAs產(chǎn)量提高30%。5～50 顆粒/gTS 的PA6 浸出的CPL（18.1～20.6mg/L）可增強(qiáng)AK 和丁酸激酶（BK）的活性。總體來(lái)說，SCFAs 產(chǎn)量的提高主要?dú)w因于乙酸產(chǎn)量的增加，這說明微塑料及其浸出物主要影響產(chǎn)乙酸的反應(yīng)而不是同型產(chǎn)乙酸反應(yīng)。

其次，微塑料性質(zhì)是影響污泥厭氧消化的另一個(gè)重要參數(shù)。在相同PS 濃度（0.25g/L）下，5μm微塑料對(duì)產(chǎn)甲烷過程的抑制作用比80nm顆粒更強(qiáng)，且5μm 的PS 還能夠抑制酸化反應(yīng)。與陰離子PS納米粒子相比（100μg/mL），陽(yáng)離子PS納米粒子與污泥EPS的靜電吸附作用更強(qiáng)，更容易破壞污泥結(jié)構(gòu)，可在較低濃度（20μg/mL）下大幅降低甲烷產(chǎn)量。此外，微塑料對(duì)厭氧消化的影響還與反應(yīng)器類型和運(yùn)行方式有關(guān)。Wei等研究PVC對(duì)污泥厭氧消化的短期影響發(fā)現(xiàn)，高濃度PVC（100～200顆粒/gTS）下，水解率和甲烷產(chǎn)量分別降低15%和27.5%，而連續(xù)厭氧消化過程中200 顆粒/gTS 的抑制性作用最強(qiáng)，甲烷產(chǎn)量減少了28.8%，Wei 等還對(duì)比研究了不同運(yùn)行方式下，200 顆粒/gTS 的PVC對(duì)污泥溶胞的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)過程中污泥VS 的去除率（27.3%）略高于短期批次實(shí)驗(yàn)。江曉影等發(fā)現(xiàn)0.002～0.2g/gVS的PP對(duì)污泥厭氧產(chǎn)甲烷具有促進(jìn)作用，而Pittura等則認(rèn)為中試規(guī)模的上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器在連續(xù)操作模式下，PP 濃度增加到50 顆粒/gTS 時(shí)抑制58%產(chǎn)甲烷活性。這些主要?dú)w因于微塑料在厭氧系統(tǒng)中的累積。除此之外，直接添加PE、PET、PS和PP 到厭氧消化系統(tǒng)對(duì)污泥溶解沒有影響，但明顯抑制了水解酸化過程，且其抑制作用遠(yuǎn)高于間接添加。

再次，已有研究證明微塑料能夠吸附抗生素和重金屬，并通過協(xié)同作用增強(qiáng)對(duì)微生物的抑制。比如，Pd 摻雜的PS 納米塑料導(dǎo)致甲烷的產(chǎn)量降低14.29%；MPs-環(huán)丙沙星共存不僅造成厭氧降解效率降低，還使抗生素污染更加持久和嚴(yán)重。然而，與單獨(dú)PVC 相比，在3.0mg/gTS 陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（cPAM）和PVC 共存的長(zhǎng)期運(yùn)行反應(yīng)器中，甲烷的抑制程度從15.6%恢復(fù)至5.8%，相應(yīng)的甲烷產(chǎn)量從70.3mL/d提高至83.0mL/d。因此，微塑料與抗生素、重金屬、絮凝劑等其他污染物一起富集到污泥中，可能對(duì)污泥厭氧消化過程產(chǎn)生威脅，也可能促進(jìn)甲烷產(chǎn)生。然而，污泥中多組分污染物對(duì)厭氧消化的協(xié)同/抑制機(jī)理仍有待進(jìn)一步深入。

3 微塑料影響污泥厭氧消化機(jī)理

3.1 微塑料對(duì)細(xì)胞的破壞作用

微塑料對(duì)微生物細(xì)胞的破壞作用主要包括直接作用和間接作用兩個(gè)方面，如圖2所示。直接作用主要包括微塑料顆粒直接穿透細(xì)胞膜抑制細(xì)胞代謝功能，以及微塑料顆粒與EPS發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。間接作用主要指微塑料浸出單體對(duì)細(xì)胞的毒害作用，以及由微塑料及其浸出物誘導(dǎo)產(chǎn)生的催化活性氧（reactive oxygen species，ROS）對(duì)細(xì)胞的氧化作用。具體作用機(jī)理闡述如下。

圖2 微塑料對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理

3.1.1 直接穿透細(xì)胞膜

純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和掃描電子顯微鏡（SEM）已經(jīng)證明并觀察到納米塑料附著在產(chǎn)氫桿菌上導(dǎo)致細(xì)胞壁凹陷，同時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜上出現(xiàn)了大量的納米孔。結(jié)合納米粒子的分子毒理學(xué)分析，附著在細(xì)胞膜上的納米粒子可能會(huì)引起細(xì)胞質(zhì)膜通透性和氧化還原循環(huán)的改變，甚至在細(xì)胞內(nèi)積累進(jìn)一步干擾DNA 和蛋白質(zhì)合成。此外，納米塑料顆粒還可以通過生物聚合物鏈之間的間隙穿透微生物細(xì)胞膜，并對(duì)蛋白質(zhì)和磷脂造成損害。通過分析未知溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）、磷脂和核酸等指標(biāo)的變化，推斷PVC 能夠造成微生物細(xì)胞破裂并釋放脂質(zhì)和核酸。然而，用SEM分析混合培養(yǎng)體系中的納米PS、污水污泥和微生物之間的相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，暴露于PS 納米顆粒對(duì)污泥結(jié)構(gòu)沒有明顯影響，說明微塑料不能夠破壞污泥結(jié)構(gòu)并釋放溶解性有機(jī)底物。因此，在污泥厭氧發(fā)酵體系中，需要進(jìn)一步評(píng)估微塑料顆粒對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)、水解酸化菌和產(chǎn)甲烷菌的破壞作用機(jī)理。

3.1.2 與EPS的作用

在污泥厭氧消化系統(tǒng)中，EPS主要由微生物分泌的高分子聚合物和細(xì)胞裂解產(chǎn)生的高分子聚合物構(gòu)成。EPS中含有大量的羧基、羥基、磷酸、巰基和酚等官能團(tuán)，能與微塑料發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，進(jìn)而破壞EPS和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，影響某些基因的表達(dá)。Feng等實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，即使在短期暴露下（210h），功能化的PS 納米顆粒能夠穿透厭氧顆粒污泥并改變EPS的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)。此外，EPS通常帶負(fù)電荷，更容易與陽(yáng)離子PS納米顆粒相結(jié)合，導(dǎo)致PS的抑制能力更強(qiáng)。在長(zhǎng)期暴露條件下（86 天），PS 納米顆粒從污泥顆粒的外層轉(zhuǎn)移到內(nèi)層，減少了EPS的產(chǎn)生，導(dǎo)致UASB反應(yīng)器中的污泥顆粒減小。

3.1.3 誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS

在有氧條件下，PE和PS微塑料顆粒上的電子供體活性位點(diǎn)與滯留在厭氧反應(yīng)器中的分子氧（O）之間發(fā)生催化反應(yīng)，促進(jìn)超氧化物和過氧化氫等ROS產(chǎn)生，導(dǎo)致微生物細(xì)胞喪失活性。即使在厭氧條件下，亞微摩爾氧也可以通過歧化反應(yīng)和芬頓反應(yīng)與微塑料表面的活性位點(diǎn)反應(yīng)產(chǎn)生ROS。一般來(lái)說，微塑料的粒徑越小，比表面積越大，與微生物細(xì)胞接觸的機(jī)會(huì)越多，產(chǎn)生的ROS隨之增多。此外，ROS的產(chǎn)生還與微塑料濃度密切相關(guān)。如低濃度PE 條件下未觀察到明顯的ROS變化，但高濃度PE 下ROS 顯著增加。值得注意的是，污泥脫水所用的cPAM與微塑料表面具有較高的親和力，可降低微塑料與厭氧微生物之間的范德華力，降低微塑料誘導(dǎo)ROS 產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，從而減輕微塑料對(duì)污泥厭氧消化的不利影響。

3.1.4 浸出物的影響

不同的微塑料由不同的聚合物單體和添加劑制成，且大多數(shù)微塑料添加劑不與塑料聚合物共價(jià)結(jié)合，很容易被釋放。因此，微塑料的浸出副產(chǎn)物對(duì)污泥厭氧消化過程的影響至關(guān)重要。PVC主要通過浸出有毒添加劑BPA 影響污泥厭氧產(chǎn)甲烷過程，浸出量與PVC 濃度有關(guān)。隨著BPA 釋放量的增加，污泥中越來(lái)越多的微生物細(xì)胞壁和EPS溶解釋放。然而，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)深入了解BPA抑制產(chǎn)甲烷的直接作用機(jī)理。微塑料PET釋放有毒的聚合物單體DBP 的同時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS，降低氫氣（H）產(chǎn)量。與PVC 和PET 不同的是，PA6浸出副產(chǎn)物CPL能與酶分子結(jié)合，改變酶的活性位點(diǎn)和構(gòu)象，進(jìn)而提高關(guān)鍵酶活性并改善酸化和產(chǎn)甲烷過程。然而，高濃度的CPL可能占據(jù)酶的活性中心，削弱酶的促進(jìn)作用，限制甲烷提高幅度。此外，浸出的化學(xué)物質(zhì)的毒性不是絕對(duì)的，其抑制閾值和去除效率受厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行條件影響，有必要進(jìn)行系統(tǒng)研究。

3.2 微塑料對(duì)關(guān)鍵酶活性的影響

蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、AK、BK 和F420 是參與污泥厭氧消化的關(guān)鍵酶。如圖3所示，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶是胞外水解酶，可將蛋白質(zhì)和多糖等復(fù)雜有機(jī)物水解為氨基酸和單糖等小分子；AK 催化乙酰輔酶a 轉(zhuǎn)化為乙酸，BK 則將氨基酸轉(zhuǎn)化為SCFAs；而后，乙酸在F420的作用下轉(zhuǎn)化為甲烷。因此，有必要總結(jié)微塑料對(duì)這幾種關(guān)鍵酶活性的影響。PVC 對(duì)蛋白酶和AK 的影響與濃度密切相關(guān)，當(dāng)PVC 達(dá)到60 顆粒/gTS 時(shí)，蛋白酶、AK 和F420 的活性顯著降低。單獨(dú)PES 可使AK 活性降低21.42%，但當(dāng)其與抗生素中間體2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）共存時(shí)，AK 活性降低334.64%，輔酶F420的活性受抑制更為明顯。不同的是，PA6增強(qiáng)了蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、AK、BK和F420酶活性，并通過調(diào)節(jié)AK和BK的活性影響酸化過程。此外，Chen等還發(fā)現(xiàn)PA6浸出的高濃度CPL 會(huì)占據(jù)蛋白酶、BK 和F420 的活性中心，從而削弱了酶促甲烷作用。

圖3 微塑料對(duì)污泥厭氧消化關(guān)鍵酶的影響

在一定的氧化應(yīng)激下，細(xì)胞能夠分泌抗氧化酶來(lái)介導(dǎo)氧化應(yīng)激，維持氧化還原平衡。然而，過度的氧化應(yīng)激會(huì)破壞細(xì)胞氧化還原平衡，降低厭氧微生物的細(xì)胞活性。微塑料顆粒穿透進(jìn)入細(xì)胞會(huì)提高污泥厭氧消化的氧化應(yīng)激，從而對(duì)微生物造成氧化損傷。Wei 等發(fā)現(xiàn)從PS納米顆粒中浸出的十二烷基硫酸鈉（SDS）抑制了超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性，從而降低了產(chǎn)甲烷菌對(duì)ROS 的應(yīng)激抵抗力。此外，F(xiàn)eng 等認(rèn)為PS 通過降低甲基輔酶m 還原酶（mcrA） 和乙酰輔酶a 合成酶（ACAS）的活性，抑制產(chǎn)甲烷過程。

3.3 微塑料對(duì)微生物群落的影響

污泥厭氧消化過程由水解酸化菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌共同協(xié)作完成。掌握微塑料對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的積極和消極影響，對(duì)于污泥代謝至關(guān)重要?？傮w來(lái)說，PE、PVC、PS 等單一微塑料對(duì)水解酸化菌的結(jié)構(gòu)和多樣性影響不大，但對(duì)其總量和豐度產(chǎn)生顯著影響。比如，長(zhǎng)期暴露在200顆粒/gTS的PE 環(huán) 境 中，、、和的豐度分別降低了5.2%、24.1%、28.2%和19.41%。與PE 不同的是，在PVC （60 顆 粒/gTS） 反 應(yīng) 器 中，、和的豐度降低。Fu 等也發(fā)現(xiàn)不同水解酸化菌對(duì)PS（0～0.2g/L）有不同的耐受性，、和的相對(duì)豐度明顯下降，而、、和的相對(duì)豐度明顯增 加。PET 除 減 少 了、s 和Bacteroidetes 等發(fā)酵菌的豐度，還降低了產(chǎn)氫菌的豐度。此外，將PE、PET、PS、PP 四種微塑料同時(shí)加入?yún)捬跸磻?yīng)器，降低了水解菌sp.、產(chǎn)酸菌sp.和12 的豐度。PVC 和金霉素（TC）共存顯著影響微生物群落，隨著TC 的增加，減少、增加。更嚴(yán)重的是，PES和2,4-DCP的共存導(dǎo)致微生物群落的多樣性和豐度均下降。

產(chǎn)甲烷菌對(duì)環(huán)境更為敏感，微塑料對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生嚴(yán)重毒害，改變產(chǎn)甲烷菌群結(jié)構(gòu)和豐度。總體來(lái)說，微塑料[0.5g/L 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、300顆粒/L的PET和60顆粒/gTS的PVC]降低了乙酸型產(chǎn)甲烷菌和氫型產(chǎn)甲烷菌的豐度。同樣地，200顆粒/g的PE導(dǎo)致甲烷菌總量降低，但（乙酸型產(chǎn)甲烷菌）仍占主導(dǎo)地位，未改變產(chǎn)甲烷途徑。不同的是，0.5g/L 的PVC 增加了和豐度。此外，重金屬或抗生素的共存導(dǎo)致甲烷菌間的競(jìng)爭(zhēng)更為激烈，不僅改變了產(chǎn)甲烷菌的豐度和結(jié)構(gòu)，甚至使其代謝途徑發(fā)生根本改變。

4 展望

（1）工藝方面 近年來(lái)，微塑料顆粒對(duì)污泥厭氧消化的研究主要集中在微塑料劑量、理化性質(zhì)（粒徑、表面積、組成、表面電荷）、以及浸出副產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)甲烷潛力的表觀影響方面，相關(guān)的研究機(jī)理主要通過額外添加微塑料或純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)得到。實(shí)際上，在污泥厭氧消化這個(gè)復(fù)雜的體系中，微塑料可能被污泥EPS吸附，也可能吸附其他污染物，甚至被厭氧微生物降解，其劑量和理化性質(zhì)隨厭氧消化過程在不斷變化，所以僅研究微塑料初始劑量和性質(zhì)與表觀產(chǎn)甲烷性能之間的關(guān)系是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要跟蹤研究微塑料的動(dòng)態(tài)變化過程及其對(duì)產(chǎn)甲烷的影響。此外，微塑料對(duì)污泥產(chǎn)甲烷效能的影響還取決于厭氧消化條件（如預(yù)處理方法、溫度、pH、污泥類型、暴露時(shí)間、反應(yīng)器類型和運(yùn)行方式等），開展系統(tǒng)研究來(lái)獲取一系列的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)于采取措施消除或恢復(fù)微塑料對(duì)厭氧消化的負(fù)面影響，維持污泥厭氧消化系統(tǒng)的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。

（2）機(jī)理方面 微塑料對(duì)污泥溶胞作用機(jī)理主要是通過先前的純培養(yǎng)或單一底物實(shí)驗(yàn)以及COD、核酸或DNA 等指標(biāo)的變化來(lái)推理得到，缺乏直接的證據(jù)。眾所周知，污泥是一個(gè)由EPS包裹的絮體結(jié)構(gòu)，除微生物細(xì)胞內(nèi)，EPS 中也含有核酸DNA等特征物質(zhì)，同時(shí)，微塑料可能與EPS發(fā)生吸附或絮凝作用使其粒徑超過了細(xì)胞膜孔徑大小，無(wú)法穿透細(xì)胞膜。因此，有必要深入研究微塑料與EPS、細(xì)胞膜之間的具體作用形式，通過示蹤分析等技術(shù)來(lái)確定微塑料是否能直接破壞EPS或細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。

目前，微塑料對(duì)污泥水解、酸化、產(chǎn)甲烷各階段的作用機(jī)理主要通過五種關(guān)鍵酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)變化來(lái)開展研究的。雖然五種關(guān)鍵酶活性能粗略地判斷微塑料對(duì)水解、酸化和產(chǎn)甲烷某個(gè)階段的抑制，但對(duì)具體的產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷途徑的影響，還需要進(jìn)一步深入研究其他特異酶活性。如輔酶F420 無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估參與污泥厭氧消化主要產(chǎn)甲烷途徑的乙酸型產(chǎn)甲烷的活性，需要深入分析輔因子F430 等其他標(biāo)志物的變化。同樣地，某種典型微塑料對(duì)微生物的毒害是無(wú)特異性的，無(wú)法揭示微塑料及其浸出物影響特定厭氧消化產(chǎn)物（H、SCFAs 或CH）的普遍規(guī)則，造成這種差異性的原因和機(jī)理尚不清楚，需進(jìn)一步研究微塑料對(duì)特征微生物的影響機(jī)制。

（3）協(xié)同作用方面 污泥是污水處理的副產(chǎn)物，其中含有重金屬、藥物等多種復(fù)雜有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，這些物質(zhì)與微塑料的相互作用，可能對(duì)污泥厭氧消化過程產(chǎn)生累加的影響。已有研究證明微塑料與其他有害物質(zhì)協(xié)同作用對(duì)污泥厭氧消化的毒性比單一作用更強(qiáng)烈，但是大多數(shù)研究都集中在微塑料對(duì)厭氧消化的負(fù)面影響方面，事實(shí)上，微塑料與重金屬、抗生素等污染物結(jié)合或吸附，可能對(duì)系統(tǒng)具有積極作用，需要全面深入研究其他物質(zhì)與微塑料顆粒的協(xié)同/抑制對(duì)污泥厭氧消化的作用和機(jī)理。

5 結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)、生活中的微塑料隨污水進(jìn)入污水處理廠，經(jīng)一系列的物理、化學(xué)和生物處理后，99%以上的微塑料在污泥中富集，并對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)生影響。本文總結(jié)了微塑料的種類、粒徑和濃度對(duì)微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、群落構(gòu)成以及關(guān)鍵酶活性的抑制/促進(jìn)影響，進(jìn)而闡明了其影響污泥溶胞、水解、酸化和產(chǎn)甲烷的機(jī)理。此外，本文指出應(yīng)開展長(zhǎng)期連續(xù)的工程實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究預(yù)處理技術(shù)、厭氧消化條件、污泥類型、反應(yīng)器類型等因素對(duì)污泥中微塑料的動(dòng)態(tài)降解過程，確定微塑料及其浸出物影響污泥厭氧消化的規(guī)律；利用示蹤分析、輔因子F430、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷特征微生物群落分析等進(jìn)一步探討微塑料抑制污泥厭氧消化的作用機(jī)制；深入研究微塑料與污泥中重金屬、抗生素等其他污染物的作用，及其對(duì)污泥厭氧消化的協(xié)同/抑制機(jī)理，以便采取措施消除或恢復(fù)微塑料對(duì)厭氧消化的負(fù)面影響，維持污泥厭氧消化系統(tǒng)的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性。