Size-dependent effects of polystyrene microplastics on anaerobic digestion performance of food waste: Focusing on oxidative stress, microbial community, key metabolic functions


论文标题:Size-dependent effects of polystyrene microplastics on anaerobic digestion performance of food waste: Focusing on oxidative stress, microbial community, key metabolic functions

论文作者:Ye Li, Xunan Li, Panliang Wang, Yinglong Su, Bing Xie *

文章简介:

厌氧消化(AD)已被公认为目前餐厨垃圾(FW)的主流处理工艺。但AD是一个复杂的生化过程,涉及多种厌氧功能微生物共同作用,工艺本身稳定性差,易受不利因素影响。作为一种新兴的污染物,FW中的微塑料(MPs)通常被认为具有生物毒性,可能会对消化过程中的功能微生物群落产生不利影响,给AD系统的运行带来新的挑战。值得注意的是,塑料颗粒的大小可能会影响其与功能微生物细胞的潜在接触面积,这将对AD性能产生不同的影响。然而,很少有研究探讨不同粒径的MPsAD过程的影响,尤其是在高有机质含量的FW处理过程中。另外,不同粒径微塑料暴露对厌氧消化性能的潜在作用机制仍不清楚。基于此,本研究选取了三种PS MPs颗粒尺寸(1 mm100 µm1 µm)模拟添加到FWAD体系中,主要目的是:1)评价不同粒径PS MPs暴露对AD性能的潜在影响;2)通过氧化应激、功能微生物、关键酶活性和厌氧功能基因对不同粒径的MPs压力的响应,揭示PS MPs影响甲烷产生的机制。本研究扩大了对MPs暴露于FW AD系统的潜在风险和影响机制的深入认识。

研究结果表明,PS MPs暴露延长了甲烷产生的滞后期,并抑制了FW厌氧消化期间的甲烷产量,且粒径越小或剂量越高对甲烷产量的抑制作用越强。理化指标分析表明,小粒径的MPs延长了有机质的水解,削弱了挥发性脂肪酸(VFAs)的微生物代谢能力,与厌氧消化期间的关键功能微生物(例如SynergistetesProteiniphilumMethanosarcina)的丰度下降相一致,这可能是由于MPs诱导的活性氧(ROS)对微生物造成显著细胞压力,产生长期细胞毒性,导致细胞膜损伤和更多的乳酸脱氢酶(LDH)释放。此外,MPs(特别是小粒径MPs)降低了关键酶(α-葡萄糖苷酶、蛋白酶、乙酸激酶AK和辅酶F420)的活性和厌氧功能基因(FTHFSmcrAACAS)的丰度,这可能会对水解、乙酸化和甲烷化过程(尤其乙酰碎屑产甲烷途径)产生不利影响,从而抑制厌氧消化的整体性能。总体而言,这些结果为PS MPsAD性能的粒径影响效应提供了新的见解。

全文链接地址https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129493

该论文发表在SCI一区刊物Journal of Hazardous Materials(影响因子:14.224)。我院2020级环境工程硕士研究生李烨为第一作者,谢冰教授为通讯作者。