丁 豪,胡 凱,*,許 航,王 威,魏 磊,張 佩

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;3.河南省水文水資源局,河南鄭州 450004)

塑料污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻[1],尤其是顆粒尺寸小于5 mm的微塑料(microplastics,MPs)[2]。從赤道到兩極的海洋和沿海陸地均發(fā)現(xiàn)MPs污染[3-4],MPs可進(jìn)入食物鏈并具有生物富集效應(yīng),MPs污染成為焦點(diǎn)[5-8]。

以生化技術(shù)為主的污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生大量剩余污泥,厭氧消化是目前應(yīng)用最廣的污泥穩(wěn)定化處理技術(shù)[9-10]。研究[11-12]發(fā)現(xiàn),部分MPs對(duì)消化系統(tǒng)具有明顯的抑制作用。例如,30粒/(g SS)的聚對(duì)苯二甲酸(PET)MPs可減少10%的甲烷產(chǎn)量,100～200粒/(g SS)的聚乙烯(PE)MPs抑制了27.5%的甲烷產(chǎn)量,投加0.2 g/L的聚苯乙烯(PS)MPs導(dǎo)致發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)等[11]。同時(shí),MPs對(duì)于微生物群落整體結(jié)構(gòu)和多樣性影響較小,而對(duì)于單一功能細(xì)菌(如水解菌和產(chǎn)酸菌)豐度有顯著抑制[12]。上述研究主要針對(duì)原始MPs對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)影響的問(wèn)題,而MPs在污水處理過(guò)程中由于機(jī)械磨損以及光、熱、微生物等化學(xué)和生物的降解作用,會(huì)發(fā)生老化,引起理化性質(zhì)較大改變。老化MPs可能對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生不同的影響,對(duì)比尚缺乏研究。

橡膠輪胎在汽車(chē)行駛過(guò)程中磨損產(chǎn)生的輪胎微塑料(TMPs)是水中MPs重要來(lái)源[13-14]。TMPs是我國(guó)排放數(shù)量最多的MPs種類(lèi)(占總排放量的53.9%)[15],我國(guó)沿海省份橡膠輪胎微粒釋放量約為19萬(wàn)t/a[16]。橡膠輪胎成分復(fù)雜,主要包括橡膠(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～50%,)、填充劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～35%)、柔軟劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)、硫化劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～5%)和添加劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%)等。因此,TMPs被檢出含有鋅、銅、多環(huán)芳烴、苯并噻唑等有毒物質(zhì),TMPs濃度較高時(shí)對(duì)生物體產(chǎn)生明顯的致畸性、致突變性等亞致死毒性效應(yīng)[17]。雨水管網(wǎng)和受納水體均有檢出TMPs的報(bào)道,在合流制和分流制排水體制中,TMPs均可隨雨水進(jìn)入管網(wǎng)和污水廠(chǎng)[18],TMPs對(duì)于污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的影響亟待揭示。綜上,原始MPs對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生影響,而排水管網(wǎng)和污水處理系統(tǒng)中的MPs經(jīng)過(guò)環(huán)境老化過(guò)程,最終在剩余污泥中累積,因此,探究老化MPs對(duì)污泥厭氧發(fā)酵的影響具有重要意義。本文以TMPs為研究對(duì)象,采用化學(xué)法模擬環(huán)境老化過(guò)程,研究不同濃度的老化TMPs對(duì)剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程影響,揭示老化TMPs的毒性效應(yīng)和影響機(jī)理,為保障污泥處理工藝穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

剩余污泥取自南京市某城市污水處理廠(chǎng)二沉池,經(jīng)過(guò)濾去除大顆粒雜質(zhì),接著在4 ℃條件下重力濃縮6 h,用于厭氧發(fā)酵試驗(yàn),濃縮后污泥的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)污泥的理化性質(zhì)Tab.1 Physicochemical Properties of Test Sludge

TMPs購(gòu)于陜西某橡膠制品廠(chǎng),該廠(chǎng)以廢舊輪胎為原料,經(jīng)破碎、分選和研磨粉碎等工序制成TMPs。試驗(yàn)用的TMPs平均粒徑為107.7 μm。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 TMPs老化

模擬MPs環(huán)境老化的過(guò)程主要采用酸、紫外或臭氧等物理化學(xué)方法。通過(guò)不同老化方法的對(duì)比研究[19-20]發(fā)現(xiàn),強(qiáng)酸法在表面形態(tài)、元素和官能團(tuán)組成等方面,對(duì)TMPs和PE等MPs都具有明顯的老化效果,適宜作為自然老化的替代方法。因此,本研究采用強(qiáng)酸浸泡法模擬TMPs在污水處理過(guò)程中的老化,具體步驟如下:取20.0 g TMPs于500 mL錐形瓶,加入1 mol/L的H2SO4溶液400 mL并混勻,在150 r/min振蕩條件下老化15 d。然后分別經(jīng)過(guò)超純水清洗,0.45 μm微濾膜過(guò)濾,自然風(fēng)干,對(duì)濾膜表面截留的老化TMPs顆粒進(jìn)行掃描電鏡(SEM)和粒徑分布測(cè)試。

1.2.2 污泥厭氧發(fā)酵

采用4個(gè)體積為500 mL的血清瓶作為厭氧反應(yīng)器,頂部安裝橡膠塞并插入塑料導(dǎo)氣管,導(dǎo)氣管另一端與集氣袋連接,收集產(chǎn)生的氣體。反應(yīng)裝置如圖1所示。首先,每個(gè)反應(yīng)器中加入400 mL剩余污泥,采用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為10.0,將未投加MPs的反應(yīng)器標(biāo)記為AF-0,設(shè)置投加原始TMPs 0.2 g/(g VSS)的反應(yīng)器為AF-1,根據(jù)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)[0.002、0.020、0.200 g/(g VSS)]投加定量的老化TMPs顆粒,反應(yīng)器分別記為AF-2、AF-3、AF-4;接著,向反應(yīng)器內(nèi)通入氮?dú)庖耘懦嘤嗟目諝?并用橡膠塞密閉;最后,將反應(yīng)器置于恒溫水浴振蕩器[水溫為(35±1)℃,振蕩速度為150 r/min]中厭氧發(fā)酵8 d。發(fā)酵期間每天取樣一次,每次樣品體積約為20 mL,樣品在5 000 r/min條件下離心10 min后,取離心上清液經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾,測(cè)量樣品的揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs)、SCODCr、蛋白質(zhì)、總糖、活性氧(ROS)等濃度以及微生物酶活性,每組樣品測(cè)試分析設(shè)置3個(gè)平行。

圖1 剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸反應(yīng)器Fig.1 Anaerobic Fermentation Reactor of Excess Sludge

1.2.3 TMPs浸出液

采用與發(fā)酵試驗(yàn)相同的血清瓶作為反應(yīng)器,投加與發(fā)酵試驗(yàn)相同濃度的老化TMPs以及400 mL純水,反應(yīng)器分別記為JC-1、JC-2和JC-3,然后在恒溫水浴振蕩器中振蕩8 d,水溫為(35±1)℃,振蕩速度為150 r/min。每天取樣一次,每次取樣50 mL,測(cè)量總有機(jī)碳(TOC)濃度,每組樣品測(cè)試分析設(shè)置3個(gè)平行。

1.3 分析方法

1.3.1 VFAs的測(cè)定

采用氣相色譜法(安捷倫7890B氣相色譜儀),載氣為氮?dú)?流速為25 mL/min,分流進(jìn)樣(分流比為0.1∶1),進(jìn)樣量為0.5 μL,單個(gè)樣品測(cè)試時(shí)間約為11 min。

1.3.2 酶活性和ROS測(cè)定

通過(guò)酶活性和ROS指標(biāo)變化考察老化TMPs對(duì)污泥厭氧發(fā)酵酶和細(xì)胞活性的影響。取適量發(fā)酵污泥進(jìn)行稀釋,采用試劑盒(南京建成)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法,使用Synergy H4型酶標(biāo)儀測(cè)定蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、乙酸激酶、乳酸脫氫酶(LDH)以及ROS含量。

1.3.3 其他檢測(cè)方法

pH、SCODCr、蛋白質(zhì)、多糖、TOC等指標(biāo)參照《水和廢水檢測(cè)分析方法》(第四版)。粒徑分析采用馬爾文2000激光粒度儀,SEM采用日立S-4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和Origin 2017對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使用IBM SPSS 26.0 軟件對(duì)皮爾遜相關(guān)系數(shù)和顯著性水平P值進(jìn)行分析,若P<0.05認(rèn)為差異性顯著。

圖2 不同老化TMPs濃度下污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)pH值變化Fig.2 Variations of pH Values of Anaerobic Fermentation under Different Ageing TMPs Concentrations

2 結(jié)果與討論

2.1 老化TMPs對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中,pH變化引起生物膜電位改變,影響酶活性和新陳代謝,進(jìn)而影響發(fā)酵產(chǎn)酸性能[21]。通常,污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)適宜pH值為6.5～7.2[22]。發(fā)酵過(guò)程中,各反應(yīng)器的pH變化如圖2所示。系統(tǒng)初始pH值約為10.0,發(fā)酵前4 d,系統(tǒng)pH值快速降至6.6左右,5 d后污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)pH值趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榘l(fā)酵反應(yīng)初期,VFAs的生成使系統(tǒng)迅速酸化,然后酸性物質(zhì)產(chǎn)量下降,系統(tǒng)pH保持穩(wěn)定。由圖2可知,AF-4反應(yīng)器的pH在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中始終高于其他反應(yīng)器,表明該反應(yīng)器中酸性物質(zhì)產(chǎn)量少于其他組。

圖3 不同濃度老化TMPs下厭氧發(fā)酵系統(tǒng)(a)產(chǎn)酸量和(b)VFAs組分變化Fig.3 Variations of (a) Acid Production and (b) VFAs Component in Anaerobic Fermentation under Different Ageing TMPs Concentrations

VFAs產(chǎn)量是評(píng)價(jià)發(fā)酵系統(tǒng)效能的重要參數(shù)[23]。不同老化TMPs濃度下,發(fā)酵系統(tǒng)VFAs產(chǎn)量如圖3(a)所示。各反應(yīng)器VFAs濃度都隨著發(fā)酵時(shí)間的增加而升高;發(fā)酵前期VFAs濃度增長(zhǎng)速率較快,5 d后增加增長(zhǎng)速率減緩,濃度趨于穩(wěn)定,上述變化趨勢(shì)與系統(tǒng)pH變化相似,可見(jiàn)發(fā)酵前期pH降低主要是由于產(chǎn)生的VFAs累積。圖3(a)中,AF-4反應(yīng)器產(chǎn)酸量明顯低于其他反應(yīng)器,在發(fā)酵第5 d時(shí)AF-4反應(yīng)器產(chǎn)酸量?jī)H為1 012.9 mg CODCr/L,約為其他反應(yīng)器(AF-0、AF-1、AF-2、AF-3)產(chǎn)酸量的63.9%、65.5%、63.1%、66.0%,反應(yīng)結(jié)束時(shí)產(chǎn)酸量?jī)H為對(duì)照組AF-0和AF-1反應(yīng)器的78.5%和81.2%。由此可見(jiàn),高濃度[0.200 g/(g VSS)]的原始TMPs和低濃度[0.002、0.020 g/(g VSS)]老化TMPs對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)未造成明顯的毒害作用,但高濃度[0.200 g/(g VSS)]的老化TMPs可明顯抑制發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)酸過(guò)程。Wei等[12]發(fā)現(xiàn)低濃度PVC-MPs[10粒/(g SS)]可少量提高VFAs產(chǎn)量,但在高濃度時(shí)[20～60粒/(g SS)]顯著抑制,與TMPs表現(xiàn)一致。本研究中,在發(fā)酵前3 d內(nèi),所有反應(yīng)器中MPs都未對(duì)系統(tǒng)造成明顯的抑制作用,在第2 d和第3 d時(shí)均觀(guān)察到原始TMPs和低濃度老化TMPs可少量促進(jìn)產(chǎn)酸,可能是反應(yīng)前期發(fā)酵底物充足、功能微生物活性較高所致。隨著發(fā)酵過(guò)程不斷進(jìn)行,老化TMPs對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)酸的抑制逐漸顯現(xiàn)。

VFAs物質(zhì)組成對(duì)于后續(xù)厭氧產(chǎn)甲烷具有重要影響,以乙酸為代表的VFAs也是生物合成甲烷的主要原料[24]。第8 d時(shí)6種主要的VFAs占比變化如圖3(b)所示。各組發(fā)酵液中乙酸和丙酸占VFAs總量的80.0%以上,其他4種揮發(fā)酸(異丁酸、正丁酸、異戊酸、和正戊酸)的占比相對(duì)較小且無(wú)明顯差異。5組反應(yīng)器(AF-0、AF-1、AF-2、AF-3和AF-4)中,乙酸質(zhì)量濃度分別為1 133.3、1 111.3、1 121.9、1 123.4 mg CODCr/L和970.5 mg CODCr/L,高濃度[0.2 g/(g VSS)]原始TMPs對(duì)乙酸產(chǎn)量無(wú)明顯影響,并且AF-4反應(yīng)器的乙酸含量濃度與其他組差距較小。而5組反應(yīng)器中乙酸占比分別為59.3%、60.17%、60.2%、62.2%和64.7%,丙酸占比分別為22.9%、20.51%、21.3%、18.2%和16.4%,可見(jiàn)隨著MPs濃度增加,乙酸占比增加,丙酸占比減小。已有研究[25]發(fā)現(xiàn),投加Fe3O4可以促進(jìn)厭氧發(fā)酵定向生產(chǎn)偶數(shù)碳VFAs(乙酸和丁酸)。與此類(lèi)似,本研究中老化TMPs的存在可促進(jìn)乙酸并抑制丙酸的產(chǎn)生,影響程度隨發(fā)酵系統(tǒng)老化TMPs濃度的增加呈現(xiàn)明顯的升高趨勢(shì)。因此,一方面,高濃度[0.200 g/(g VSS)]老化TMPs抑制系統(tǒng)中總VFAs產(chǎn)量,另一方面,高濃度老化TMPs中脅迫下的產(chǎn)酸微生物更能充分利用其他VFAs作為底物高效轉(zhuǎn)化為乙酸,從而減小與其他反應(yīng)器的乙酸產(chǎn)量差距。由于上述兩種因素相互作用,老化TMPs可能對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙酸過(guò)程抑制有限。

2.2 老化TMPs對(duì)厭氧發(fā)酵水解的影響

大分子有機(jī)物水解是污泥發(fā)酵的第一階段,SCODCr濃度是考察污泥水解效率的關(guān)鍵指標(biāo)。圖4為不同老化TMPs濃度下發(fā)酵系統(tǒng)SCODCr濃度變化。各組反應(yīng)器中SCODCr均隨發(fā)酵時(shí)間而增加,第8 d時(shí),AF-0、AF-1、AF-2、AF-3和AF-4反應(yīng)器中SCODCr質(zhì)量濃度分別為2 903.3、2 808.7、2 823.1、2 662.7 mg/L和1 740.6 mg/L。整個(gè)發(fā)酵期間,投加MPs的反應(yīng)器中SCODCr濃度始終低于對(duì)照組反應(yīng)器,其中高濃度原始TMPs對(duì)SCODCr濃度抑制不顯著,而隨老化TMPs濃度增加,發(fā)酵液SCODCr呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì),例如第8 d時(shí)AF-4反應(yīng)器SCODCr濃度較AF-0、AF-1、AF-2和AF-3反應(yīng)器分別減少了40.0%、38.0%、38.3%和34.6%?？梢?jiàn),相比原始TMPs,老化TMPs可抑制與水解相關(guān)的微生物或生物酶活性。

圖4 不同濃度老化TMPs下發(fā)酵液SCODCr變化Fig.4 Variations of SCODCr under Different Ageing TMPs Concentrations

污泥發(fā)酵過(guò)程中,胞外聚合物(EPS)首先水解為蛋白質(zhì)和多糖等有機(jī)物,這些可溶性有機(jī)物繼續(xù)水解生成VFAs,是VFAs的重要產(chǎn)生途徑[26]。圖5展示了在不同濃度老化TMPs影響下,發(fā)酵液中蛋白質(zhì)和多糖濃度的變化。各反應(yīng)器中蛋白質(zhì)和多糖的濃度隨發(fā)酵時(shí)間不斷增加,并與SCODCr變化趨勢(shì)相同。第8 d時(shí),AF-1反應(yīng)器蛋白質(zhì)和多糖含量為AF-0的93.5%和96.7%,高濃度[0.200 g/(g VSS)]的原始TMPs對(duì)微生物厭氧水解過(guò)程無(wú)明顯影響;但AF-4反應(yīng)器蛋白質(zhì)和多糖含量較AF-0降低21.5%和18.6%,表明高濃度老化MPs抑制了蛋白質(zhì)和多糖的生成。Wei等[27]研究表明,投加高濃度[60粒/(g SS)]的PET會(huì)抑制厭氧發(fā)酵功能微生物對(duì)蛋白質(zhì)和多糖的水解,并且產(chǎn)酸和產(chǎn)乙酰等生化反應(yīng)過(guò)程也被抑制。結(jié)合2.1小節(jié)發(fā)酵液有機(jī)酸產(chǎn)量與乙酸占比的試驗(yàn)結(jié)果,AF-4反應(yīng)器VFAs產(chǎn)量較低的主要原因可能是厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸底物的生成步驟被抑制,發(fā)酵液中可生物利用底物(蛋白質(zhì)和多糖等)含量不足,將導(dǎo)致厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸微生物活性降低從而削弱產(chǎn)酸效果[28]。

圖5 不同濃度老化TMPs下發(fā)酵液中(a)蛋白質(zhì)和(b)多糖濃度Fig.5 Concentrations of (a)Protein and (b)Polysaccharide under Different Ageing TMPs Concentrations

2.3 老化TMPs對(duì)厭氧發(fā)酵酶活性和ROS的影響

微生物酶活性與發(fā)酵效果密切相關(guān),蛋白酶和α-葡萄糖苷酶可將大分子蛋白和多糖水解為小分子氨基酸和葡萄糖,是污泥水解過(guò)程的兩種主要酶。如圖6所示,蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的相對(duì)活性為AF-0>AF-2>AF-1>AF-3>AF-4,AF-4反應(yīng)器中蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的相對(duì)活性?xún)H為AF-0反應(yīng)器的86.3%和89.2%,表明老化TMPs抑制了發(fā)酵系統(tǒng)中水解酶的活性,使蛋白質(zhì)和多糖的水解效率降低。同時(shí),老化TMPs對(duì)于蛋白酶的抑制作用更強(qiáng),這與發(fā)酵液中蛋白質(zhì)和多糖的濃度試驗(yàn)結(jié)果(圖5)一致。乙酸激酶可催化乙酰輔酶a生成乙酸,是乙酸生成途徑的關(guān)鍵控制酶,其活性決定乙酸的生成量。與水解酶的試驗(yàn)結(jié)果相似,乙酸激酶活性隨著MPs濃度增加而減弱,AF-4反應(yīng)器乙酸激酶活性?xún)H為AF-0反應(yīng)器的83.0%。綜上,老化TMPs通過(guò)抑制水解酶、產(chǎn)酸酶等功能酶活性從而抑制厭氧發(fā)酵過(guò)程。

圖6 不同濃度老化TMPs下厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中酶相對(duì)活性和ROS水平Fig.6 Relative Enzyme Activities and ROS Levels in Anaerobic Fermentation under Different Ageing TMPs Concentrations

當(dāng)細(xì)胞膜嚴(yán)重受損時(shí),存在于細(xì)胞內(nèi)的LDH被釋放到細(xì)胞外,因此,LDH是表征微生物細(xì)胞膜完整性的重要指標(biāo)。由圖6可知,含有MPs的反應(yīng)器中,LDH的釋放量為對(duì)照組的113.1%、115.8%、121.9%、124.5%,表明老化TMPs進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng),破壞微生物細(xì)胞完整性,導(dǎo)致部分厭氧發(fā)酵微生物死亡,細(xì)胞死亡后裂解,原本只存在于細(xì)胞內(nèi)的LDH被釋放到細(xì)胞外,使得胞外LDH濃度增加,這與Zhang等[29]研究結(jié)論一致。

2.4 老化TMPs對(duì)厭氧發(fā)酵的影響機(jī)理

研究[34]表明,TMPs老化后理化性狀發(fā)生明顯變化,對(duì)環(huán)境行為產(chǎn)生較大影響。本文從表面形貌及化學(xué)物質(zhì)溶出角度,闡述老化TMPs對(duì)發(fā)酵的影響機(jī)理。

2.4.1 老化TMPs的表面形貌變化

采用SEM觀(guān)察老化前后MPs表面細(xì)微結(jié)構(gòu)的變化。如圖7所示,原始的TMPs顆粒完整,表面平滑且結(jié)構(gòu)致密;酸老化15 d后,TMPs顆粒被破壞呈破碎狀,顆粒表面粗糙,孔隙率明顯增加。同時(shí),老化后TMPs表面有較小的凸起結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)脫落的趨勢(shì),這是因?yàn)閺?qiáng)酸進(jìn)入TMPs顆粒,擴(kuò)大了顆粒內(nèi)部孔洞和縫隙等結(jié)構(gòu)缺陷,從而造成TMPs表面物質(zhì)逐層剝離脫落,內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞碎裂,整體呈現(xiàn)粉化狀態(tài)。同樣,研究人員[35]發(fā)現(xiàn),橡膠態(tài)PE在老化后也出現(xiàn)了類(lèi)似的層狀凸起和絮狀殘屑脫落現(xiàn)象。

圖7 老化前后TMPs表面形貌Fig.7 Variations of Surface Morphology of TMPs after Ageing

通過(guò)粒徑分布變化探討TMPs老化前后的顆粒粉化效果。如圖8所示,原始TMPs顆粒平均粒徑為107.7 μm,酸老化后平均粒徑降為70.9 μm,減小了約34.2%。

上述結(jié)果表明,強(qiáng)酸對(duì)TMPs顆粒表面造成明顯的破壞,碎裂為粒徑更小的顆粒,試驗(yàn)觀(guān)察到酸老化后最小粒徑約為2 μm。研究[36-37]表明,微米級(jí)別的MPs顆?？纱┩窫PS,聚集在細(xì)胞膜上造成細(xì)胞膜損傷,影響膜蛋白活性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳遞等細(xì)胞新陳代謝功能;納米級(jí)別的MPs顆粒可進(jìn)入細(xì)胞膜,改變膜結(jié)構(gòu),顯著影響分子擴(kuò)散過(guò)程,進(jìn)而影響細(xì)胞活性?？梢?jiàn),MPs粒徑越小(例如老化TMPs顆粒),對(duì)微生物影響越大,并且小粒徑MPs濃度越高,對(duì)污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的影響越大。因此,老化TMPs顆粒結(jié)構(gòu)被破壞和粉化現(xiàn)象是抑制污泥發(fā)酵系統(tǒng)的重要原因。

圖8 老化前后TMPs顆粒粒徑分布Fig.8 Variations of Original and Ageing TMPs Particle Size Distributions

2.4.2 老化TMPs中有毒物質(zhì)的溶出

MPs在水中可浸出塑料單體和添加劑等有毒物,例如聚氯乙烯(PVC)浸出液含有添加劑雙酚A(BPA),對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷階段具有明顯抑制[12]。輪胎制造時(shí)加入抗老化劑、硫化劑和活性劑等添加劑以改善產(chǎn)品性能,這些添加劑通常具有生物毒性[38]。圖9～圖10為不同濃度的老化TMPs浸出液中TOC濃度和三維熒光光譜。由圖9可知,隨著老化TMPs濃度增加,浸出液TOC濃度上升,第8 d時(shí)JC-3反應(yīng)器TOC濃度較JC-1和JC-2反應(yīng)器分別提高37.3%和30.4%,這與不同濃度老化TMPs對(duì)污泥發(fā)酵系統(tǒng)的抑制強(qiáng)弱順序一致;此外,老化TMPs有機(jī)物浸出速率較快,第1 d浸出量可達(dá)總量85%左右,這意味著浸出物對(duì)于發(fā)酵系統(tǒng)的影響貫穿整個(gè)發(fā)酵過(guò)程,并且可能存在毒性累積效應(yīng)。Capolupo等[39]研究表明,對(duì)于藻類(lèi)和貽貝,TMPs浸出液中有機(jī)物含量較高,導(dǎo)致TMPs浸出液毒性大于其他種類(lèi)MPs的浸出液。三維熒光光譜能特異性識(shí)別有機(jī)物,被廣泛運(yùn)用于溶解性有機(jī)物的檢測(cè)。由圖9可知,反應(yīng)器JC-3浸出液在激發(fā)波長(zhǎng)Ex為230 nm左右、發(fā)射波長(zhǎng)Em為350 nm左右有明顯吸收峰,并且吸收峰強(qiáng)度隨老化TMPs濃度增加而增加。這些物質(zhì)主要是由苯丙烷衍生物形成的苯丙素類(lèi)化合物[40]。研究[41]發(fā)現(xiàn),TMPs浸出液含有苯丙噻唑、多環(huán)芳烴和多種揮發(fā)性有機(jī)物,其中,苯丙噻唑和多環(huán)芳烴具有較高生物毒性。老化TMPs浸出苯并噻唑等毒性有機(jī)物也成為抑制污泥發(fā)酵系統(tǒng)的原因之一。

綜上,老化TMPs影響污泥厭氧發(fā)酵的機(jī)理如圖11所示。(1)老化TMPs的直接作用。納米級(jí)別的老化TMPs能附著細(xì)菌細(xì)胞壁上產(chǎn)生凹陷和納米孔,造成細(xì)胞膜通透性,并且在進(jìn)入細(xì)胞后改變細(xì)胞內(nèi)氧化還原循環(huán)和破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),造成微生物死亡。(2)老化TMPs的間接作用。在發(fā)酵系統(tǒng)中,苯丙噻唑等有毒有機(jī)物持續(xù)從老化TMPs浸出,影響細(xì)胞酶的活性;同時(shí)有毒物質(zhì)與老化TMPs顆粒在細(xì)胞中會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS,產(chǎn)生氧化應(yīng)激效應(yīng),從而抑制厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸。

圖10 老化TMPs浸出液三維熒光光譜Fig.10 3D Fluorescence Spectrum of Ageing TMPs Leachate

圖11 老化TMPs對(duì)發(fā)酵微生物的影響機(jī)理Fig.11 Mechanism of Influence of Ageing TMPs on Fermentation Microorganisms

3 結(jié)論

本文探討了老化TMPs對(duì)剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響,并從酶活性、顆粒表面形貌和有機(jī)物浸出等角度探究了老化TMPs的影響機(jī)理。得出結(jié)論如下。

(1)老化TMPs抑制污泥發(fā)酵產(chǎn)酸和厭氧水解過(guò)程,并且抑制程度隨老化TMPs濃度增加而增強(qiáng)。老化TMPs可能通過(guò)抑制大分子有機(jī)物水解步驟從而抑制發(fā)酵產(chǎn)酸效果。

(2)污泥發(fā)酵功能酶(蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和乙酸激酶)相對(duì)活性隨系統(tǒng)中老化TMPs濃度增加而減弱,LDH和ROS的變化趨勢(shì)則相反。

(3)老化TMPs的致毒機(jī)理包括老化后TMPs顆粒物理結(jié)構(gòu)被破壞,粒徑減小,同時(shí)浸出有毒有機(jī)物,造成微生物氧化應(yīng)激反應(yīng),細(xì)胞酶活性被抑制。