Азот является одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды в сточных водах, источником которого являются бытовые сточные воды, промышленные стоки, сточные воды животноводческих хозяйств и другие. Чрезмерный выброс азота может привести к серьезным проблемам, таким как гипоксия воды, почернение и появление неприятного запаха, а также эвтрофикация. Использование микробных технологий является одним из наиболее экономичных и эффективных подходов к решению проблемы азотного загрязнения. Традиционный биологический процесс удаления азота, являющийся ключевой технологией в очистке сточных вод, использует аммонийокисляющие бактерии (АОБ), нитритокисляющие бактерии (НОБ) и денитрифицирующие бактерии (ДНБ) для преобразования аммонийного азота в сточных водах в газообразный азот посредством нитрификации и денитрификации. В настоящее время этот процесс широко применяется в системах вторичной очистки сточных вод как внутри страны, так и за рубежом.
Однако, в связи с быстрым развитием индустриализации и урбанизации, появление различных новых загрязняющих веществ, таких как стойкие органические загрязнители, фармацевтические препараты и средства личной гигиены (ППКП), а также вещества, нарушающие работу эндокринной системы, создало серьезные проблемы для биологических систем очистки сточных вод. Эти загрязняющие вещества не только трудно удалить с помощью традиционных процессов, но и их взаимодействие с микроорганизмами может запускать ряд цепных реакций, включая метаболические нарушения в сообществах нитрифицирующих бактерий и изменения в экспрессии функциональных генов, что приводит к постоянному снижению стабильности и устойчивости к шоковым воздействиям систем удаления азота в сточных водах.
В последние годы микропластик (МП), как представитель новых загрязняющих веществ, привлек широкое внимание во всем мире из-за его пагубного воздействия на водные среды и системы очистки сточных вод. Исследования показали, что МП может проявлять определенные токсические ингибирующие эффекты в отношении микроорганизмов, тем самым снижая эффективность удаления азота активным илом. Тем не менее, другие исследования показали, что, будучи инертными носителями, МП может обеспечивать благоприятные места прикрепления для микроорганизмов, тем самым увеличивая площадь массопереноса между микроорганизмами и субстратами и оказывая благоприятное воздействие на биологическое удаление азота. Эта противоречивая характеристика часто зависит от сочетания присущих загрязняющим веществам физико-химических свойств, их состояния в окружающей среде и условий эксплуатации процесса. Современные исследования остро нуждаются в изучении механизмов взаимодействия между новыми загрязняющими веществами и функциональными микроорганизмами в различных аспектах, чтобы обеспечить теоретическую основу для повышения способности систем очистки сточных вод справляться с комплексным загрязнением.
1. Наличие микропластика на очистных сооружениях сточных вод
Поскольку промышленные сточные воды и бытовые стоки содержат значительное количество микропластика, который сбрасывается в очистные сооружения через канализационные трубы и подземные трубопроводы, очистные сооружения рассматриваются как важный резервуар микропластика. В таблице 1 обобщены данные из отечественной и международной литературы о наличии микропластика в очистных сооружениях за последние годы. Видно, что преобладающим типом микропластика в очистных сооружениях являются волокна, за которыми следует небольшое количество фрагментов и частиц, среди которых волокна в основном образуются в результате стирки белья и использования средств личной гигиены. Кроме того, полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полиэтилентерефталат (ПЭТ) и полиамид (ПА) являются распространенными типами микропластика в поступающих в очистные сооружения сточных водах. Среди них ПЭ является наиболее широко используемым пластиком в мире и применяется в основном в товарах повседневного спроса и упаковочных пленках для пищевых продуктов. ПА широко используется в производстве тканей и износостойких компонентов благодаря своей высокой прочности и отличной износостойкости. ПЭТ, как один из первых разработанных термопластиков, в основном используется в волокнах, пленках и конструкционных пластмассах, и поэтому его часто обнаруживают в сточных водах, поступающих в очистные сооружения.
Из таблицы 1 также видно, что концентрации микропластика в сточных водах, поступающих на различные очистные сооружения, значительно различаются, что может быть связано с численностью населения, обслуживаемого этими сооружениями, и их функциональными характеристиками. В целом, эффективность удаления микропластика очистными сооружениями колеблется от 55% до 97,8%, и это различие может быть обусловлено различными процессами очистки, применяемыми на отдельных предприятиях. Очистные сооружения обычно имеют трехступенчатую установку очистки, включающую предварительную и первичную очистку, такие процессы, как просеивание, удаление песка, масляная пленка и т. д. Просеивание в основном задерживает микропластик крупного размера, а размер частиц, удерживаемых на сите, зависит от размера сита. Микропластик высокой плотности удаляется путем физического осаждения в процессе удаления песка, в то время как масляная пленка удаляет микропластик низкой плотности, плавающий на поверхности сточных вод, достигая эффективности удаления до 45%. Оставшийся микропластик поступает в установку вторичной очистки, где эффективность удаления обычно достигает 69–80%. Тем не менее, примерно 16,9% микрочастиц остаются в сточных водах после вторичной очистки. Калчикова и др. в ходе экспериментов на системе биологической очистки сточных вод периодического действия подтвердили, что в среднем 52% микрочастиц задерживаются в активном иле. Исследования показали, что большая часть микрочастиц, попадающих в процесс вторичной очистки, контактирует с илом, при этом доминирующую роль играет электростатическая адсорбция между хлопьевидным илом и микрочастицами, в то время как небольшая часть плавает в водной фазе. Хотя подавляющее большинство микрочастиц в сточных водах удаляется при сбросе избыточного ила, перенос микрочастиц из водной фазы в фазу ила увеличивает риск воздействия на последующую очистку и утилизацию ила.
2. Факторы, влияющие на процесс удаления азота под воздействием микропластика.
2.1 Концентрация
Концентрация микрочастиц является одним из наиболее важных факторов, влияющих на биологическое удаление азота. Исследования Сонга и др. показали, что по сравнению с контрольной группой добавление 10 000 частиц/л микрочастиц ПВХ может снизить скорость нитрификации с исходных 90,97% до 46,66%. Однако Чжэн и др. отметили, что при увеличении концентрации микрочастиц ПЭ с 20 частиц/л до 200 частиц/л реакция нитрификации остается относительно стабильной. Примечательно, что при воздействии ПА66 на аэробный гранулированный ил (АГИ) в концентрациях 0, 0,1, 0,2 и 0,5 г/л скорость удаления аммиачного азота достигает пика в 95,61% при концентрации ПА66 0,2 г/л. Это явление также наблюдалось в исследованиях влияния микрочастиц ПС на АГИ. Хэ и др. Было установлено, что при постепенном увеличении концентрации ПЭТ-МП до 500 мкг/л концентрация нитратов в сточных водах значительно возрастает, что указывает на то, что ПЭТ-МП снижают скорость денитрификации в системе. Ли и др. исследовали влияние пяти различных концентраций МП на процесс денитрификации и обнаружили, что увеличение концентрации ПП, полистирола (ПС) и полиэфирного волокна (ПЭВ) способствует непрерывному увеличению скорости денитрификации активного ила, тогда как увеличение концентрации поливинилхлорида (ПВХ) и ПЭ приводит к тенденции к снижению скорости нитрификации активного ила. Хонг и др. Исследовалось влияние ПЭТ на гранулированный анаммокс-ил, и результаты показали, что по сравнению с контрольной группой, ПЭТ-МП в концентрации 0,1–0,2 г/л не оказывает существенного влияния на анаммокс-ил, в то время как при повышении концентрации до 1,0 г/л общая скорость удаления азота снижается на 4,2%.
2.2 Размер частиц
Для одного и того же типа микропластика размер частиц оказывает различное влияние на процесс удаления азота. Хе и др. обнаружили, что изменение размера частиц ПВХ оказывает значительное влияние на скорость окисления аммиака — чем больше размер частиц, тем ниже скорость окисления аммиака. Это связано с тем, что микропластик большого размера препятствует переносу растворенного кислорода, тем самым подавляя активность аэробных аммонийокисляющих бактерий. Однако другие исследователи обнаружили, что эффективность удаления анаэробного аммонийокисляющего азота в системах с добавлением ПЭТ размером 75 мкм и 150 мкм ниже, чем в контрольной группе, в то время как системы с добавлением ПЭТ размером 300 мкм и 500 мкм демонстрируют лучшие показатели удаления анаэробного аммонийокисляющего азота, чем контрольная группа. Это может быть связано с тем, что микропластик с меньшим размером частиц имеет более низкий дзета-потенциал, что делает его более склонным к диффузии вокруг активного ила и оказывает негативное воздействие. Хе и др. Аналогичные результаты были получены и в других исследованиях: после добавления полистирола с размером частиц 150–300 мкм в активный ил скорость удаления нитратного азота практически не отличается от контрольной группы, тогда как при уменьшении размера частиц до 0–75 мкм скорость удаления нитратного азота снижается до 56,18%.
2.3 Тип
Поверхностные свойства и химическая структура микропластика также оказывают определенное влияние на способность активного ила удалять азот. Мяо и др. обнаружили, что после модификации поверхности положительно заряженный ПС-NH₂ проявляет более высокую токсичность для микроорганизмов, чем отрицательно заряженный ПС-COOH. Это может быть связано с тем, что поверхность клеток преимущественно отрицательно заряжена; при контакте с положительно заряженным ПС-NH₂ микропластик стремится проникнуть в клетки за счет электростатического притяжения, оказывая тем самым ингибирующее действие. По сравнению с биоразлагаемым полибутиленсукцинатом (PBS), анаммокс-ил более чувствителен к небиоразлагаемому ПВХ. Основная причина может заключаться в том, что сложноэфирные связи в PBS могут разлагаться различными гидролазами и полностью минерализоваться, тогда как многочисленные одинарные углерод-углеродные связи в ПВХ устойчивы к биологическому окислению. Кроме того, некоторые исследования показали, что ПЭ, ПВХ и ПЭС не оказывают существенного влияния на реакцию денитрификации в активном иле. Кроме того, даже у одного и того же типа микропластика свойства поверхности могут изменяться под воздействием солнечного излучения, физического истирания и других факторов, которые могут оказывать различное влияние на эффективность биохимической очистки сточных вод.
2.4 Плотность
Плотность микропластика также может влиять на способность микроорганизмов удалять азот. Ван и др. обнаружили положительную корреляцию между плотностью микропластика и степенью ингибирования нитрификации. Это объясняется тем, что микропластик с более высокой плотностью имеет тенденцию оседать и накапливаться в иле, в то время как микропластик с более низкой плотностью плавает на поверхности воды и вытекает из реактора.
2.5 Состав качества воды
Другие загрязняющие вещества, присутствующие в сточных водах, такие как антибиотики, могут связываться с микропластиком посредством электростатической адсорбции, оказывая тем самым неблагоприятное воздействие на функциональные бактерии, удаляющие азот. Ван и др. обнаружили, что комбинация ПВХ, ПА и триклозана вызывает сильное острое ингибирование нитрифицирующего ила и даже приводит к полной потере нитрифицирующей функции ила после 14 дней работы, причем степень ингибирования значительно выше, чем при их индивидуальном воздействии. Аналогично, по сравнению со скоростью удаления аммиачного азота в контрольной группе (99,60%), скорость удаления аммиачного азота снизилась до 83,59%, 86,27%, 85,86% и 91,31% соответственно при воздействии 10 мг/л ПВХ, ПА, ПС и ПЭ (каждый в сочетании с 0,1 мг/л тетрациклина). Однако Ли и др. Было установлено, что как добавление одного только тетрациклина, так и одновременное добавление тетрациклина и ПВХ-МП приводило к снижению скорости окисления аммиака (до 20%), что указывает на то, что добавление МП не вызывало дополнительного токсического ингибирования.
3. Влияние микропластика на активность функциональных бактерий, удаляющих азот.
Был проведен статистический анализ влияния микропластика на активность функциональных бактерий, удаляющих азот, таких как аммонийокисляющие бактерии (АОБ), нитрифицирующие бактерии (НОБ), динитрат-бензойные бактерии (ДНБ) и анаэробные аммонийокисляющие бактерии (ААОБ), как это описано в соответствующей литературе; подробные данные приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, различные функциональные бактерии, удаляющие азот, демонстрируют различный диапазон толерантности к микропластику, который зависит от таких факторов, как тип микропластика, продолжительность воздействия, качество поступающей воды и конфигурация реактора. Кроме того, подавляющее большинство исследований указывает на то, что аммонийокисляющие бактерии (АОБ), нитрифицирующие бактерии (НОБ), динитрат-бензойные бактерии (ДНБ) и анаэробные аммонийокисляющие бактерии (АОБ) подвержены ингибированию микропластиком, что свидетельствует об универсальной цитотоксичности микропластика для этих бактериальных сообществ. Поэтому для поддержания высокой скорости удаления азота и реакционной активности необходимо применять процессы предварительной обработки для удаления микропластика в максимально возможной степени до его попадания в биохимическую систему очистки, чтобы смягчить его ингибирующее воздействие на систему очистки сточных вод активным илом.
4. Положительное влияние микропластика на биологическое удаление азота.
4.1 Антагонистическое воздействие качества поступающей воды
Муниципальные сточные воды имеют очень сложный состав. Микропластик может оказывать определенное антагонистическое воздействие на некоторые другие загрязняющие вещества в сточных водах, что приводит к ослаблению или даже устранению их токсичности, тем самым обеспечивая определенную степень защиты для микроорганизмов, удаляющих азот. Ли и др. обнаружили, что раздельное добавление микропластика ПВХ и кадмий²⁺ в некоторой степени подавляет скорость денитрификации, но одновременное добавление 1000 частиц/л микропластика ПВХ и кадмий²⁺ способствует процессу денитрификации.
4.2 Повышенный дзета-потенциал
Поверхность активного ила преимущественно отрицательно заряжена. Следовательно, чем выше абсолютное значение дзета-потенциала на поверхности микрочастиц, тем сильнее электростатическое отталкивание между микрочастицами и активным илом, что приводит к отсутствию значительного влияния или даже к стимулирующему эффекту на биологическое удаление азота. Исследования показали, что добавление частиц полистирола размером 500 нм к нитрифицирующим бактериям может одновременно увеличить скорость окисления аммиака и скорость утилизации нитритов, тогда как добавление частиц полистирола размером 50 нм приводит к ингибирующему эффекту.
4.3 Расширенное колонизационное пространство
В качестве носителей микроорганизмов микропластик может создавать благоприятные микросредовые условия для бактерий, удаляющих азот, тем самым способствуя адгезии и размножению микроорганизмов, что проявляется в виде определенного положительного эффекта. При увеличении концентрации ПВХ с 1000 частиц/л до 5000 частиц/л значение k линейного уравнения регрессии для реакции денитрификации нулевого порядка увеличивается на 1,62. Кроме того, микропластик, особенно биоразлагаемый, может выделять растворенный органический углерод, что, в свою очередь, способствует денитрификации. Добавление микропластика и улучшение микросреды также могут способствовать адаптивной реконструкции микробных сообществ, изменению исходных симбиотических моделей и позволить микроорганизмам лучше адаптироваться к среде, подверженной воздействию микропластика.
5. Негативное воздействие микропластика на биологическое удаление азота
5.1 Снижение и дестабилизация внеклеточных полимерных веществ (ВПВ)
ЭПС (внеклеточные полимерные вещества) — это слой веществ, выделяемых клетками вне мембраны, состоящий в основном из полисахаридов, белков и гуминовых веществ. Микроорганизмы могут спонтанно продуцировать ЭПС для адаптации к неблагоприятным внешним условиям. Исследования показали, что аэробный гранулированный ил (АГИ), подвергнутый воздействию низких концентраций (15 частиц/л) ПЭТ, демонстрирует увеличение содержания полисахаридов, липидов и гуминовых кислот в ЭПС на 22,8%, 22,5% и 21,3% соответственно. Однако при увеличении концентрации ПЭТ-МП до 75–300 частиц/л содержание всех трех веществ демонстрирует тенденцию к снижению, что объясняется тем, что высокие концентрации МП повреждают систему самозащиты клеток. Фэн и др. С помощью флуоресцентной спектроскопии с матрицей возбуждения-излучения (ЕЭМ) было установлено, что при взаимодействии между ПС-НП и EPS связывание ПС-НП с EPS изменяет вторичную структуру белков в EPS, что приводит к снижению способности к биофлокуляции и стабильности активного ила, делая его, таким образом, уязвимым для токсичных веществ МП.
5.2 Окислительный стресс
Клеточная мембрана представляет собой тонкую пленку, состоящую из фосфолипидов, белков и углеводов, которая окружает клетку снаружи; она способна противостоять проникновению чужеродных веществ и предотвращать повреждение внутриклеточных компонентов. Окислительный стресс является важным механизмом, посредством которого микрочастицы повреждают клеточные мембраны. При столкновении клеток с чужеродными веществами активируется ответный механизм, и высвобождаются активные формы кислорода (АФК), которые способствуют окислительному стрессу, приводящему к изменению проницаемости клеточной мембраны. При чрезмерно высоком уровне АФК на клеточной мембране образуются складки, поры и трещины, что еще больше повреждает органеллы и вызывает функциональные нарушения клеток. Исследования показали, что уровень АФК в клетках АГС увеличивается на 9,2%, 12,5% и 17,3% при воздействии 75, 150 и 300 частиц/л ПЭТ-микрочастиц соответственно. Таким образом, степень повреждения функциональных бактерий, удаляющих азот, может быть косвенно охарактеризована путем измерения таких показателей, как активные формы кислорода (АФК) и продукты их окисления (например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) и малоновый диальдегид (МДА)) в функциональных бактериальных клетках.
5.3 Физический ущерб
Физический контакт — ещё одно объяснение повреждения микробных клеток микропластиком. При контакте с клетками микропластик может окружать клеточную мембрану или внедряться в клеточную стенку, препятствуя передаче энергии и питательных веществ между клеткой и внешней средой. Исследователи с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) наблюдали, что после добавления микропластика размер частиц активного ила уменьшается, и даже происходит его фрагментация. Длительное воздействие ПЭТ-микропластика приводит к закупорке пор в активном иле, отвечающих за транспорт питательных веществ и материалов. Эксперимент по моделированию показал, что при контакте полистирольных наночастиц (ПС) с фосфолипидными мембранами ПС деполимеризуется и растворяется в них, что приводит к изменениям структуры фосфолипидных мембран и ухудшению активности мембранных белков. Кроме того, нельзя игнорировать физическое повреждение активного ила микропластиком из-за механического трения, вызванного гидравлическим сдвигом, которое напрямую приводит к разрыву и гибели клеток, особенно в присутствии микропластика большого размера. Крупные микропластиковые частицы также могут нарушать нормальную структуру клеток при столкновениях, что приводит к функциональному подавлению или потере. В процессе вторичной биохимической очистки интенсивное перемешивание осадка с водой может усугубить неблагоприятное воздействие микропластиковых частиц на биологическое удаление азота.
5.4 Снижение активности ферментов
Ключевые ферменты, участвующие в биологическом удалении азота, в основном включают аммониймонооксигеназу (АМО), нитратредуктазу (НАР) и нитритредуктазу (ИК-спектр). В анаммокс-системе добавление ПВХ ингибирует синтез генов (хзсА, хзсБ, хзсС и ХАО), кодирующих гидразинсинтазу и гидразиндегидрогеназу, что приводит к снижению эффективности удаления азота и, следовательно, препятствует анаммокс-реакции. Ма и др. обнаружили, что ферменты, участвующие в нитрификации (АМО, НХР), демонстрируют значительное ингибирование при концентрации ПС 10 мг/л, в то время как ферменты, участвующие в денитрификации (НАР, ИК-спектр), ингибируются как при 1 мг/л, так и при 10 мг/л ПС.
6. Выводы и перспективы
Микропластик, как новый загрязнитель водных сред в последние годы, доказал свою потенциальную опасность для биологического удаления азота при очистке сточных вод. Дальнейшие исследования должны проводиться по следующим направлениям:
Разработать технологии быстрой идентификации и удаления микропластика из сточных вод для обеспечения эффективности удаления азота биохимическими системами.
Разработать аналитические методы для определения активности различных функциональных микроорганизмов, удаляющих азот, в присутствии микропластика.
Учитывая сложность и изменчивость фактического качества сточных вод, необходимы дальнейшие исследования для изучения влияния сосуществования микропластика и других загрязняющих веществ (например, трудноразлагаемых органических соединений, тяжелых металлов и антибиотиков) на эффективность удаления азота.
Внедрить такие технологии, как метагеномика, метаболомика и транскриптомика, для исследования механизмов воздействия микропластика на структуру сообщества и метаболические функции азотсодержащих микроорганизмов с точки зрения молекулярной биологии.