污泥中PVC微塑料对厌氧发酵产氢/产酸影响研究

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微塑料对污泥处理工艺的影响和对污泥处置的环境风险已经引起研究者广泛关注。厌氧发酵是污泥资源化的一种有效技术,研究微塑料对厌氧发酵的影响并探究其作用机理,对污泥资源化利用具有重要意义。通过产氢批式实验,探究微塑料赋存于种泥时对葡萄糖中温厌氧发酵产氢的影响。对比不同PVC微塑料赋存时间下氢气产生情况、底物及胞外聚合物(EPS)变化,实验结果表明,短期存在于种泥中的PVC微塑料对葡萄糖产氢基本没有影响(p>0.05)。但长期浸泡在种泥中的微塑料会抑制葡萄糖产氢,其中,中丰度微塑料(50mg PVC/g·COD)产氢下降了4.3%,高丰度微塑料(100 mg PVC/g·COD)产氢显著降低了25.9%(p<0.01)。短期内PVC微塑料对种泥EPS影响程度不大。长期浸泡后,EPS浓度与微塑料丰度成正比(r=0.930,P<0.05)。通过产酸批式实验,探究微塑料对污泥厌氧发酵产酸及底物的影响;通过批式实验模拟厌氧发酵各步骤,进一步明晰微塑料对产酸过程的影响。实验结果表明,微塑料丰度与污泥的溶出呈正比。过低或者过高丰度微塑料会抑制葡聚糖降解,但中丰度有利于葡聚糖的降解,而蛋白质水解过程普遍被微塑料抑制。酸化阶段,中高丰度微塑料会抑制碳水化合物的酸化,但是同等丰度下的微塑料会促进氨基酸的酸化。同时高丰度微塑料还会抑制乙酸化、产甲烷和硫酸盐还原过程的进行。利用双酚A(BPA)测试、红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)以及分子生物学等手段探究产氢产酸机理。微塑料与BPA存在浸出及吸附的双向过程,本研究范围内(低于0.27 ug/L)的BPA,对于产氢和产酸均有促进作用。SEM结合EPS及微塑料表面官能团分析表明,发酵过程中出现微塑料被污泥逐渐“内吞”的现象,其表面形成有利微生物生长的“塑料圈”环境。对于产氢体系,微塑料整体抑制了微生物多样性,并抑制浮霉菌门(Planctomycetes)和放线菌门(Actinobacteria)的生长,其中梭状芽孢杆菌属(Clostridium_sensu_stricto_1)降低是高丰度微塑料组产氢低的主要原因。对于产酸体系,虽然微生物多样性依然被抑制,但高丰度由于“塑料圈”环境效应更强,促成了生物膜中不同微生物的共存。微塑料在中低丰度利于变形杆菌门(Proteobacteria)生长,中丰度相对丰度最高,达到了29.8%,高丰度却抑制其生长(丰度仅19.3%),这是微塑料中丰度组产酸最高的主要原因。产氢体系中产氢菌主要以Enterobacter spp和Clostridium butyricum为主,相关性分析表明BPA选择性抑制了Clostridium butyricum;而对Enterobacter spp菌则存在促进作用。对于产酸体系,BPA能够促进产乙酸菌(FIHFS)的生长,最终使得乙酸(TVFA中主要成分)增多。同时,微塑料会抑制产甲烷菌,因此BPA能够增加V FAs的产量。
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