DOI: https://doi.org/10.1016/j.psep.2025.108146
تاريخ النشر: 2025-11-11
المؤلف: Alfonz Kedves وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير الجزيئات الدقيقة القابلة للتحلل المستندة إلى حمض البولي لاكتيك (PLA) على أداء أنظمة الحمأة الحبيبية الميكروبية البكتيرية (MBGS)، وهي تقنيات متقدمة لمعالجة مياه الصرف الصحي معروفة بقدرتها على إزالة المغذيات. تكشف الأبحاث أن التركيزات المنخفضة من PLA (≤5 ملغ/لتر) لها تأثيرات ضئيلة على هيكل ووظيفة MBGS. ومع ذلك، عند تركيز 50 ملغ/لتر، لوحظت تأثيرات ضارة كبيرة، بما في ذلك انخفاض بنسبة 26.9% في المواد الصلبة المعلقة في السائل المختلط (MLSS)، وزيادة بأكثر من الضعف في مؤشر حجم الحمأة (SVI5)، وانخفاض حاد في الجهد الزتاوي إلى -32.9 مللي فولت، مما يشير إلى عدم استقرار الحبيبات. كما تأثرت كفاءة إزالة المغذيات، حيث انخفضت إزالة النيتروجين الكلي من أكثر من 96% إلى 44.4% وانخفضت إزالة الفوسفات من أكثر من 95% إلى أقل من 30%. بالإضافة إلى ذلك، تم تغيير تركيب المواد البوليمرية الخارجية (EPS)، مما يعكس الضغط الميكروبي وانخفاض ملحوظ في معدلات امتصاص الفوسفور.
تؤكد النتائج أن الجزيئات الدقيقة المستمدة من PLA، على الرغم من كونها قابلة للتحلل، يمكن أن تعطل بشكل كبير السلامة الهيكلية والكفاءة الوظيفية لأنظمة MBGS عند تركيزات 15 ملغ/لتر وما فوق. أدت التركيزات العالية من PLA إلى تفكك الحبيبات، وتقليل EPS، وضعف كفاءات إزالة النيتروجين والفوسفور، إلى جانب تغييرات في تركيب المجتمع الميكروبي. ومع ذلك، أظهر نظام MBGS قدرة تجديد قوية، حيث تعافت المعلمات الهيكلية والوظيفية خلال 30 يومًا بعد التعرض، ويرجع ذلك أساسًا إلى وقت احتباس المواد الصلبة في النظام الذي يبلغ 20 يومًا (SRT) والذي سهل غسل الحبيبات المحملة بـ PLA. بينما زادت وفرة الكائنات الدقيقة الرئيسية المشاركة في إزالة المغذيات، لم تتعاف كفاءة إزالة الفوسفور بالكامل، حيث ظلت أقل حتى بعد فترة التجديد. تسلط هذه النتائج الضوء على المخاطر المحتملة التي تشكلها الجزيئات الدقيقة القابلة للتحلل على تقنيات معالجة مياه الصرف الصحي الحديثة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي المتزايد عالميًا في إدارة مياه الصرف الصحي، والذي تفاقم بسبب التحضر، والنمو الصناعي، وزيادة السكان، مما أدى إلى مخاطر بيئية وصحية عامة كبيرة نتيجة معالجة غير كافية لمياه الصرف الصحي البلدية والصناعية. تواجه أنظمة الحمأة المنشطة التقليدية (CAS)، على الرغم من استخدامها على نطاق واسع، قيودًا مثل استهلاك الطاقة العالي وانخفاض الفعالية ضد الملوثات الناشئة، بما في ذلك الجزيئات الدقيقة (MPs). استجابةً لذلك، ظهرت الحمأة الحبيبية الميكروبية البكتيرية (MBGS) كبديل واعد، مستفيدة من الفوائد التآزرية لإنتاج الأكسجين من الطحالب والتحلل الحيوي البكتيري لتعزيز إزالة المغذيات ومرونة النظام.
تؤكد الورقة على القلق المتزايد بشأن الجزيئات الدقيقة، وخاصة انتشارها في محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs)، حيث يمكن أن تتراكم في الحمأة رغم كفاءات الإزالة العالية. تهيمن البوليمرات غير القابلة للتحلل مثل البوليسترين (PS) وكلوريد البوليفينيل (PVC) على هذه الملوثات، مما يشكل مخاطر على النشاط الميكروبي وعمليات المعالجة. في المقابل، يتم تسليط الضوء على الجزيئات الدقيقة القابلة للتحلل (DMPs)، مثل حمض البولي لاكتيك (PLA)، لفوائدها البيئية المحتملة ولكن أيضًا لقدرتها على تعطيل التفاعلات الميكروبية داخل أنظمة المعالجة. تهدف الدراسة إلى استكشاف تأثيرات الجزيئات الدقيقة المستمدة من PLA على أنظمة MBGS، مع التركيز على تأثيرها على الأداء، والهيكل، والبيئة الميكروبية، وبالتالي معالجة فجوة حاسمة في أبحاث معالجة مياه الصرف الصحي الحالية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام طرق تحليلية متنوعة لتقييم تأثير الجزيئات الدقيقة المستمدة من PLA على وظيفة الميكروبات وخصائص الحمأة في المفاعلات الحيوية R1 و R2. تم قياس المعلمات الرئيسية بما في ذلك المواد الصلبة المعلقة في السائل المختلط (MLSS)، والمواد الصلبة المتطايرة المعلقة في السائل المختلط (MLVSS)، ومؤشر حجم الحمأة (SVI5)، إلى جانب تركيزات النيتروجين الأمونيوم ($NH_4^+-N$)، والنيتروجين النترات ($NO_3^–N$)، والنيتروجين النيتريت ($NO_2^–N$)، والفوسفور الفوسفات ($PO_4^{3–P}$)، وفقًا للبروتوكولات القياسية (Clesceri et al., 1990). تم حساب النيتروجين الكلي (TN) كمجموع الأنواع النيتروجينية المذكورة أعلاه. تم تقييم المعلمات المتعلقة بالحمأة كل أسبوعين، بينما تم قياس مقاييس جودة المياه ثلاث مرات أسبوعيًا.
لتقييم ديناميات إزالة المغذيات، تم إجراء دراسات دورية في نهاية كل مرحلة تجريبية. تم قياس معدل أكسدة الأمونيا المحدد (SAOR)، ومعدل أكسدة النيتريت المحدد (SNOR)، ومعدل تقليل النترات المحدد (SNRR)، ومعدل امتصاص الفوسفور المحدد (SPUR) تحت ظروف مضاءة (Panswad et al., 2003؛ Wang et al., 2015). تم تقييم قدرة تجميع الحمأة من خلال قياس الجهد الزتاوي بعد شطف عينات الحمأة الطازجة بمحلول NaCl بتركيز 0.1%. تم تحليل التغيرات الشكلية في الحبيبات الميكروبية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بعد غسل العينات ثلاث مرات وتجفيفها بالتجميد، بينما تم التحقيق في التعديلات الكيميائية السطحية من خلال مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR).
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، مع اختبارات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في سلوك الموضوعات، مما يدعم الفرضيات الأولية التي طرحها الباحثون.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الموجودة. يقترح المؤلفون أن الأنماط الملحوظة يمكن أن توجه اتجاهات البحث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني. تم الاعتراف بحدود الدراسة، وتقديم توصيات لمزيد من التحقيق لتعزيز فهم الظواهر المدروسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثير الجزيئات الدقيقة من حمض البولي لاكتيك (PLA) على الحمأة الحبيبية الميكروبية البكتيرية (MBGS) باستخدام مفاعلين للتسلسل الضوئي (PSBRs). تعرضت المفاعلات لتركيزات متفاوتة من الجزيئات الدقيقة من PLA (1، 5، 15، و50 ملغ/لتر) على مدى 135 يومًا. أشارت النتائج إلى أنه بينما لم تؤثر التركيزات المنخفضة من PLA بشكل كبير على الاستقرار التشغيلي أو كفاءة إزالة المغذيات، أدت التركيزات الأعلى (خصوصًا 50 ملغ/لتر) إلى اضطرابات هيكلية كبيرة في MBGS، تتميز بزيادة مؤشر حجم الحمأة (SVI) وانخفاض المواد الصلبة المعلقة في السائل المختلط (MLSS). تم عزو هذا التدهور إلى زيادة الرغوة وضعف هيكل الحبيبات، مما أثر على دورة المغذيات والنشاط الميكروبي.
تأثرت كفاءة إزالة المغذيات بشكل ملحوظ بتعرض PLA. ظلت كفاءة إزالة الأمونيا عالية (≥99%) عبر جميع الظروف، مما يشير إلى تحمل قوي للكائنات الدقيقة المؤكسدة للأمونيا تجاه PLA. ومع ذلك، انخفضت كفاءات إزالة النيتريت والنيترات بشكل كبير عند تركيزات PLA الأعلى، حيث انخفضت إزالة النيتروجين الكلي إلى 44.4% عند 50 ملغ/لتر من PLA. كما تأثرت إزالة الفوسفات، خاصة عند مستويات PLA المرتفعة، مما يشير إلى سمية محتملة للكائنات المتراكمة للفوسفات (PAOs). على الرغم من هذه التحديات، أظهر نظام MBGS قدرة على التجديد، حيث تعافت كفاءات إزالة المغذيات بعد فترة 30 يومًا دون تعرض لـ PLA. بشكل عام، بينما شكلت الجزيئات الدقيقة من PLA تحديات لنظام MBGS، تشير النتائج إلى أن المجتمع الميكروبي يمكن أن يتكيف ويستعيد الوظائف بعد توقف إدخال PLA.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.psep.2025.108146
Publication Date: 2025-11-11
Author(s): Alfonz Kedves et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This study investigates the impact of polylactic acid (PLA)-based biodegradable microplastics (MPs) on the performance of microalgal-bacterial granular sludge (MBGS) systems, which are advanced wastewater treatment technologies known for their nutrient removal capabilities. The research reveals that low concentrations of PLA (≤5 mg/L) have negligible effects on MBGS structure and function. However, at a concentration of 50 mg/L, significant detrimental effects were observed, including a 26.9% decline in mixed liquor suspended solids (MLSS), a more than twofold increase in sludge volume index (SVI5), and a sharp decrease in zeta potential to -32.9 mV, indicating granule destabilization. Nutrient removal efficiency also suffered, with total nitrogen removal dropping from over 96% to 44.4% and phosphate removal decreasing from over 95% to below 30%. Additionally, the composition of extracellular polymeric substances (EPS) was altered, reflecting microbial stress and a notable reduction in phosphorus uptake rates.
The findings underscore that PLA-derived MPs, despite being biodegradable, can significantly disrupt the structural integrity and functional efficiency of MBGS systems at concentrations of 15 mg/L and above. High PLA concentrations led to granule disintegration, reduced EPS, and impaired nitrogen and phosphorus removal efficiencies, alongside shifts in microbial community composition. Nevertheless, the MBGS system demonstrated a robust regenerative capacity, with structural and functional parameters recovering within 30 days post-exposure, primarily due to the system’s 20-day solids retention time (SRT) that facilitated the washout of PLA-laden granules. While the abundance of key microorganisms involved in nutrient removal increased, phosphorus removal efficiency did not fully recover, remaining lower even after the regeneration period. These results highlight the potential risks posed by biodegradable MPs to modern wastewater treatment technologies.
Introduction
The introduction highlights the escalating global challenge of wastewater management, exacerbated by urbanization, industrial growth, and population increase, leading to significant environmental and public health risks from inadequately treated municipal and industrial effluents. Conventional activated sludge (CAS) systems, while widely used, face limitations such as high energy consumption and reduced efficacy against emerging pollutants, including microplastics (MPs). In response, microalgal-bacterial granular sludge (MBGS) has emerged as a promising alternative, leveraging the synergistic benefits of algal oxygen production and bacterial biodegradation to enhance nutrient removal and system resilience.
The paper emphasizes the growing concern over MPs, particularly their prevalence in wastewater treatment plants (WWTPs), where they can accumulate in sewage sludge despite high removal efficiencies. Non-degradable polymers like polystyrene (PS) and polyvinyl chloride (PVC) dominate these pollutants, posing risks to microbial activity and treatment processes. In contrast, degradable microplastics (DMPs), such as polylactic acid (PLA), are highlighted for their potential environmental benefits but also for their capacity to disrupt microbial interactions within treatment systems. The study aims to explore the effects of PLA-derived DMPs on MBGS systems, focusing on their influence on performance, structure, and microbial ecology, thereby addressing a critical gap in current wastewater treatment research.
Methods
In this study, various analytical methods were employed to assess the impact of PLA-derived microplastics on microbial function and sludge characteristics in bioreactors R1 and R2. Key parameters measured included mixed liquor suspended solids (MLSS), mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS), and the sludge volume index (SVI5), alongside concentrations of ammonium nitrogen ($NH_4^+-N$), nitrate nitrogen ($NO_3^–N$), nitrite nitrogen ($NO_2^–N$), and phosphate phosphorus ($PO_4^{3–P}$), following standardized protocols (Clesceri et al., 1990). Total nitrogen (TN) was calculated as the sum of the aforementioned nitrogen species. Sludge-related parameters were assessed biweekly, while water quality metrics were measured three times weekly.
To evaluate nutrient removal dynamics, cycle studies were conducted at the conclusion of each experimental phase. The specific ammonia oxidation rate (SAOR), specific nitrite oxidation rate (SNOR), specific nitrate reduction rate (SNRR), and specific phosphorus uptake rate (SPUR) were quantified under illuminated conditions (Panswad et al., 2003; Wang et al., 2015). The aggregation ability of sludge was assessed by measuring the zeta potential after rinsing fresh sludge samples with a 0.1% NaCl solution. Morphological changes in the microbial granules were analyzed using scanning electron microscopy (SEM) after triple washing and freeze-drying the samples, while surface chemical modifications were investigated through Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the data demonstrate a clear trend in the behavior of the subjects, which supports the initial hypotheses posited by the researchers.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, contextualizing them within the existing literature. The authors suggest that the observed patterns could inform future research directions and practical applications in the relevant field. Limitations of the study are acknowledged, and recommendations for further investigation are provided to enhance the understanding of the phenomena studied.
Discussion
In this study, the impact of polylactic acid (PLA) microplastics on microalgal-bacterial granular sludge (MBGS) was investigated using two photo-sequencing batch reactors (PSBRs). The reactors were subjected to varying concentrations of PLA microplastics (1, 5, 15, and 50 mg/L) over a 135-day period. The results indicated that while low concentrations of PLA did not significantly affect the operational stability or nutrient removal efficiency, higher concentrations (particularly 50 mg/L) led to substantial structural disruptions in the MBGS, characterized by increased sludge volume index (SVI) and decreased mixed liquor suspended solids (MLSS). This deterioration was attributed to excessive foaming and the weakening of the granule structure, which compromised nutrient cycling and microbial activity.
Nutrient removal performance was notably impacted by PLA exposure. Ammonia removal efficiency remained high (≥99%) across all conditions, suggesting strong tolerance of ammonia-oxidizing microorganisms to PLA. However, nitrite and nitrate removal efficiencies declined significantly at higher PLA concentrations, with total nitrogen removal dropping to 44.4% at 50 mg/L PLA. Phosphate removal also suffered, particularly at elevated PLA levels, indicating potential toxicity to polyphosphate-accumulating organisms (PAOs). Despite these challenges, the MBGS demonstrated a capacity for regeneration, with nutrient removal efficiencies recovering after a 30-day period without PLA exposure. Overall, while PLA microplastics posed challenges to the MBGS system, the findings suggest that the microbial community can adapt and restore functionality following the cessation of PLA input.