Table of Contents
Η μικροπλαστική ρύπανση έχει αναδειχθεί ως μια διάχυτη περιβαλλοντική μόλυνση, εισάγοντας τα υδάτινα οικοσυστήματα, το έδαφος, ακόμα και την ατμόσφαιρα. Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (WWTP) χρησιμεύουν τόσο ως μια σημαντική οδός για μικροπλαστικά που εισέρχονται στο περιβάλλον όσο και ως ένα πιθανό σημείο παρέμβασης. Μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών επεξεργασίας, η συρματοποίηση φίλτρων ⁇ ένα κλασικό σύστημα που βασίζεται σε βιοφίλμ ⁇ είναι σε μεγάλο βαθμό σε ισχυρές και ποικίλες μικροβιακές κοινότητες για την υποβάθμιση των οργανικών ρύπων. \" εισαγωγή μικροπλαστικών στα συστήματα αυτά αποτελεί μια νέα απειλή, ενδεχομένως διατάραξη της ευαίσθητης μικροβιακής οικολογίας και την αποδόση θεραπείας.
Πηγές και χαρακτηριστικά των μικροπλαστικών στα απόβλητα
Τα μικροπλαστικά ορίζονται ως πλαστικά σωματίδια μικρότερα από 5 mm στη μεγαλύτερη διάστασή τους. Εισέρχονται σε λύματα από ένα ευρύ φάσμα πηγών, συμπεριλαμβανομένων συνθετικών υφαντικών ινών από πλυντήρια ρούχων, μικροσφαιρίδια από προϊόντα προσωπικής φροντίδας (που απαγορεύονται πλέον σε πολλές δικαιοδοσίες αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν σε κληροδοτημένα συστήματα), θραύσματα από πλαστική αποδόμηση συσκευασίας, και σωματίδια φθοράς ελαστικών από την οδική απορροή. Ένα τυπικό WWTP εισπνέον μπορεί να περιέχει χιλιάδες μικροπλαστικά σωματίδια ανά κυβικό μέτρο. Τα σωματίδια ποικίλλουν σε σχήμα (ινοί, θραύσματα, ταινίες, σφαίρες), τύπος πολυμερούς (πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο, πολυεστερίνη, πολυεστέρας), και πυκνότητα ⁇ ιδιότητες που επηρεάζουν τη μεταφορά τους και αλληλεπίδραση με βιολογικές διαδικασίες επεξεργασίας. Πολλά μικροπλαστικά φέρουν επίσης χημικά πρόσθετα όπως φθαλικές ενώσεις, δισφαινόλη Α, και επιβραδυντικά φλόγας, ή υδροφοβικούς οργανικούς ρύπους και βαρέα μέταλλα από το νερό, ενεργώντας ως φορείς για τοξικές ενώσεις.
Η Μικροβιολογική Κοινότητα των φίλτρων που προκαλούν σύγχυση
Τα φίλτρα είναι ένα σταθερό στρώμα μέσων (βράχος, πλαστικό ή σκωρία) πάνω από το οποίο διανέμονται τα λύματα. Ένα σύνθετο βιοφίλμ αναπτύσσεται στην επιφάνεια των μέσων ενημέρωσης, αποτελούμενο από βακτήρια, αρχαία, μύκητες, πρωτόζωα, και περιστασιακά μικρά μεταζωά. Το βιοφίλμ είναι στρωματοποιημένο, με αεροβικά στρώματα κοντά στην επιφάνεια και ανοξικές ή αναερόβιες ζώνες βαθύτερα μέσα. Οι βασικές λειτουργικές ομάδες περιλαμβάνουν ετεροτροφές που οξειδώνουν τον οργανικό άνθρακα (BOD), τα νιτρώδη (βακτηρίδια αμμωνίας-οξειδοποίησης και τα νιτρώδη-οξειδωτικά βακτήρια), και απονιτρωτήρες σε βαθύτερα στρώματα. Η δομή της βιοφίλμ ⁇ το-το πάχος του, πορώδες και εξωκυτταρική πολυμερική ουσία (EPS) μήτρα ⁇ είναι κρίσιμη για τη μαζική μεταφορά και την αντοχή στο διάφραγμα. Η μικροβιακή ποικιλομορφία και η ερυθρότητα εντός της κοινότητας παρέχουν ανθεκτικότητα από περιβαλλοντικές καταπονήσεις και διακυμάνσεις.
Μηχανισμοί μικροπλαστικών επιπτώσεων στις κοινότητες Biofilm
Φυσική Παρεμβολή και Αρχιτεκτονική Βιοφίλμ
Τα μικροπλαστικά σωματίδια μπορούν να ενσωματωθούν φυσικά στη μήτρα βιοφίλμ, μεταβάλλοντας την πορώδη τους και μειώνοντας τη διάχυση οξυγόνου και θρεπτικών συστατικών σε βαθύτερα στρώματα. Τα ινίδια, ειδικότερα, μπορεί να ενσωματώνονται με EPS, οδηγώντας σε εγκλωβισμό και κοπή. Η παρουσία σκληρών, μη αποδομήσιμων σωματιδίων μπορεί επίσης να αυξήσει το στρες διάτμησης, προκαλώντας πρόωρη αποκόλληση βιοφίλμ ⁇ ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια υδραυλικών υπερχείλισης. Μελέτες έχουν δείξει ότι η μικροπλαστική συσσώρευση μπορεί να μειώσει το πάχος των βιοφίλμ και τη συνολική βιομάζα, μειώνοντας τη συνολική μεταβολική ικανότητα του φίλτρου.
Χημική τοξικότητα και διδακτικές επιδράσεις
Πολλά μικροπλαστικά σωματίδια λεύκανσης προσθέτων χημικών ουσιών που είναι τοξικές για τους μικροοργανισμούς. Τα phthalates και η δισφαινόλη Α, για παράδειγμα, έχουν αποδειχθεί ότι αναστέλλουν την ανάπτυξη και τη δραστηριότητα των νιτρωδών βακτηρίων, τα οποία είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε περιβαλλοντικές προσμείξεις. Επιπλέον, τα μικροπλαστικά sorrb και συμπυκνώνουν άλλους ρύπους από τα λύματα, ενδεχομένως παρέχοντας υψηλές τοπικές δόσεις βαρέων μετάλλων ή φυτοφαρμάκων σε βιο-ινσουλικά κύτταρα.
Τροποποίηση της δομής και λειτουργίας της Κοινότητας των Μικροβιολογικών
Η έκθεση σε μικροπλαστικά συχνά οδηγεί σε μείωση της μικροβιακής ποικιλομορφίας και σε στροφή προς τη βιοδιαμόρφωση ή την πλαστικοαποικοδόμηση των ταξινομικών βαθμών. Για παράδειγμα, ορισμένες μελέτες έχουν παρατηρήσει αύξηση της σχετικής αφθονίας των ειδών Ψευδομώνας και Bacillus[], τα οποία είναι γνωστά ότι παράγουν EPS και μπορούν να υποβαθμίσουν ορισμένα πλαστικά, εις βάρος ευαίσθητων νιτρωδών και εξειδικευμένων αποικοδόμησεων. Αυτή η λειτουργική αναδιάρθρωση μπορεί να επηρεάσει βασικές διαδικασίες επεξεργασίας όπως η νιτροποίηση και η απομάκρυνση των επαναπροσδιοριστικών οργανικών ενώσεων. Επιπλέον, η επιλεκτική πίεση που ασκείται από μικροπλαστικά μπορεί να μειώσει τη λειτουργική πλεοναστικότητα της βιοφίλμ, καθιστώντας το σύστημα πιο ευάλωτο σε περαιτέρω διαταραχές.
Συνέπειες για την αποτελεσματικότητα της θεραπείας
Μείωση της αφαίρεσης οργανικής ύλης
Η απώλεια της ετεροτροφικής δραστηριότητας λόγω της διαταραχής της βιοφίλμ επηρεάζει άμεσα την απομάκρυνση της βιοχημικής ζήτησης οξυγόνου (BOD) και της ζήτησης χημικού οξυγόνου (COD).
Αποκατάσταση της αποσύνθεσης και της αμμωνίας
Τα αζωτούχα βακτήρια είναι αργά αναπτυσσόμενα και ευαίσθητα στα τοξικά, καθιστώντας τα πρωταρχικούς στόχους για μικροπλαστικό στρες. Μειωμένα ποσοστά νιτροποίησης έχουν παρατηρηθεί τόσο σε αντιδραστήρες βιοφίλμ κλίμακας εργαστηρίου και φίλτρα συρρίκνωσης πλήρους κλίμακας, με συγκεντρώσεις αμμωνίας στα λύματα να αυξάνονται έως 40% σε ορισμένες περιπτώσεις. Αυτό θέτει σε κίνδυνο την ικανότητα του εργοστασίου να πληροί άδειες απόρριψης για άζωτο, αναγκάζοντας τους φορείς εκμετάλλευσης να αυξήσουν τον αερισμό ή να προσθέσουν χημικές ουσίες για να αντισταθμίσουν.
Αυξημένη παραγωγή και λειτουργικό κόστος λίπανσης
Η φυσική συσσώρευση μικροπλαστικών στο κρεβάτι φίλτρου μπορεί να συμβάλει στην αποκόλληση, την αύξηση της συχνότητας πλύσης πίσω και την κατανάλωση ενέργειας. Η αποσταθεροποίηση βιοφίλμ οδηγεί επίσης σε συχνότερα συμβάντα κοπής, με αποτέλεσμα την υψηλότερη φόρτωση στερεών σε δευτερεύοντες αποσαφηνιστές. Το συνδυασμένο αποτέλεσμα είναι αυξημένο λειτουργικό κόστος για συντήρηση, ενέργεια, και διαχείριση ιλύος. Επιπλέον, η παρουσία μικροπλαστικών σε βιοστερεά περιορίζει την ωφέλιμη επαναχρησιμοποίησή τους στη γεωργία, δημιουργώντας μια πρόκληση διάθεσης.
Διανυσματική για παθογόνα και αντιβιοτική αντοχή
Τα μικροπλαστικά μπορούν να λειτουργήσουν ως υποστρώματα για το σχηματισμό βιοφίλμ από παθογόνα βακτήρια και να χρησιμεύσουν ως πλατφόρμα για οριζόντια μεταφορά γονιδίων, συμπεριλαμβανομένων των γονιδίων αντοχής στα αντιβιοτικά.
Μετριασμός και στρατηγικές διαχείρισης
Έλεγχος και προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-προ-σ-ρ- ⁇ σησησηγής
Η πιο αποτελεσματική στρατηγική είναι η μείωση των μικροπλαστικών εισροών στην πηγή. Οι κανονισμοί που απαγορεύουν τις μικροσφαιρίδια στα προϊόντα που ξεπλένονται, προωθώντας τα ρούχα φυσικών ινών, και βελτιώνοντας τη διαχείριση των νερών καταιγίδας για τα σωματίδια φθοράς ελαστικών είναι απαραίτητες. Εντός WWTPs, εγκαθιστώντας λεπτές οθόνες (≤1 mm) ή δυναμικά συστήματα διήθησης στα εργοτάξια μπορούν να αφαιρέσουν ένα σημαντικό κλάσμα μεγαλύτερων μικροπλαστικών πριν φτάσουν σε βιολογική επεξεργασία.
Βελτιστοποίηση της λειτουργίας φίλτρου Trickling
Η αύξηση του ρυθμού υδραυλικής φόρτισης μπορεί να βοηθήσει στην εξάλειψη συσσωρευμένων σωματιδίων, αλλά πρέπει να είναι ισορροπημένη κατά της διατήρησης βιοφίλμ. Η βελτίωση της προεπεξεργασίας για τη μείωση της φόρτισης στερεών μπορεί να ελαχιστοποιήσει την παγίδευση σωματιδίων. Επιπλέον, εξασφαλίζοντας επαρκή επίπεδα διαλυμένου οξυγόνου και ισορροπία θρεπτικών συστατικών μπορεί να υποστηρίξει την υγιέστερη ανθεκτικότητα των βιοφίλμ.
Βιοαυξάνοντας και Μικροβιακή Διαχείριση
Η έρευνα διερευνά τη χρήση μικροβιακών στελεχών που αποδυναμώνουν τα πλαστικά σε φίλτρα που συρρικνώνονται με βιοαυξήσεις, διασπώντας ενδεχομένως τα μικροπλαστικά σε λιγότερο επιβλαβή υποπροϊόντα. Ωστόσο, η προσέγγιση αυτή βρίσκεται ακόμα σε πρώιμα στάδια και εγείρει ερωτήματα σχετικά με την τοξικότητα των υποπροϊόντων και τις οικολογικές επιπτώσεις.
Συστήματα παρακολούθησης και έγκαιρης προειδοποίησης
Η τακτική παρακολούθηση των μικροπλαστικών συγκεντρώσεων σε εισροή και εκροές, σε συνδυασμό με δείκτες υγείας βιοφίλμ (όπως η περιεκτικότητα σε ATP, η αναπνευστολογία, ή η μεταγενωνική διαμόρφωση προφίλ), μπορεί να βοηθήσει τους φορείς εκμετάλλευσης φυτών να εντοπίσουν τα προβλήματα νωρίς.
Μελλοντικές Οδηγίες και Αναγκές Έρευνας
Παρά την αυξανόμενη ευαισθητοποίηση, παραμένουν σημαντικά κενά γνώσεων. Οι περισσότερες μελέτες έχουν διεξαχθεί σε εργαστηριακή κλίμακα με υψηλές μικροπλαστικές συγκεντρώσεις που μπορεί να μην αντανακλούν σενάρια πραγματικού κόσμου. Μακροχρόνιες μελέτες πεδίου σε διαφορετικά κλίματα και συνθέσεις λυμάτων είναι απαραίτητες. Ο ρόλος των νανοπλαστικών (σωματίδια <1 μm) στην απόδοση των φίλτρων είναι σχεδόν εντελώς ανεξερεύνητος. Επιπλέον, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μικροπλαστικών, βιοφίλμ και πρωτόζωων βόσκων ⁇ που ελέγχουν τους βακτηριακούς πληθυσμούς σε φίλτρα ⁇ εγγυημένη έρευνα. Τέλος, η οικονομική ανάλυση της εφαρμογής των τεχνολογιών απομάκρυνσης μικροπλαστικών έναντι του κόστους της κατάντη περιβαλλοντικής βλάβης θα πρέπει να διεξαχθεί για να καθοδηγήσει τις επενδυτικές αποφάσεις.
Συμπέρασμα
Η μικροπλαστική ρύπανση αποτελεί σημαντική και μη αναγνωρισμένη απειλή για τις βιολογικές διαδικασίες που στηρίζουν την επεξεργασία των λυμάτων στα φίλτρα συρρίκνωσης. Με τη φυσική διαταραχή των βιοφίλμ, την παροχή τοξικών χημικών ουσιών και την τροποποίηση της δομής της μικροβιακής κοινότητας, τα μικροπλαστικά μπορούν να βλάψουν την BOD και την απομάκρυνση αμμωνίας, να αυξήσουν το λειτουργικό κόστος και δυνητικά να διευκολύνουν την εξάπλωση της ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά. \" πολύπλευρη προσέγγιση που συνδυάζει τη μείωση της πηγής, τη βελτίωση της προεπεξεργασίας, τις λειτουργικές προσαρμογές και τη συνεχιζόμενη έρευνα είναι απαραίτητη για την προστασία της αποδοτικότητας και της βιωσιμότητας αυτών των ζωτικών συστημάτων επεξεργασίας. \" παραγωγή πλαστικών εξακολουθεί να αυξάνεται, ο τομέας των λυμάτων πρέπει να προσαρμοστεί για να διασφαλίσει την ποιότητα των υδάτων και τη δημόσια υγεία.
Για περαιτέρω ανάγνωση, βλέπε την έρευνα μικροπλαστικών της EPA, μια ολοκληρωμένη επανεξέταση μικροπλαστικών στην επεξεργασία λυμάτων και μια μελέτη για την απόκριση βιοφίλμ σε μικροπλαστικά]].