يُعدّ النيتروجين أحد أكثر الملوثات البيئية شيوعًا في مياه الصرف الصحي، وينتج عن مصادر عديدة منها مياه الصرف الصحي المنزلية، والنفايات الصناعية، ومياه الصرف الناتجة عن تربية المواشي. ويمكن أن يؤدي تصريف النيتروجين بكميات زائدة إلى مشاكل خطيرة، مثل نقص الأكسجين في المياه، واسودادها، وظهور روائح كريهة، وحتى التخثث. ويُعدّ استخدام التقنيات الميكروبية من أكثر الطرق فعالية واقتصادية لمعالجة تلوث النيتروجين. وباعتبارها تقنية أساسية في معالجة مياه الصرف الصحي، تعتمد عملية الإزالة البيولوجية التقليدية للنيتروجين على بكتيريا مؤكسدة للأمونيا (بنود أخرى)، وبكتيريا مؤكسدة للنتريت (نوب)، وبكتيريا نازعة للنتروجين (DNB) لتحويل نيتروجين الأمونيا في مياه الصرف الصحي إلى غاز النيتروجين من خلال عمليتي النترجة ونزع النتروجين. وتُستخدم هذه العملية حاليًا على نطاق واسع في أنظمة المعالجة الثانوية لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي محليًا وعالميًا.
مع ذلك، ومع التطور السريع للتصنيع والتوسع الحضري، شكّل ظهور العديد من الملوثات الناشئة - مثل الملوثات العضوية الثابتة، والمستحضرات الصيدلانية ومنتجات العناية الشخصية، والمواد الكيميائية المسببة لاضطرابات الغدد الصماء - تحديات جسيمة لأنظمة معالجة مياه الصرف الصحي البيولوجية. ولا تقتصر صعوبة إزالة هذه الملوثات على الطرق التقليدية فحسب، بل إن تفاعلاتها مع الكائنات الدقيقة من المرجح أن تُحفّز سلسلة من التفاعلات المتسلسلة، بما في ذلك اضطرابات التمثيل الغذائي في مجتمعات البكتيريا النيتروجينية وتغيرات في التعبير الجيني الوظيفي، مما يؤدي إلى تدهور مستمر في استقرار أنظمة إزالة النيتروجين في معالجة مياه الصرف الصحي وقدرتها على تحمل الصدمات.
في السنوات الأخيرة، حظيت الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، باعتبارها أحد الملوثات الناشئة، باهتمام عالمي واسع النطاق نظرًا لآثارها الضارة على البيئات المائية وأنظمة معالجة مياه الصرف الصحي. وقد أظهرت الدراسات أن هذه الجسيمات قد تُظهر تأثيرات مثبطة سامة على بعض الميكروبات، مما يُضعف كفاءة إزالة النيتروجين في الحمأة المنشطة. ومع ذلك، أشارت دراسات أخرى إلى أن الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، باعتبارها حوامل خاملة، يمكن أن توفر مواقع ارتباط ملائمة للكائنات الدقيقة، مما يزيد من مساحة انتقال الكتلة بين الكائنات الدقيقة والركائز، ويُؤثر إيجابًا على الإزالة البيولوجية للنيتروجين. غالبًا ما تعتمد هذه الخاصية المتناقضة على اقتران الخصائص الفيزيائية والكيميائية المتأصلة في الملوثات، وحالات وجودها في البيئة، وظروف تشغيل العملية. يحتاج البحث الحالي بشكل عاجل إلى توضيح آليات التفاعل بين الملوثات الناشئة والكائنات الدقيقة الوظيفية من أبعاد متعددة، وذلك لتوفير دعم نظري لتعزيز قدرة أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي على التعامل مع التلوث المركب.
1. وجود الجسيمات البلاستيكية الدقيقة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي
نظراً لاحتواء مياه الصرف الصناعي ومياه الصرف الصحي المنزلية على كميات كبيرة من الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، والتي تُصرّف إلى محطات معالجة مياه الصرف الصحي عبر أنابيب الصرف الصحي وشبكات الأنابيب تحت الأرض، تُعتبر محطات معالجة مياه الصرف الصحي مستودعاً هاماً لهذه الجسيمات. يلخص الجدول 1 التقارير المنشورة محلياً ودولياً حول وجود الجسيمات البلاستيكية الدقيقة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي في السنوات الأخيرة. يتضح أن النوع السائد من الجسيمات البلاستيكية الدقيقة في هذه المحطات هو الألياف، تليها كمية قليلة من الشظايا والجسيمات، حيث تُستمد الألياف بشكل رئيسي من غسيل الملابس المنزلية واستخدام منتجات العناية الشخصية. بالإضافة إلى ذلك، يُعد البولي إيثيلين (البولي إيثيلين) والبولي بروبيلين (PP) والبولي إيثيلين تيريفثالات (حيوان أليف) والبولي أميد (بنسلفانيا) من الأنواع الشائعة للجسيمات البلاستيكية الدقيقة في مياه الصرف الصحي الداخلة إلى محطات المعالجة. ومن بين هذه الأنواع، يُعد البولي إيثيلين أكثر أنواع البلاستيك استخداماً على مستوى العالم، ويُستخدم بشكل أساسي في المستلزمات اليومية وأغلفة المواد الغذائية. أما البولي أميد، فيُستخدم على نطاق واسع في إنتاج الأقمشة والمكونات المقاومة للتآكل نظراً لقوته العالية ومقاومته الممتازة للتآكل. باعتبارها مادة بلاستيكية حرارية تم تطويرها مبكراً، تستخدم مادة حيوان أليف بشكل أساسي في الألياف والأغشية والبلاستيك الهندسي، وبالتالي يتم اكتشافها بشكل متكرر في مياه الصرف الصحي الداخلة إلى محطات معالجة مياه الصرف الصحي.
يتضح من الجدول 1 أن تركيزات الجسيمات البلاستيكية الدقيقة في مياه الصرف الصحي الداخلة إلى محطات المعالجة المختلفة تتباين بشكل ملحوظ، وهو ما قد يرتبط بحجم السكان الذين تخدمهم هذه المحطات وأنواع وظائفها. وبشكل عام، تتراوح كفاءة إزالة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي بين 55% و97.8%، وقد يُعزى هذا التباين إلى اختلاف عمليات المعالجة المتبعة في كل محطة. تتكون محطات معالجة مياه الصرف الصحي عادةً من وحدة معالجة ثلاثية المراحل، تشمل المعالجة الأولية والمعالجة التمهيدية، بما في ذلك الفرز، وإزالة الحصى، وكشط الزيت، وغيرها. يعمل الفرز بشكل أساسي على احتجاز الجسيمات البلاستيكية الدقيقة كبيرة الحجم، ويتوقف حجم الجسيمات المحتجزة على حجم فتحات الفرز. تُزال الجسيمات البلاستيكية الدقيقة عالية الكثافة من خلال الترسيب الفيزيائي في عملية إزالة الحصى، بينما تعمل عملية كشط الزيت على إزالة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة منخفضة الكثافة العائمة على سطح مياه الصرف الصحي، محققةً كفاءة إزالة تصل إلى 45%. تدخل الجسيمات البلاستيكية الدقيقة المتبقية إلى وحدة المعالجة الثانوية، حيث تصل كفاءة الإزالة عادةً إلى 69%–80%. مع ذلك، لا يزال ما يقارب 16.9% من الجسيمات البلاستيكية الدقيقة عالقة في مياه الصرف المعالجة ثانوياً. وقد تحققت كالتشيكوفا وزملاؤها، من خلال تجارب أجريت على نظام معالجة بيولوجية متسلسلة لمياه الصرف، من أن 52% من الجسيمات البلاستيكية الدقيقة تُحتجز في الحمأة المنشطة. وأظهرت الدراسات أن معظم الجسيمات البلاستيكية الدقيقة التي تدخل عملية المعالجة الثانوية تتلامس مع الحمأة، حيث يلعب الامتزاز الكهروستاتيكي بين الحمأة المتكتلة والجسيمات البلاستيكية الدقيقة دوراً رئيسياً، بينما يطفو جزء صغير منها في الطور المائي. وعلى الرغم من إزالة الغالبية العظمى من الجسيمات البلاستيكية الدقيقة في مياه الصرف مع تصريف الحمأة الزائدة، فإن انتقالها من الطور المائي إلى طور الحمأة يزيد من خطر تأثيرها على المعالجة اللاحقة والتخلص من الحمأة.
2. العوامل المؤثرة للجسيمات البلاستيكية الدقيقة على عملية إزالة النيتروجين
2.1 التركيز
يُعد تركيز الجسيمات البلاستيكية الدقيقة أحد أهم العوامل المؤثرة في إزالة النيتروجين بيولوجيًا. وقد أظهرت دراسات سونغ وآخرون أن إضافة 10000 جسيم/لتر من جسيمات مادة PVC البلاستيكية الدقيقة، مقارنةً بالمجموعة الضابطة، تُقلل معدل النترجة من 90.97% إلى 46.66%. مع ذلك، أشار تشنغ وآخرون إلى أن تفاعل النترجة يحافظ على حالة مستقرة نسبيًا عند زيادة تركيز جسيمات البولي إيثيلين البلاستيكية الدقيقة من 20 جسيم/لتر إلى 200 جسيم/لتر. والجدير بالذكر أنه عند تعريض الحمأة الحبيبية الهوائية (AGS) لمادة PA66 بتراكيز 0، 0.1، 0.2، و0.5 غ/لتر، يصل معدل إزالة نيتروجين الأمونيا إلى ذروته عند 95.61% عند تركيز PA66 البالغ 0.2 غ/لتر. وقد لوحظت هذه الظاهرة أيضًا في دراسات أخرى تناولت تأثير جسيمات ملاحظة: البلاستيكية الدقيقة على الحمأة الحبيبية الهوائية. أظهرت الدراسات أنه عند زيادة تركيز جزيئات البولي إيثيلين تيريفثالات الدقيقة (حيوان أليف-أعضاء البرلمان) تدريجيًا إلى 500 ميكروغرام/لتر، يرتفع تركيز النترات في المياه الخارجة بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن هذه الجزيئات تُقلل من معدل إزالة النتروجين في النظام. وقد درس لي وزملاؤه تأثير خمسة تراكيز مختلفة من الجزيئات الدقيقة على عملية إزالة النتروجين، ووجدوا أن زيادة تركيز البولي بروبيلين (PP) والبوليسترين (ملاحظة:) وألياف البوليستر (بيس) تُعزز ارتفاعًا مستمرًا في معدل إزالة النتروجين من الحمأة المنشطة، بينما تؤدي زيادة تركيز كلوريد البولي فينيل (مادة PVC) والبولي إيثيلين (البولي إيثيلين) إلى انخفاض في معدل النترجة. (هونغ وزملاؤه). تمت دراسة تأثيرات حيوان أليف على الحمأة الحبيبية في عملية الأناموكس، وأظهرت النتائج أنه بالمقارنة مع المجموعة الضابطة، فإن تركيز 0.1-0.2 جم/لتر من جزيئات حيوان أليف الدقيقة ليس له تأثير كبير على حمأة الأناموكس، بينما عندما يرتفع التركيز إلى 1.0 جم/لتر، ينخفض معدل إزالة النيتروجين الكلي بنسبة 4.2%.
2.2 حجم الجسيمات
بالنسبة لنفس نوع الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، يؤثر حجم الجسيمات بشكل متفاوت على عملية إزالة النيتروجين. فقد وجد هي وزملاؤه أن اختلاف حجم جسيمات البولي فينيل كلوريد (مادة PVC) له تأثير كبير على معدل أكسدة الأمونيا؛ فكلما زاد حجم الجسيمات، انخفض معدل أكسدة الأمونيا. ويعود ذلك إلى أن الجسيمات البلاستيكية الدقيقة كبيرة الحجم تعيق انتقال الأكسجين المذاب، مما يثبط نشاط البكتيريا الهوائية المؤكسدة للأمونيا. مع ذلك، اكتشف باحثون آخرون أن كفاءة إزالة النيتروجين في عملية الأناموكس للأنظمة المعالجة بجسيمات البولي إيثيلين تيريفثالات (حيوان أليف) بحجم 75 ميكرومتر و150 ميكرومتر أقل من كفاءة المجموعة الضابطة، بينما تُظهر الأنظمة المعالجة بجسيمات حيوان أليف بحجم 300 ميكرومتر و500 ميكرومتر أداءً أفضل في إزالة النيتروجين في عملية الأناموكس مقارنةً بالمجموعة الضابطة. وقد يُعزى ذلك إلى أن الجسيمات البلاستيكية الدقيقة ذات الأحجام الأصغر لها جهد زيتا أقل، مما يجعلها أكثر عرضة للانتشار حول الحمأة المنشطة وإحداث تأثيرات سلبية. كما تم التوصل إلى نتائج مماثلة: بعد إضافة ملاحظة: بحجم جسيمات يتراوح بين 150-300 ميكرومتر إلى الحمأة المنشطة، يكون معدل إزالة نترات النيتروجين هو نفسه تقريبًا معدل مجموعة التحكم، بينما عندما ينخفض حجم الجسيمات إلى 0-75 ميكرومتر، ينخفض معدل إزالة نترات النيتروجين إلى 56.18%.
2.3 النوع
تؤثر الخصائص السطحية والتركيبات الكيميائية للجسيمات البلاستيكية الدقيقة على قدرة الحمأة المنشطة على إزالة النيتروجين. وقد وجد مياو وزملاؤه أن جسيمات ملاحظة:-نيو هامبشاير₂ الموجبة الشحنة، بعد تعديل سطحها، تُظهر سمية أعلى للكائنات الدقيقة مقارنةً بجسيمات ملاحظة:-COOH سالبة الشحنة. يُعزى ذلك على الأرجح إلى أن سطح الخلية سالب الشحنة في الغالب؛ فعند ملامستها لجسيمات ملاحظة:-نيو هامبشاير₂ الموجبة الشحنة، تميل الجسيمات البلاستيكية الدقيقة إلى اختراق الخلايا عبر التجاذب الكهروستاتيكي، مما يُثبط نموها. وبالمقارنة مع بولي بيوتيلين سكسينات (بي بي إس) القابل للتحلل الحيوي، فإن حمأة الأناموكس أكثر حساسية لـ مادة PVC غير القابل للتحلل الحيوي. قد يعود السبب في ذلك إلى أن روابط الإستر في بي بي إس قابلة للتحلل بواسطة العديد من الإنزيمات المحللة وتتحول إلى معادن بالكامل، بينما تقاوم روابط الكربون-كربون الأحادية العديدة في مادة PVC الأكسدة البيولوجية. إضافةً إلى ذلك، كشفت بعض الدراسات أن البولي إيثيلين (البولي إيثيلين) وPVC وPES لا تُظهر فروقًا جوهرية في تأثيرها على تفاعل إزالة النيتروجين في الحمأة المنشطة. علاوة على ذلك، حتى بالنسبة لنفس نوع الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، قد تتغير خصائص سطحها بسبب الإشعاع الشمسي والتآكل الفيزيائي وعوامل أخرى، والتي يمكن أن تؤثر بدرجات متفاوتة على كفاءة المعالجة البيوكيميائية لمياه الصرف الصحي.
2.4 الكثافة
قد تؤثر كثافة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة أيضًا على قدرة الكائنات الدقيقة على إزالة النيتروجين. اكتشف وانغ وزملاؤه وجود علاقة طردية بين كثافة هذه الجسيمات ودرجة تثبيط قدرة النترجة. ويعود ذلك إلى أن الجسيمات البلاستيكية الدقيقة ذات الكثافة العالية تميل إلى الترسيب والتراكم في الحمأة، بينما تطفو الجسيمات ذات الكثافة المنخفضة على سطح الماء وتتدفق خارج المفاعل.
2.5 تركيبة جودة المياه
يمكن لملوثات أخرى موجودة في مياه الصرف الصحي، مثل المضادات الحيوية، أن ترتبط بالجسيمات البلاستيكية الدقيقة عبر الامتزاز الكهروستاتيكي، مما يؤثر سلبًا على البكتيريا الوظيفية المُزيلة للنيتروجين. وقد وجد وانغ وزملاؤه أن مزيج البولي فينيل كلوريد (مادة PVC) والبولي أميد (بنسلفانيا) والتريكلوسان يُسبب تثبيطًا حادًا وشديدًا للحمأة المُنتجة للنيتروجين، بل ويؤدي إلى فقدان وظيفة النترجة في الحمأة تمامًا بعد 14 يومًا من التشغيل، حيث كانت درجة التثبيط أعلى بكثير من تأثير كل مادة على حدة. وبالمثل، بالمقارنة مع معدل إزالة نيتروجين الأمونيا في المجموعة الضابطة (99.60%)، انخفضت معدلات إزالة نيتروجين الأمونيا إلى 83.59% و86.27% و85.86% و91.31% على التوالي عند التعرض لتركيز 10 ملغم/لتر من كل من البولي فينيل كلوريد والبولي أميد والبوليسترين والبولي إيثيلين (كل منها مُضاف إليه 0.1 ملغم/لتر من التتراسيكلين). ومع ذلك، فقد وجد لي وزملاؤه... ووجد أن إضافة التتراسيكلين وحده والإضافة المتزامنة للتتراسيكلين و مادة PVC-أعضاء البرلمان تسببت في انخفاض معدل أكسدة الأمونيا (بنسبة تصل إلى 20٪)، مما يشير إلى أن إضافة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة لم تسبب تثبيطًا سامًا إضافيًا.
3. تأثير الجسيمات البلاستيكية الدقيقة على نشاط البكتيريا الوظيفية المزيلة للنيتروجين
تم إجراء تحليل إحصائي حول تأثيرات الجسيمات البلاستيكية الدقيقة على نشاط البكتيريا الوظيفية المزيلة للنيتروجين مثل بنود أخرى و نوب و DNB وبكتيريا أكسدة الأمونيا اللاهوائية (ANAOB) كما ورد في الأدبيات ذات الصلة، وتظهر التفاصيل المحددة في الجدول 2.
كما هو موضح في الجدول 2، تُظهر أنواع مختلفة من البكتيريا الوظيفية المُزيلة للنيتروجين نطاقات تحمل متفاوتة للجسيمات البلاستيكية الدقيقة، والتي تعتمد على عوامل مثل نوع الجسيمات، ومدة التعرض، وجودة المياه الداخلة، وتصميم المفاعل. بالإضافة إلى ذلك، تشير غالبية التقارير إلى أن بكتيريا أكسدة الأمونيا (بنود أخرى)، وبكتيريا أكسدة النيتريت (نوب)، وبكتيريا أكسدة النيتروجين اللاهوائية (DNB)، وبكتيريا أكسدة الأمونيا اللاهوائية (ANAOB) جميعها عرضة للتثبيط بواسطة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، مما يوحي بأن هذه الجسيمات تمتلك سمية خلوية عامة لهذه المجتمعات البكتيرية. لذلك، وللحفاظ على معدل إزالة نيتروجين عالٍ ونشاط تفاعلي قوي، من الضروري اعتماد عمليات معالجة مسبقة لإزالة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة قدر الإمكان قبل دخولها إلى نظام المعالجة البيوكيميائية، وذلك للتخفيف من آثارها المثبطة على نظام معالجة الحمأة المنشطة.
4. الآثار الإيجابية للجزيئات البلاستيكية على إزالة النيتروجين البيولوجية
4.1 التأثيرات المتضادة لجودة المياه الداخلة
تتميز مياه الصرف الصحي البلدية بتركيب معقد للغاية. قد تُمارس الجسيمات البلاستيكية الدقيقة تأثيرًا مُضادًا مع بعض الملوثات الأخرى في مياه الصرف، مما يؤدي إلى تخفيف سميتها أو حتى القضاء عليها، وبالتالي توفير درجة من الحماية للكائنات الدقيقة المُزيلة للنيتروجين. وقد وجد لي وزملاؤه أن إضافة جسيمات مادة PVC البلاستيكية الدقيقة وأيونات الكادميوم (قرص مضغوط²⁺) بشكل منفصل تُثبط معدل إزالة النيتروجين إلى حد ما، بينما تُعزز الإضافة المتزامنة لـ 1000 جسيم/لتر من جسيمات مادة PVC البلاستيكية الدقيقة وأيونات الكادميوم (قرص مضغوط²⁺) عملية إزالة النيتروجين.
4.2 زيادة جهد زيتا
سطح الحمأة المنشطة مشحون بشحنة سالبة في الغالب. لذا، كلما زادت القيمة المطلقة لجهد زيتا على سطح الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، زادت قوة التنافر الكهروستاتيكي بين هذه الجسيمات والحمأة المنشطة، مما يؤدي إلى عدم وجود تأثير يُذكر، بل قد يُحفز، عملية إزالة النيتروجين البيولوجية. وقد أظهرت الدراسات أن إضافة جسيمات البوليسترين بحجم 500 نانومتر إلى بكتيريا النترجة يمكن أن تزيد في آنٍ واحد من معدل أكسدة الأمونيا ومعدل استهلاك النتريت، بينما تؤدي إضافة جسيمات البوليسترين بحجم 50 نانومتر إلى تأثير مثبط.
4.3 مساحة استعمار موسعة
باعتبارها حوامل ميكروبية، تُهيئ الجسيمات البلاستيكية الدقيقة ظروفًا بيئية دقيقة ملائمة للبكتيريا المُزيلة للنيتروجين، مما يُعزز التصاقها وتكاثرها، وهو ما يتجلى في تأثير إيجابي. فعندما يزداد تركيز البولي فينيل كلوريد من 1000 جسيم/لتر إلى 5000 جسيم/لتر، ترتفع قيمة k لمعادلة الانحدار الخطي لتفاعل إزالة النيتروجين من الرتبة الصفرية بمقدار 1.62. إضافةً إلى ذلك، تُطلق الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، وخاصةً القابلة للتحلل الحيوي، الكربون العضوي المذاب، مما يُعزز بدوره عملية إزالة النيتروجين. كما أن إضافة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة وتحسين البيئة الدقيقة قد يُحفزان إعادة بناء المجتمعات الميكروبية بشكل تكيفي، ويُعيدان تشكيل أنماط التكافل الأصلية، ويُمكّنان الكائنات الدقيقة من التكيف بشكل أفضل مع البيئة المُعرضة للجسيمات البلاستيكية الدقيقة.
5. الآثار السلبية للجسيمات البلاستيكية على إزالة النيتروجين البيولوجية
5.1 تقليل وعدم استقرار المواد البوليمرية خارج الخلية (EPS)
تُعدّ المادة البوليمرية خارج الخلية (EPS) طبقة من المواد تُفرزها الخلايا خارج الغشاء، وتتكون أساسًا من عديدات السكاريد والبروتينات والمواد الدبالية. تستطيع الكائنات الدقيقة إنتاج EPS تلقائيًا للتكيف مع البيئات الخارجية القاسية. وقد وجدت الدراسات أن الحمأة الحبيبية الهوائية (AGS) المعرضة لتركيزات منخفضة (15 جسيمًا/لتر) من البولي إيثيلين تيريفثالات (حيوان أليف) تُظهر زيادات بنسبة 22.8% و22.5% و21.3% في محتوى عديدات السكاريد والدهون والأحماض الدبالية في EPS، على التوالي. مع ذلك، عندما يرتفع تركيز جسيمات حيوان أليف الدقيقة (حيوان أليف-أعضاء البرلمان) إلى 75-300 جسيم/لتر، يُظهر محتوى هذه المواد الثلاث اتجاهًا تنازليًا، ويعود ذلك إلى أن التركيزات العالية من الجسيمات الدقيقة تُلحق الضرر بنظام الحماية الذاتية للخلايا. (فينغ وآخرون) استخدمت مطيافية التألق لمصفوفة الإثارة والانبعاث (تخطيط كهربية الدماغ) ووجدت أنه في التفاعل بين ملاحظة:-الجسيمات النانوية و EPS، فإن ارتباط ملاحظة:-الجسيمات النانوية بـ EPS يغير البنية الثانوية للبروتينات في EPS، مما يؤدي إلى انخفاض في قدرة التكتل الحيوي واستقرار الحمأة المنشطة، مما يجعلها عرضة للمواد السامة عضو البرلمان.
5.2 الإجهاد التأكسدي
غشاء الخلية عبارة عن طبقة رقيقة تتكون من الفوسفوليبيدات والبروتينات والكربوهيدرات، تُحيط بالسطح الخارجي للخلية؛ وهو قادر على مقاومة غزو المواد الغريبة ومنع تلف المكونات الداخلية. يُعد الإجهاد التأكسدي آلية مهمة تُلحق بها الجسيمات الدقيقة الضرر بأغشية الخلايا. فعندما تتعرض الخلايا لمواد غريبة، تُفعّل آلية استجابة، وتُطلق أنواع الأكسجين التفاعلية (نظام التشغيل ROS) لتعزيز الإجهاد التأكسدي، مما يؤدي إلى تغييرات في نفاذية غشاء الخلية. وعندما ترتفع مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية بشكل مفرط، يُصاب غشاء الخلية بالتجاعيد والمسام والتشققات، مما يُلحق المزيد من الضرر بالعضيات ويُسبب خللاً وظيفياً في الخلايا. وقد أظهرت الدراسات أن مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية في خلايا AGS تزداد بنسبة 9.2% و12.5% و17.3% عند تعرضها لتركيزات 75 و150 و300 جسيم/لتر من جسيمات حيوان أليف-أعضاء البرلمان، على التوالي. لذلك، يمكن تحديد درجة الضرر الذي يلحق بالبكتيريا الوظيفية التي تزيل النيتروجين بشكل غير مباشر عن طريق قياس مؤشرات مثل أنواع الأكسجين التفاعلية ومنتجات الأكسدة الخاصة بها (مثل نازعة هيدروجين اللاكتات (LDH) ومالونديالدهيد (هيئة الدفاع الطبي)) في الخلايا البكتيرية الوظيفية.
5.3 الأضرار المادية
يُعدّ التلامس المباشر تفسيراً آخر لتلف الجسيمات البلاستيكية الدقيقة للخلايا الميكروبية. فعندما تتلامس هذه الجسيمات مع الخلايا، فإنها تُحيط بغشاء الخلية أو تندمج في جدارها، مما يُعيق انتقال الطاقة والمغذيات بين الخلية والبيئة الخارجية. وقد لاحظ الباحثون، باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، انخفاض حجم جسيمات الحمأة المنشطة (AGS) بعد إضافة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة، بل وتفتتها. ويؤدي التعرض طويل الأمد لجسيمات البولي إيثيلين تيريفثالات (حيوان أليف-أعضاء البرلمان) إلى انسداد مسام الحمأة المنشطة المسؤولة عن نقل المغذيات والمواد. وكشفت تجربة محاكاة أن جسيمات البوليسترين النانوية (ملاحظة:-الجسيمات النانوية) تتفكك وتذوب في أغشية الفوسفوليبيد عند تلامسها معها، مما يُؤدي إلى تغييرات في بنية غشاء الفوسفوليبيد وتدهور نشاط بروتينات الغشاء. إضافةً إلى ذلك، لا يُمكن إغفال الضرر الفيزيائي الذي تُسببه الجسيمات البلاستيكية الدقيقة للحمأة المنشطة نتيجة الاحتكاك الميكانيكي الناجم عن قوة القص الهيدروليكية، والذي يُؤدي مباشرةً إلى تمزق الخلايا وموتها، خاصةً في وجود جسيمات بلاستيكية دقيقة كبيرة الحجم. يمكن للجسيمات البلاستيكية الكبيرة أن تُخلّ بالبنية الطبيعية للخلايا من خلال التصادمات، مما يؤدي إلى تثبيط وظائفها أو فقدانها. وفي عملية المعالجة الكيميائية الحيوية الثانوية، قد يؤدي الاختلاط المكثف بين الحمأة والماء إلى تفاقم الآثار السلبية للجسيمات البلاستيكية على إزالة النيتروجين بيولوجيًا.
5.4 انخفاض نشاط الإنزيم
تشمل الإنزيمات الرئيسية المشاركة في الإزالة البيولوجية للنيتروجين بشكل أساسي أحادي أوكسيجيناز الأمونيا (AMO)، ومختزلة النترات (الرابطة الوطنية للوسطاء العقاريين)، ومختزلة النتريت (الأشعة تحت الحمراء القريبة). في نظام الأناموكس، يؤدي إضافة البولي فينيل كلوريد (مادة PVC) إلى تثبيط تخليق الجينات (hzsA، وhzsB، وhzsC، وHAO) التي تشفر إنزيمي هيدرازين سينثاز وهيدرازين ديهيدروجينيز، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة إزالة النيتروجين وبالتالي إعاقة تفاعل الأناموكس. وقد وجد ما وزملاؤه أن الإنزيمات المشاركة في النترجة (AMO، وNXR) تُظهر تثبيطًا ملحوظًا عند تركيز 10 ملغم/لتر من البولي فينيل سلفيد (ملاحظة:)، بينما تُثبط الإنزيمات المشاركة في نزع النيتروجين (الرابطة الوطنية للوسطاء العقاريين، وNIR) عند تركيزي 1 ملغم/لتر و10 ملغم/لتر من البولي فينيل سلفيد.
6. الاستنتاجات والتوقعات
باعتبارها ملوثًا ناشئًا في البيئات المائية خلال السنوات الأخيرة، فقد ثبت أن للجسيمات البلاستيكية الدقيقة تأثيرات محتملة على إزالة النيتروجين البيولوجية في معالجة مياه الصرف الصحي. ينبغي إجراء المزيد من البحوث في الجوانب التالية:
تطوير تقنيات سريعة لتحديد وإزالة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة في مياه الصرف الصحي لضمان كفاءة إزالة النيتروجين في الأنظمة البيوكيميائية.
وضع طرق تحليلية للتعبير عن نشاط الكائنات الحية الدقيقة الوظيفية المختلفة التي تزيل النيتروجين في وجود الجسيمات البلاستيكية الدقيقة.
بالنظر إلى تعقيد وتغير جودة مياه الصرف الصحي الفعلية، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف آثار التعايش بين الجسيمات البلاستيكية الدقيقة والملوثات الأخرى (مثل المواد العضوية المقاومة للتحلل والمعادن الثقيلة والمضادات الحيوية) على أداء إزالة النيتروجين.
تبني تقنيات مثل علم الجينوم البيئي، وعلم الأيض، وعلم النسخ لدراسة آليات تأثير الجسيمات البلاستيكية الدقيقة على بنية المجتمع والوظائف الأيضية للكائنات الحية الدقيقة التي تزيل النيتروجين من منظور البيولوجيا الجزيئية.