高温热水解预处理对厌氧消化期间污泥腐殖化的调控机制
期刊：Water Research
影响因子：9.13
发表时间：2022
样本类型：污泥
客户单位：同济大学
凌恩生物客户同济大学发表在《Water Research》上的文章“The neglected effects of polysaccharide transformation on sludge humification during anaerobic digestion with thermal hydrolysis pretreatment”，强调了多糖在AD期间污泥腐殖化中的关键但被忽视的作用：受其发生状态和分子结构影响多糖的有效性可以决定腐殖化，而在不同温度下可受THP的调节。
一、研究背景
污泥稳定产物中的大分子腐殖质是负责土壤改良、进行污染物防治、提供养分、进行重金属吸收和降低植物毒性的关键物质，被认为是最有前途的土壤添加剂之一。因此，在稳定过程中促进污泥中腐殖质的积累对污泥的有效土地利用至关重要。
二、实验设计
本研究探讨了热水解预处理（THP）对污泥腐殖化的影响及厌氧消化（AD）过程中的相关调节机制。
图1 实验设计
三、实验结果
1、THP对污泥中多糖发生状态的影响
图2a为THP前后污泥样品的溶解有机质（DOM）含量。经THP处理后，所有预处理样品的SCOD值均明显高于RS-0（1992.2 mg/L），增加率296.7%~376.6%，且预处理样品的SPS和SPros均高于RS-0。使用CORCONDIA程序对四种独立的荧光成分进行了评估（图2b），组分2鉴定为类黑色素，根据其最大荧光强度（Fmax）分析其浓度。与RS-0相比，RS-140和RS-160的Fmax值上升幅度小于37.0%，而RS-180和RS-200的Fmax值显著上升幅度大于255.6%。
图2 （a）THP前后可溶性需氧量（SOD）、可溶性多糖（SPS）、还原糖（ReS）、可溶性蛋白（SPro）和类黑色素的含量；使用COR-CONDIA程序评价（b）荧光成分。
根据Py-GC/MS结果，将RS-0、RS-160和RS-180的热解产物分为24类（表1）。根据其可能的来源，将其分为5大类，如下表所示。与RS-0和RS-160相比，RS-180的PS产物明显减少，N产物明显增多。
表1 用Py-GC/MS鉴定污泥样品中的有机物组成。
采用主成分分析（PCA）对RS-0、RS-160和RS-180进行分析，研究结果详细说明了它们之间的差异（图3）。图4（a）和（b）显示了由预处理污泥样品的FTIR光谱的800-1800 cm¯¹区域生成的同步和异步二维相关图。
图3 对RS-0、RS-160和RS-180的Py-GC/MS检测到的热解产物进行（a）PCA分析；RS-0、RS-160和RS-180中5种典型热解产物（Py4、Py12、Py14、Py20、Py23）的（b）含量。
图4（a）同步和（b）异步二维相关图，在THP过程中，从800到1800 cm¯¹区域生成污泥样品的FTIR光谱（140,160,180,200◦C）。
2、高温THP对AD期污泥中有机物转化和腐殖化的影响
图5a显示了各组的累积甲烷产量与消化时间的关系。预处理组的产甲烷能力和甲烷生产速率显著高于原始污泥（p<0.05）。图5b为通过Py-GC/MS检测到的AD前后RS-0、RS-160、RS-180有机质含量的变化情况。AD处理下RS-0、RS-160和RS-180的N-浓度显著低于RS-0、RS-160和RS-180。且AnD-0、AnD-160和AnD-180的PS浓度均低于RS-0、RS-160和RS-180，其中RS-160的PS浓度降幅最大，为55.2%。
图5（a）累积甲烷产量；（b）通过Py-GC/质谱测定污泥样品AD前后不同有机物（N-、PS-、Ar-、Lig-和Lip-）的含量。
进一步研究了AD前后污泥样品中腐殖质的分布情况（图6）。高温THP处理污泥的HAC浓度低于未预处理污泥，而FAC含量高于未预处理污泥。AD后，高温THP处理污泥的TEC含量高于未预处理污泥。
图6 AD前后污泥样品中腐殖质的分布情况。
3、高温THP对AD期间污泥中HA形成相关代谢的影响
研究基于KEGG功能注释进行宏基因组测序分析。本研究根据多酚-蛋白理论，通过与莽草酸酯和苯丙氨酸途径的结合，重点研究了参与HA形成的胞内限速酶基因。图7b显示了多糖衍生物转化为多酚类化合物的具体代谢途径。据报道，6个细胞内代谢途径参与了细胞内多酚的生物合成。检测了相关酶基因的相对丰度；与AnD-0相比，AnD-160和AnD-180分别表现出基因上调和下调的趋势。在D-葡萄糖转化为苯丙氨酸时，M00001、M00004、M00022和M00024相关酶基因的相对丰度变化表明，在AnD-160中促进苯丙氨酸合成，而在AnD-180中被抑制。
M00001和M00004属于糖酵解/糖异生（ko00010）；M00022和M00024属于苯丙氨酸和芳香族氨基酸生物合成（ko00400）；M00039和M00138属于苯丙素生物合成（ko00940）。图8a显示了分配这三个途径的基因RA的转变。在与胞内多酚合成相关的三种代谢途径中，糖酵解/糖异生（ko00010）最为活跃，占14.92‰~16.93‰，其次是芳香族氨基酸生物合成（ko00400,5.8‰~6.6‰）和苯丙类生物合成（ko00940,1.7‰~1.9‰）。
图7 基于KEGG数据库的AnD-0、AnD-160和AnD-180之间预测的细胞内代谢基因的变化：HA形成的（a）概念框架；多糖衍生物转化为多酚类化合物的（b）代谢途径。
图8 （a）与多酚形成相关的三个途径（ko00010、ko00400和ko00940）基因的相对丰度（RA）的转移；（b）与腐殖液凝结相关的胞外多酚氧化酶和泛素氧化还原酶基因的RA的转移。
细胞内合成的多酚和酶被细胞外排出。多酚、醌和氨基酸被多酚氧化酶和醌氧化还原酶在细胞外凝聚形成腐殖质凝结块。腐殖质块在酶的作用下浓缩成FA和HA。比较了AD作用后污泥样品中多酚氧化酶和醌氧化还原酶基因的相对丰度（图8b）。与AnD-0（17.3‰）相比，多酚氧化酶基因的相对丰度在AnD-160增加了5.3%（18.2‰），在AnD-180降低了4.6%（16.5‰）。对于四种醌氧化还原酶，与AnD-0（3.5‰）相比，AnD-160中相关基因的RAs增加了19.1%（4.1‰），AnD-180相关基因的RAs降低了25.1%（2.6‰）。
4、高温THP对AD过程中污泥腐殖化的影响：多糖代谢机理
图9总结了高温THP在AD过程中影响污泥腐殖化的多糖代谢机理，具体过程如下图所示。该机制强调了多糖在AD期间污泥腐殖化过程中的关键但被忽视的作用，即多糖的生物可及性受其发生状态和分子结构的影响，可以决定AD期间污泥的腐殖化，在不同温度下可被THP调节。
图9 基于多糖代谢的高温THP对AD过程中污泥腐殖化的调控机制。
四、研究结论
本研究基于多糖代谢，研究了高温THP对AD期间污泥腐殖化的调控机制，160℃（AnD-160）污泥中AD后总腐殖质和总HA含量显著上调，而AnD-180后总HA含量显著下调。在160℃下进行THP后，污泥中多糖的利用率增加（可溶性多糖和还原糖最高），而在180℃下进行THP后，由于杂环化，污泥中多糖的利用率降低，这导致了细胞内多酚合成的抑制，产生了冷凝酶供应阻塞的负反馈，进一步加深了AD期间细胞外体殖质形成和凝结的难度。
参考文献
The neglected effects of polysaccharide transformation on sludge humification during anaerobic digestion with thermal hydrolysis pretreatment. Water Research, 2022.
