不同预处理条件下污泥厌氧发酵系统中DOM动态演变特征与微生物群落响应关系解析

　　摘要：本篇文章为WAS厌氧发酵的预处理策略优化提供了参考，并深入解析了WAS厌氧发酵过程中DOM与微生物性状之间的内在联系。

　　背景：在全球资源稀缺和环境问题日益严重的情况下，推动绿色低碳循环发展经济越来越重要。厌氧发酵是实现污泥低碳与资源化处理的重要途径。作为微生物驱动的过程，微生物在发酵过程中吸收和转化溶解性有机物(DOM)，同时DOM结构和分布特征也影响微生物群落和代谢活动，影响物质的代谢转化并不可避免地影响发酵性能。解析DOM动态变化、细菌群落结构和代谢功能性状之间的交互关系对于提高厌氧发酵效率至关重要。

　　研究方法：该研究构建了“DOM-微生物群落-功能代谢-VFAs”共生生态网络，揭示了DOM动态演变在WAS发酵过程中与细菌群落网络、组装过程和微生物特性之间的相互作用。

　　主要结果：

　　研究结果表明，不同预处理提高VFAs的生产效率，促进效果差异显著。除发酵底物浓度提升外，DOM的结构和组成特性变化也对VFAs的合成产生影响。

　　图1. 不同预处理对WAS发酵过程中(A)VFAs产量，(B)VFAs组成，(C)碳水化合物和蛋白质浓度，(D)SCOD变化的影响

　　预处理能够增强DOM的可生化性，改善VFAs的生产效率。预处理促进DOM中O/C比的提升，进一步改善DOM的亲水性，提升可生物降解性。同时，预处理改变了DOM的分布特征，提升了脂质和碳水化合物等具有相对较高的可生物利用度物质的占比。不同的预处理方法也增加了低分子量物质的比例，低分子量的DOM表现出显着的疏水性和渗透细胞膜的能力。

　　图2. (A)DOM的EEM表征，(B)不同预处理后的荧光强度

　　图3. 不同预处理后(A)DOM的分布模式，(B)生化类DOM组成，(C) 基于分子计数的分子量分布情况，(D)FTIR光谱，(E)2D-COS-FTIR光谱

　　DOM可生物降解能力的增强刺激了功能性微生物的代谢活动，将其转化为易于易生物降解的蛋白质类物质，从而促进VFAs产量的提升。在VFAs产量达到峰值之前，类蛋白质物质的比例也不断增加，在被功能微生物代谢之后，其比例最终呈现下降趋势。

　　图4. 预处理对WAS发酵过程中(A)HIX和BIX指数变化，(B)荧光强度，(C)模型组件的荧光特征，(D)各荧光组分的荧光强度，(E)DOM多个指标之间的相关性分析

　　DOM可生物利用性的提高改善了复杂的微生物网络，提高了生态网络的效率，增强了生态网络内的负相关关系，对生态网络内的连通性程度传递性和模块化产生了有益的影响。此外，生态网络内相关关系的变化塑造了不同的微生物群落。蛋白质类物质的增加刺激了水解酸化菌的富集，强化水解和氨基酸代谢等代谢功能的表达，促进了VFAs效能的提升。关键物种微生物活性的增强上调了DOM的代谢，并对蛋白质类DOM的分解和转化为VFAs产生了积极影响。

　　图5. (A)“DOM-微生物群落-功能代谢-VFAs”共生生态网络，(B)不同网络Zi-Pi图，(C)PLS-PM显示对VFAs生产的直接和间接贡献

　　主要结论：研究发现，不同预处理方式改变DOM分布模式并促进易生物降解物质的释放，刺激功能微生物的富集和关键功能基因的表达，最终提升VFAs生产效能。DOM特性决定了厌氧发酵系统的内部稳定性。DOM可生物利用性的提高加速了微生物对DOM的代谢转化能力。共生生态网络显示，小分子DOM与水解产酸菌的相互作用更紧密。DOM可生物降解性的增强刺激了功能性微生物的富集并增强了代谢功能，从而促进了VFAs的生成。

　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121930