河海大学罗景阳团队WR：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
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成果简介
近日，河海大学环境学院罗景阳教授团队在环境领域著名学术期刊Water Research上发表了题为“Untangling the interplay of dissolved organic matters variation with microbial symbiotic network in sludge anaerobic fermentation triggered by various pretreatments”的研究论文。该研究成果构建了“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。预处理改变污泥中DOM的分布情况，促进易生物降解物质和蛋白质样物质的释放。DOM分布的改变提高了底物的生物可降解性，增强了微生物代谢能力（例如，水解和脂肪酸合成）。反过来，微生物活性的改善刺激底物代谢水平提升，并加速了高活性物质（蛋白质类DOM）向VFAs的转化，研究结果表明不同预处理下VFAs产量增加1.6-4.2倍。蛋白质类DOM的高生物可用性塑造了更复杂的生态网络。DOM组成的变化改变群落组装方式，从pH10和USp反应器中均匀分布转变为Heat反应器中的随机性。生态网络进一步揭示了水解产酸细菌（如拟杆菌门和厚壁菌门）和可生物降解的DOM（如蛋白质和氨基糖）之间的代谢协同作用，实现高效的VFAs生产效率。该研究为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。
引言
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。本研究旨在阐明不同预处理条件下DOM的动态演变特征及其与微生物群落结构、代谢功能性状和VFAs发酵效能的响应关系，具体包括（1）探究不同预处理方式对VFAs生产效能的影响；（2）解析不同预处理方式对DOM分布特征和可生物降解能力的影响；（3）不同DOM分布特征下在厌氧发酵过程中的动态演化特征和转变模式；（4）构建“DOM-微生物群落-代谢功能-VFAs”的共生网络关系，揭示微生物群落和功能代谢特征对DOM动态变化的响应关系。
图文导读
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
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。
预处理重塑了污泥中的DOM分布特性
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
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。这种特性可以增强微生物的吸收和代谢，促进它们转化为VFAs。预处理改变了官能团的优先响应特征，促进了DOM从固相到液相的转化过程，与其他预处理相比，热预处理的响应有利于暴露高反应性官能团，从而促进了WAS中蛋白质的释放，进一步提升VFAs的生产效率。
DOM的分布特征变化及可生物降解能力的提升改变发酵过程中DOM的转变模式
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。在发酵过程中，DOM成分演变遵循以下模式：C1→C2→C3，这意味着蛋白质类物质被消耗，腐殖酸逐渐释放。在发酵结束时，由于腐殖酸物质不易被微生物获取，导致VFAs产量下降。同时，DOM可生物降解性的变化可能会改变DOM与微生物之间的相互作用及其相应的代谢活动，从而可能影响VFAs的产生。
“DOM-微生物群落-功能代谢-VFAs”共生生态网络关系
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
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。pH 10和USp反应器中的微生物分布均匀，而在热反应器中则分散。
同时，蛋白质类物质需要不同复杂程度的酶活性或运输系统将DOM分解成更小的碎片。该过程使更多功能性微生物能够吸收和利用这些碎片类的DOM。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。反过来，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6. (A)，(B)，(C)微生物分布的三元相图，(D)微生物分布差异的Upsets图，(E)门和(F)属水平微生物种群演变
图7.(A) WAS发酵过程中关键通路的功能分布特征，(B)水解酶活性，(C)产酸酶活性，(D)与VFAs生成相关功能基因表达
小结
本研究采用不同方式（例如 pH 10、USp和heat）预处理WAS强化污泥厌氧发酵产酸，并阐明了DOM动态演变特性对生物转化过程的决定性影响。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。厌氧菌和可生物降解DOM在生产VFAs方面的代谢协同作用凸显了选择合适的预处理策略来调控DOM分布和组成的必要性，从而有效提高污泥厌氧发酵的效率。
作者简介
第一作者
程晓世，河海大学环境学院2022级市政工程博士研究生，研究方向为有机废弃物资源化利用，目前以第一作者（包括导师一作，本人二作）在Water Research, ACS ES&T Engineering等环境类期刊上发表SCI论文5篇。
通讯作者
罗景阳，河海大学教授、博士生导师，环境学院副院长。江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师、江苏省环境科学学会“优秀青年科技者”、河海大学“大禹学者”和青年岗位能手、IWA青年委员、中国沼气学会青年专家委员等。主要从事有机废物的资源化利用及有毒有害污染物控制理论与技术等。主持负责国家自然科学基金（面上+青年）、江苏省自然科学基金、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项（子课题）、中国博士后科学基金（面上+特助）、江苏省太湖办课题等10余项。以第一或通讯作者在ES&T、WR等环境类期刊发表高水平论文100余篇(累计ESI 高被引6篇，热点论文3篇)，申请授权国家发明专利10余项。担任Frontier in Microbiology的副主编，Chinese Chemical Letter、Journal of Hazardous Materials Advances、Results in Engineering、中国给水排水等多个期刊青年编委。
通信作者
吴瑒，同济大学环境科学与工程学院副研究员。主要研究方向为城镇污水/污泥处置与资源化利用。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后基金面上项目等多项国家/省部级科研项目，近5年以第一/通讯作者在环境领域期刊权威期刊Water Research、Applied Catalysis B: Environment and Energy等发表SCI论文35篇（JCR一区30篇，IF>10论文20篇，ESI高被引及热点论文7篇）、中文核心论文3篇；H-index 30，论文合计被引超2000次；申请美国发明专利1项、中国发明专利9项（授权5项），获上海市“超级博士后”人才计划、同济大学优秀出站博士后等荣誉；兼任Fermentation期刊编委及客座编辑、Eco-Environment & Health和Green Carbon期刊青年编委等。
