近日，中国海洋大学环境科学与工程学院郭亮教授团队在Water Research上发表了题为“Cooperation of rhamnolipid and thermophilic bacteria modifies proteinic structure, microbial community, and metabolic traits for efficient solubilization and acidogenesis of mariculture solid wastes”的研究论文。文中创新性地引入鼠李糖脂（RL）缓解海水养殖残渣对厌氧发酵结合嗜热菌预处理的抑制作用，实现高强度有机废物的有效处理和碳资源回收。该研究通过逐一分析底物破解、溶解、水解和产甲烷等关键过程解释了组间产酸性能的差异，采用流式细胞仪技术在细胞水平上研究嗜热菌（TB）对RL的生理响应，结合底物理化性质和嗜热酶活性揭示了RL与TB在促进有机物释放的合作机制。为了阐明联合预处理如何影响产酸发酵过程，利用衰减全反射-傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和二维相关光谱（2D-COS）解析了蛋白质二级结构变化及有机组分与RL之间的分子相互作用，并在基因水平上对微生物群落和代谢特征进行了具体分析。该研究阐明了生物表面活性剂与嗜热菌在增强有机物溶解和脂肪酸生物合成方面的合作机制，为克服高强度有机废弃物的产酸发酵瓶颈提供了新的策略。
引言
海水养殖残渣（MSW）含有大量残饵粪便等有机颗粒物以及一些通过水产添加剂引入的难降解化合物和重金属离子，近年来随着工厂化海水养殖的迅速发展不断增加。MSW管理不当将会污染水产养殖水体，诱发病原体传播，带来严重的经济负担和环境问题。厌氧发酵结合嗜热菌预处理是实现废弃物有效处理的一种有前景的方法，能够将有机物转化为挥发性脂肪酸（VFAs）等高价值产品。然而，MSW的高固体浓度、高盐度（>2%）和低生物利用率等不利特性会给嗜热菌预处理带来固液传质受阻、微生物细胞质壁分离和代谢活性下降等多重障碍，严重限制了底物溶解和产酸效率。鼠李糖脂（RL）作为一种环保无毒的生物表面活性剂，能够加速有机物的溶解，还能作为螯合剂修复重金属和难降解化合物污染。因此，RL很有可能缓解MSW对嗜热菌预处理的抑制作用，并辅助嗜热菌（TB）提高产酸性能。但这一有效性从未被证实，而且RL如何与TB合作促进有机物的释放和VFAs的产生仍不清楚。本研究在厌氧发酵结合嗜热菌预处理系统中引入生物表面活性剂，以缓解高强度有机废弃物的不利影响，深入揭示了RL与TB协同增强有机物溶解和VFAs生物合成的性能和机制。
图文导读
单独/联合预处理下MSW产酸发酵性能
图1：单独/联合预处理MSW厌氧发酵过程中VFAs的产量变化（a）和组成（b）。
结果表明，TB+RL组中VFAs产量提高了9.4-15.1倍，并且乙酸得到富集（81.4%-94.4%），说明TB和RL共预处理能有效促进MSW发酵产酸，特别是小分子的乙酸，产生的发酵液可作为废水生物脱氮除磷的理想碳源。
VFAs产生和积累相关关键过程解析
图2：对照组和TB + 40 mg/g SS RL组预处理的MSW扫描电镜图像（a），预处理过程中可溶性蛋白质（b）、多糖（c）和SCOD（d）的变化，DOM的EEM-FRI分析（e），NH4+-N和PO43--P浓度（f），以及甲烷积累和相关酶活性（g）。
进一步对MSW破解、溶解、水解和产甲烷等关键过程解析，结果表明，TB和RL共预处理有助于破坏底物结构，促进蛋白质和含磷有机物的水解。甲烷积累量从单独TB组的5.82 mL/g VSS下降至TB + 200 mg/g SS RL组的0.09 mL/g VSS，辅酶F420活性相应下降。三维荧光光谱（EEM-FRI）分析发现共预处理促进了生物可降解物质和腐殖酸类物质的释放，可作为电子穿梭体加快发酵过程电子转移。
RL和TB合作增强有机物释放的机制
图3：单独/联合预处理后MSW的粒径分布（a）、表面张力（b）和ζ电位（c），以及不同剂量RL对嗜热酶活性（d）和细胞生理特征（e）的影响。
共预处理通过降低有机化合物与污泥液之间的表面张力加速了固液界面的传质。RL的加入削弱了预处理体系中的静电斥力和疏水相互作用，增强了TB对底物的亲和力，并且保护TB免受不利环境对酶活性和生理活性的抑制，嗜热酶（蛋白酶和α-葡萄糖苷酶）活性明显提高，40 mg RL/g SS下早期凋亡细胞和坏死细胞数量分别下降至14.6%和0.07%。
功能微生物的选择性富集
图4：门水平微生物群落结构的Circos分析（a）和聚类热图（b），属水平三元相图（c）。
参与VFAs生物合成的代谢途径和基因响应
图5：MSW发酵过程中参与VFAs生物合成的关键代谢途径（a）及编码基因（b）的相对丰度，和提出的微生物代谢网络（c）。
2D-COS分析揭示功能微生物和代谢特征转变的原因
图6：单独/联合预处理后MSW的ATR-FTIR光谱（a），MSW中蛋白质二级结构的分布（b），四种预处理后MSW的二阶导数增强分辨率和拟合曲线的酰胺I区（c），以及通过2D-COS分析得到单独TB组（d）和TB + 40 mg/g SS RL组（e）的同步（d1, e1）和异步（d2, e2）相关光谱。
理化特性、微生物群落和功能基因之间的潜在关联
图7：单一/联合预处理下MSW发酵理化性质、微生物群落和功能基因的相关性分析（a），以及联合预处理促进有机物释放和VFAs产生的示意图（b）。
皮尔逊相关矩阵和Mantel检验进一步阐明了理化性质、微生物群落和功能基因之间的内在关联。结果表明VFAs产量的提高并不归因于RL的直接降解，而是由于RL和TB合作导致的蛋白质结构破坏、底物生物利用率提高、固液界面阻力降低以及电子穿梭体释放等综合效应。
小结
本研究强调了生物表面活性剂在缓解海水养殖残渣（MSW）对厌氧发酵结合嗜热菌预处理抑制作用的有效性。鼠李糖脂（RL）的加入通过降低固液界面电负性和疏水性、提高嗜热酶活性和延缓细胞凋亡坏死，增强了嗜热菌（TB）对有机底物的预处理效果。蛋白质和腐殖酸类物质从MSW中释放出来，分别作为生物可降解有机物和电子穿梭体进入厌氧发酵体系促进VFAs生物合成。ATR-FTIR和2D-COS分析发现共预处理破坏了蛋白质中的氢键和螺旋结构，残留的RL分子可以通过特定官能团与有机组分相互作用，增加底物的生物利用性，从而诱导功能细菌的选择性富集，上调VFAs生物合成相关基因的表达。这些发现为理解RL和TB合作改善高强度有机废弃物溶解和产酸机制提供了的深入见解。
本项目得到了国家自然科学基金面上项目的资助。
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