凌恩生物客户河海大学环境学院近期在《Bioresource Technology》期刊上(IF=11.889)发表的“Upgrading volatile fatty acids production from anaerobic co-fermentation of orange peel waste and sewage sludge: Critical roles of limonene on functional consortia and microbial metabolic traits.”研究论文中，本研究主要研究桔皮废弃物/污水污泥混合物厌氧共发酵产生挥发性脂肪酸（VFAs）的可能性，并揭示其作用机制。
期刊：Bioresource Technology
影响因子：11.889
发表时间：2022
样本类型：污水污泥
客户单位：河海大学环境学院
一、研究背景
桔皮废弃物（OPW）是一种典型的富含有机物的城市固体废弃物，OPW中的主要有机成分包括葡萄糖、果糖和蔗糖，以及果胶、纤维素和半纤维素。由于缺乏功能微生物，OPW直接厌氧发酵难以高效的生产挥发性脂肪酸（VFAs）。污水污泥是污水处理厂的副产品，含有多种具有多种代谢功能的微生物，厌氧发酵是处理污水污泥（SS）的有效方法之一，但由于其生物有效有机物含量低，处理效率通常较低。OPW和SS的联合发酵是解决单个OPW和SS促进VFAs的固有缺陷的一种更好的双赢方法。
二、实验设计
图 实验设计
通过添加0.1、0.2、0.5和1.0 g OPW/g TSS，OPW/SS质量比分别设置为1:10（R2）、1:5（R3）、1:2（R4）和1:1（R5）。没有OPW进料的发酵罐为对照（R1）。此外，还进行了另一个发酵反应器，该反应器采用0.3L单一SS 200μL CPEO（R6），以揭示柠檬烯在厌氧发酵过程中的关键作用。充氮保持厌氧后，每2 d对混合物进行取样和测定，以检测挥发性脂肪酸（VFAs）总浓度和比例的变化。
三、实验结果
1、不同桔皮废料/污泥混合比例对VFAs产量的影响
R1中VFAs的最高含量为399.3 mg COD/L（图 1）。R2、R3、R4和R5反应器中的最大VFAs生成量显著增加，分别达到1029.9、3087.8、11718.1和11996.3 mg COD/L。这表明，OPW/SS联合发酵大大提高了VFAs的产量，这对于有机废物的资源有效回收处理来说是非常可行。R1反应器中的优势VFA是乙酸和丙酸，占总VFA的28.3%和44.7%。随着OPW的加入，乙酸（35.7-57.0%）和丁酸（16.7-31.2%）逐渐成为主要的VFA，进一步说明OPW/SS厌氧共发酵可用于VFAs生产（尤其是乙酸和丁酸），具有明显的环境和经济效益。
图1 不同比例OPW/SS混合的VFA产量和VFAs组成的影响
2、区分桔皮废料/污水污泥共发酵过程中的限速步骤
与对照组相比，OPW的加入提高了增溶效率（图2），通过可溶性微生物副产物（SMP）进行EEM表征，进一步揭示了添加OPW对有机发酵增溶步骤的积极影响，其中可溶性有机物的含量与荧光强度有关。与对照组相比，添加OPW的反应器中T1和B1以及T2和B2的荧光强度均显著提高（图3）。与R1反应器相比，R6反应器（图3）中的可溶性碳水化合物和蛋白质含量（图2A和B）以及荧光强度显著增强。
在厌氧发酵过程中，可溶性NH4+-N和PO43-P通常随着发酵底物的水解而产生，在R2-R5中，它们分别增加了15.1–113.4%和280.3–1469.2%。OPW/SS共发酵罐的pH值急剧下降（图2E），这将恶化产甲烷菌的生存条件，从而影响其生存能力和活性。此外，橘皮中具有抑菌特性的柠檬烯也会对产甲烷菌产生毒性，从而抑制甲烷的形成（图2D）。
总之，添加OPW有助于提高厌氧发酵过程中的VFAs产量，促进溶解和水解阶段，同时抑制产甲烷阶段。
图2（A）可溶性碳水化合物浓度；（B）可溶性蛋白质浓度；（C）NH4+-N和PO43-P的浓度；（D）累积甲烷产量；（E）不同反应器的pH值变化
图3 可溶性微生物副产物的EEM特征
3、桔皮废料/污泥共发酵过程中微生物结构的变化
由于加入柠檬烯，与R1反应器相比，R6反应器中的细菌多样性和丰富度降低，可能是R6中的浓度过高，柠檬烯的生物毒性所致（表1）。
表1 不同反应器的α多样性数据汇总
变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门等是丰度较高的细菌（图4A），但是它们在不同处理中的丰度差异很大，在添加OPW的R5反应器中，发现了大量与VFAs生物合成相关的发酵细菌。奇怪的是，R6反应器中厚壁菌的相对丰度也增加到35.1%，这说明柠檬烯在功能微生物富集中的积极作用，消化VFA的变形菌门却大幅减少，拟杆菌门和厚壁菌门的增加以及变形菌门的减少有利于水解和酸化步骤，这与添加OPW的反应器中VFAs的高产量相一致。对属水平上细菌群落分析发现了相同的趋势，Prevotella-7是将不同碳水化合物发酵成VFA的糖化细菌，在对照组中几乎没有检测到，而在R5反应器中其丰度高达58.9%，说明糖化细菌的增加有利于OPW/SS共发酵中VFAs的积累。
总之，OPW/SS共发酵改变了微生物群落结构，有利于增加VFAs生产中的功能性发酵微生物。
图4 不同OPW/SS共发酵反应器中门和属水平的细菌种群分布
4、与挥发性脂肪酸生成相关的微生物代谢活性上调
由于存在OPW和柠檬烯，与膜转运代谢相关的基因表达有所提升，在R5和R6系统中分别为2.45%和2.86%，而在R1中仅为2.39%（图5A）。进一步分析表明，涉及单糖和氨基酸转运蛋白的编码基因高度表达（图5B）。如参与谷氨酸/天冬氨酸转运体的gltI、gltK和gltJ在R5中的分布增加了15%、48%和48%。
根据KEGG（图5A），发现碳水化合物和氨基酸代谢的相对丰度在对照组中分别为8.92和7.61%，而在R5组中分别上升至9.54和7.75%。在R5反应器中，几乎所有糖酵解/糖异生途径中注释的基因都上调（图5C）。负责将氨基酸转化为丙酮酸的关键基因也在一定程度上增加。例如，在R5反应器中，丙氨酸-乙醛酸转氨酶的AGXT提高了9.4%。参与丙酮酸催化转化为乙酰辅酶A途径的关键基因在R5中上调（图5D）。脂肪酸生物合成标记的关键基因在OPW/SS共发酵反应器中也表现出高水平表达。参与脂肪酸生物合成的其他一些功能基因在OPW/SS共发酵罐中也很高，例如fabD、fabB和fabG（图5D）。
图5 （A）基于二级KEGG数据库的基本功能的相对丰度；（B） 膜转运蛋白的关键基因；（C） VFAs生物合成代谢途径；（D） 与VFAs产生相关的关键基因的相对丰度
5、对桔皮废料/污水污泥协同发酵和环境影响的概述
OPW/SS协同发酵对于从有机废物中回收VFA非常有助力，其VFA生产效率可比单一SS发酵提高约30倍。通常，高效的VFA生产与各种因素密切相关。RDA分析表明，VFAs生物合成与生物可利用的有机底物（即碳水化合物和蛋白质）、功能性微生物（即Prevotella-7和Megasphaera）和代谢活性（即VFAs的生物合成）呈正相关（图6）。
图6 不同OPW/SS共发酵反应器中与VFAs生成相关的关键影响因素的RDA分析
四、研究结论
通过OPW和SS的厌氧共发酵，可以高效生产VFAs。OPW不仅是微生物代谢的有机底物，而且借助OPW中丰富的柠檬烯，促进了溶解和水解阶段，抑制了甲烷的生成。此外，参与VFAs生物合成的功能性发酵细菌在OPW/SS共发酵系统中进行了重组和富集，与VFAs生成相关的关键基因均上调，发酵底物和微生物代谢活性的同时改善共同促进了OPW/SS共发酵系统中VFAs的产生。
参考文献
Upgrading volatile fatty acids production from anaerobic co-fermentation of orange peel waste and sewage sludge: Critical roles of limonene on functional consortia and microbial metabolic traits .Bioresource Technology ,2022.
网友评论