Applying rhamnolipid to enhance hydrolysis and acidogenesis of waste activated sludge: retarded methanogenic community evolution and methane production

鼠李糖脂促進廢活性污泥水解酸化減緩產甲烷菌群落演化和產甲烷

來源： The Royal Society of Chemistry 2019, 9, 2034《RSC Advances》（2019年，第9卷）

 

論文總結

研究系統評估了生物表面活性劑鼠李糖脂（rhamnolipid, RL）預處理對廢棄活性污泥（WAS）厭氧消化過程中水解、酸生成及產甲烷的影響，重點關注了產甲烷菌群落的進化變化和甲烷生產動態。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，生物表面活性劑如RL被用作高效預處理手段，以增強WAS中短鏈脂肪酸（SCFAs）的積累。本研究發現，在RL添加（0.04 g RL g?1 TSS）下，SCFA積累伴隨著產甲烷菌的進化變化，導致甲烷生產在20天內延遲。但緩慢的甲烷生產僅在第18天前被檢測到，而乙酸（HAc）濃度在RL存在下積累至峰值2616.94±310.77 mg L?1，比對照組高2.58倍。在延遲甲烷生產期間，溶解氫濃度也增加至49.27±6.02 μmol L?1，而對照組無RL時為22.45 μmol L?1。通過古菌群落分析，氫營養型產甲烷菌（如Methanobrevibacter）在SCFA和氫快速生產初期被顯著促進，但其百分比隨時間從70%降至35%。本質上，乙酸營養型產甲烷菌的生長被推遲，但根據相關分析，它們在本研究中貢獻了大部分甲烷生產。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

闡明RL預處理對WAS厭氧消化過程中水解和酸生成的增強效應，特別是對SCFAs積累的影響。

揭示RL如何影響產甲烷菌群落結構的進化變化，以及這種變化與甲烷生產動態（延遲和最終產量）的關系。

量化RL對溶解氫濃度和代謝途徑的影響，并解析其與產甲烷活性的關聯。

 

為使用生物表面活性劑改善WAS處理效率和生物資源回收提供理論依據和優化策略。

 

研究思路

研究采用“預處理-批次實驗-多參數監測-群落分析”的系統策略：

 

實驗設計：設置平行批次厭氧消化實驗（900 mL反應瓶，700 mL WAS），添加RL（0.04 g RL g?1 TSS）作為實驗組，對照組無RL。在37°C下運行72天，定期采樣分析。

參數監測：使用標準方法測量TSS、VSS、pH、COD；通過HPLC分析SCFAs（如HAc）；通過GC測量沼氣成分（CH?、CO?）；使用丹麥Unisense微電極系統（H?微傳感器）原位測量溶解氫濃度。

微生物群落分析：采集污泥樣品，提取DNA，通過Illumina MiSeq高通量測序（針對古菌16S rRNA V4區）分析古菌群落結構和進化。

數據關聯：使用統計方法（Kendall和Spearman相關）分析微生物豐度與甲烷生產速率的關系，揭示關鍵功能菌群的作用。

 

機制闡釋：將化學參數（SCFAs、H?）與微生物數據結合，闡釋RL對代謝途徑和甲烷生產的影響機制。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖/表編號）及研究意義：

 

SCOD和SCFAs濃度數據（來源：Fig. 1）

 

數據：RL組SCOD濃度提高約6倍，總SCFAs積累達2616.94 mg L?1（峰值），HAc濃度1470 mg L?1，均顯著高于對照組。

 

研究意義：直接證明RL預處理強力增強了WAS的水解和酸生成，提供更多底物用于后續代謝，為SCFAs回收提供可能。

 

溶解氫濃度數據（來源：Fig. 3，使用丹麥Unisense微電極測量）

 

數據：RL組溶解氫濃度峰值達49.27 μmol L?1（第1天），對照組為22.45 μmol L?1；RL組氫濃度下降緩慢，維持較高水平至20天。

 

研究意義：表明RL促進了酸生成過程中的氫生產，高氫分壓可能影響產甲烷途徑（如促進氫營養型甲烷生成），為理解代謝分流提供關鍵證據。

 

累積甲烷產量數據（來源：Fig. 4）

 

數據：RL組甲烷生產延遲（前18天產量低），但最終累積產量達104.15 mL g?1 VSS（72天），高于對照組（76.50 mL g?1 VSS）。

 

研究意義：RL初始抑制了產甲烷（可能 due to SCFAs積累和pH下降），但后期促進，整體改善甲烷產率，顯示RL的長期益處。

 

古菌群落相對豐度數據（來源：Fig. 6）

 

數據：RL組初始氫營養型產甲烷菌（如Methanobrevibacter）豐度高（70%），但隨時間降至35%；乙酸營養型菌（如Methanosarcina）后期增加。

 

研究意義：揭示RL改變了產甲烷菌群落結構，從氫營養型向乙酸營養型轉變，這與甲烷生產延遲和恢復一致。

 

甲烷生產速率與群落相關性數據（來源：Table 2, Table 3）

 

 

 

數據：甲烷生產速率在RL組第36天最高（21 mL d?1）；Methanosarcina與產甲烷速率呈顯著正相關（Spearman相關系數1.000, p<0.01）。

 

研究意義：證實乙酸營養型產甲烷菌（Methanosarcina）是甲烷生產的主要驅動力，盡管其生長被RL延遲。

 

RL的CMC值數據（來源：Fig. 2）

 

數據：RL的臨界膠束濃度（CMC）為14.7 mg L?1，能將表面張力從81 mN m?1降至35 mN m?1。

 

研究意義：解釋了RL增強水解的機制——通過降低表面張力，促進污泥解聚和有機物溶出。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

RL預處理（0.04 g g?1 TSS）顯著增強WAS的水解和酸生成，SCOD和SCFAs（尤其是HAc）產量大幅提高，但導致甲烷生產延遲（前18天）。

甲烷生產延遲與產甲烷菌群落進化相關：RL初始促進氫營養型產甲烷菌（如Methanobrevibacter），但后期乙酸營養型菌（如Methanosarcina）主導，貢獻主要甲烷產量。

溶解氫濃度增加表明RL增強了酸生成過程中的氫生產，影響了產甲烷途徑。

盡管初始抑制，RL最終提高累積甲烷產量（+36%），表明其作為預處理策略的長期有效性。

 

總體，RL通過調控微生物群落和代謝途徑，優化了WAS厭氧消化性能，為生物表面活性劑在污泥處理中的應用提供了深入見解。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極系統測量溶解氫（H?）濃度的數據（Fig. 3）具有關鍵作用，其研究意義主要體現在：

 

提供了原位、實時、高精度的氫代謝動態證據：Unisense微電極能夠直接、原位測量污泥液體中的溶解氫濃度，避免了取樣帶來的擾動（如氫損失）。數據顯示RL組溶解氫濃度顯著高于對照組（峰值2.2倍），且維持時間更長，這直接證實RL增強了酸生成過程中的氫生產，可能與糖酵解和脂肪酸氧化途徑增強相關。

揭示了氫分壓對產甲烷途徑的調控作用：高溶解氫濃度（~49 μmol L?1）表明系統內氫分壓升高，這通常抑制乙酸裂解途徑（因熱力學不利）但促進氫營養型產甲烷。這與古菌群落數據（Fig. 6）一致——RL組初始氫營養型菌豐度高。Unisense數據因此連接了化學環境與微生物響應，解釋了甲烷延遲生產的原因。

支持了代謝途徑轉變的機制闡釋：氫濃度變化與產甲烷群落進化同步：初始高氫對應氫營養型菌主導，后期氫下降伴隨乙酸營養型菌增加。Unisense數據提供了時間分辨的氫動態，幫助量化代謝分流（如SAO-HM vs. AM），與SCFAs積累和甲烷生產數據互補。

技術優勢確保數據可靠性：Unisense微電極的高靈敏度（μmol L?1級）和快速響應允許連續監測，捕獲了瞬態氫峰值（如第1天），這是傳統取樣方法可能遺漏的。這增強了研究結論的準確性和說服力。

 

工程 implications：溶解氫數據表明RL預處理可能造成暫時性氫積累，這可用于調控產甲烷途徑（如促進氫回收或定向甲烷化），為工藝優化提供參數。

 

總之，丹麥Unisense電極數據不僅是氫濃度的測量工具，更是揭示代謝機制的關鍵。它通過提供原位氫動態，將RL的預處理效應與微生物代謝和群落進化直接關聯，深化了對厭氧消化過程中水解-酸生成-產甲烷耦合機制的理解。