微生物驱动制革污泥产脂肪酸：解析微生物组活性与功能冗余性

本综述深入探讨了利用微生物群落对制革污泥进行厌氧发酵生产短链脂肪酸（SCFAs）的创新策略。研究通过氧化（Ox）和热（Th）预处理，结合不同水力停留时间（HRT）与温度，系统分析了微生物群落结构、代谢活性及功能冗余性，揭示了其在有机质转化与产物合成中的核心作用，为工业废物资源化与循环经济提供了关键微生物学依据。

　　

引言

制革工业作为全球时尚与鞋类产业的重要支柱，伴随其生产活动产生的大量制革污泥，因其高有机负荷、重金属含量及难降解特性，对生态环境构成严重威胁。传统处置方式如填埋和焚烧不仅加剧土壤与水体污染，还导致温室气体排放和资源耗竭。近年来，基于微生物技术的废物资源化策略，尤其是厌氧发酵产短链脂肪酸（SCFAs），因其成本效益高且环境友好，逐渐成为研究热点。SCFAs可作为生物燃料、生物塑料或藻类培养的营养源，进一步推动皮革行业的循环经济转型。预处理技术（如氧化与热预处理）被广泛应用于提高污泥中有机物的生物可利用性，然而，相关微生物群落的结构与功能动态尚未被系统解析。本研究首次针对制革污泥厌氧发酵过程中的微生物群落组成、代谢活性及功能冗余性展开深入探讨，以期为优化生物工艺提供理论依据。

材料与方法

实验设计基于四个半连续搅拌槽反应器（sCSTRs），分别采用过氧化氢（H₂O₂）氧化预处理（Ox）和热预处理（Th），在40°C（中温）与50°C（高温）下运行，水力停留时间（HRT）设为4天和8天，有机负荷率（OLR）分别为12.6和6.05 gVS/L·d。反应器性能通过监测SCFAs产量、化学需氧量（COD）、铵态氮、pH及铬浓度进行评估。微生物活性通过荧光原位杂交（FISH）和催化报告沉积荧光原位杂交（CARD-FISH）技术量化，使用EUB338mix探针组检测细菌活性比例（FISH/CARD-FISH比率）。样本DNA提取采用DNeasy PowerSoil Pro试剂盒，16S rRNA基因V1-V3区扩增后通过Illumina测序平台进行分析，序列数据处理依托QIIME2流程，包括去噪、修剪和分类学注释。统计分析与可视化通过PAST软件完成，基于Bray-Curtis距离矩阵进行非度量多维尺度（NMDS）排序。

结果与讨论

微生物活性对SCFAs生产效率的影响

研究显示，较长HRT（8天）与较低OLR（6.05 gVS/L·d）条件下，SCFAs产率（Y）显著提升。Ox系统中，Ox_8的Y值达0.32 ± 0.01 g COD_SCFA/g VS，高于Ox_4的0.25 ± 0.01 g COD_SCFA/g VS；Th系统中，Th_8的Y值最高，为0.4 ± 0.01 g COD_SCFA/g VS。微生物活性分析表明，FISH/CARD-FISH比率与Y值高度相关（r = 0.98, p < 0.01），Ox_4、Ox_8、Th_4和Th_8的比率分别为0.8、0.9、0.85和0.95，印证了较长HRT和高温条件可增强细菌代谢活性，进而促进有机质向SCFAs的转化。这一发现首次将化学产出与微生物活性参数直接关联，强调了生物过程优化中微生物代谢监测的重要性。

Ox与Th系统中的细菌动态

初始接种污泥中，厚壁菌门（Firmicutes）占主导（96–98% in Ox, 77–81% in Th），主要为梭菌目（Clostridiales），其丰度与污泥的高蛋白含量及铬污染环境适应性相关。稳态运行时，Ox系统以放线菌门（Actinobacteria, 34–42%）、拟杆菌门（Bacteroidetes, 36–37%）和厚壁菌门（Firmicutes, 21–28%）为主，关键菌属为Proteiniphilum（34–35%），其蛋白降解能力主导了乙酸和丙酸的生产；此外，Corynebacterium 1（放线菌）的丰度较高（16–22%），与其耐铬特性及发酵代谢相关。Th系统则主要由Coprothermobacteraeota（51–62%）和厚壁菌门（31–44%）构成，Coprothermobacter sp.为核心SCFAs生产者（51–61.6%）；其他重要菌属包括Clostridia D8A-2（5.4–12.3%）、Desulfitibacter（2.3–6.9%）和Desulfotomaculum（4.1–6.4%），这些菌株兼具蛋白降解、硫氧化及铬还原功能，有助于缓解重金属毒性并支持系统稳定性。NMDS分析证实，Ox与Th系统在微生物群落结构和SCFAs产物谱上显著分离：Ox系统以乙酸和戊酸为主，Th系统以丁酸和丙酸为主，且Y值更高。尽管温度差异导致群落组成分化，两者均富集了多种蛋白降解菌，体现了显著的功能冗余性，表明不同分类单元可执行相似代谢功能，保障系统稳健性。

结论

本研究首次系统阐明了制革污泥厌氧发酵产SCFAs过程中的微生物群落动态与代谢机制。氧化与热预处理结合长HRT（8天）和低OLR（6.05 gVS/L·d）可有效提升SCFAs产率，并增强微生物代谢活性。温度是驱动群落分化的关键因子，中温条件偏好Proteiniphilum等 mesophilic菌株，高温条件选择Coprothermobacter等 thermophilic菌群。尽管分类学组成差异显著，两类系统均呈现出以蛋白降解为核心的功能冗余性，暗示可通过定向富集功能菌株优化工艺效率。这些发现为设计高效生物反应器、实现制革废物资源化与行业可持续发展提供了坚实的微生物学基础。