关于茶多酚对废活性污泥厌氧发酵产生的挥发性脂肪酸的影响的见解：性能、生物降解过程及作用机制

《Journal of Environmental Radioactivity》：Insight s into the effects of tea polyphenols on volatile fatty acids production from waste activated sludge anaerobic fermentation: Performance, biodegradation and mechanisms

茶多酚添加显著提升废活性污泥厌氧发酵中挥发性脂肪酸（VFAs）及乙酸产量，最大增效剂量0.12g/g TSS使VFAs和乙酸分别提升5.9倍和28.2倍。机制研究表明茶多酚通过改变蛋白质构象增强其降解，同时促进微生物群落多样性及蛋白降解相关功能基因表达。

　　

张婷婷|张宇涵|王晓伟|张光义|赵子生

郑州大学生态与环境学院，中国郑州科学路100号，450001

摘要

厌氧发酵是一种从废活性污泥（WAS）中回收资源的有前景的生物技术，但其效率较低。在本研究中，将茶叶废弃物中的茶多酚（TPs）添加到WAS发酵罐中以提高挥发性脂肪酸（VFAs）的产量。结果表明，TPs能够显著促进VFAs的产生，尤其是乙酸的产生，并且存在剂量-效应关系。具体而言，当TPs的添加量为0.12克/克总固体（TSS）时，VFAs和乙酸的产量达到最大值，分别比对照组高出5.9倍和28.2倍。研究发现，TPs可以有效促进WAS中蛋白质的降解，但对多糖的降解作用不明显。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析显示，在添加了0.12克/克TSS TPs的发酵罐中，蛋白质的荧光强度比对照组低50.9%。蛋白质的光谱特性和二级结构变化表明，TPs可以与蛋白质相互作用并改变其结构，使其更易于生物降解。此外，与蛋白质降解相关的微生物丰度和功能基因的表达也显著增强。本研究有助于探讨TPs对WAS厌氧发酵的影响，并为未来厌氧发酵机制的研究提供了新的视角。

引言

城市污水处理厂生物处理单元产生的废活性污泥（WAS）由于其体积庞大、含有大量病原菌和重金属以及处理成本高昂，已成为一个紧迫的环境问题（Gao等人，2025年；Xu等人，2024a年）。另一方面，WAS中含有大量有机物质，如蛋白质，这些物质可以作为资源回收的原料（He等人，2024年；Xu等人，2023b年）。在各种从WAS中回收资源的方法中，厌氧消化是一种环保且具有前景的生物技术（Liang等人，2024年）。在这一过程中，WAS通过一系列复杂的生化反应转化为沼气，包括水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成（Xu等人，2022年）。然而，利用厌氧消化生产沼气面临多个挑战，包括效率低、停留时间长以及需要净化以去除杂质（如蒸汽和二氧化碳）才能利用沼气（Liang等人，2024年）。

值得注意的是，挥发性脂肪酸（VFAs）作为厌氧消化过程中的中间产物，是化学产品的关键成分，其价值高于沼气（Wu等人，2024年）。此外，产生的VFAs可以直接回用于污水处理厂的生物处理单元，作为高级碳源补充，以满足初级生物处理过程中的营养去除需求（Yu等人，2023年）。然而，从WAS中生产VFAs的效率受到水解步骤的限制，而水解过程受到有效溶解和分解污泥絮体的挑战（Pang等人，2024年）。因此，通常采用预处理措施来提高WAS的生物降解性，包括物理方法（如超声波和微波）、pH值调整（碱性或酸性）以及添加化学物质（Li等人，2023年）。探索经济高效且有效的化学添加剂用于预处理是提高WAS发酵效果的一种可行途径。

茶叶作为一种饮料在全球范围内广受欢迎，这主要归功于其健康益处，包括神经保护、抗炎和抗病毒特性（Gao等人，2024年）。2020年全球茶叶消费量为630万吨，预计到2025年将增加到740万吨（Duarah等人，2024年）。因此，在茶叶生产和使用过程中会产生大量废弃物。茶叶的主要化学成分已被确定为多酚、多糖和生物碱。其中，茶多酚（TPs）作为多羟基酚类化合物，占茶叶干重的约30%，包括儿茶素、酚酸、花青素等。TPs的基本结构是2-双酚苯并吡喃，其酚羟基主要位于邻位或间位（Suo等人，2023年）。这种独特的结构使TPs不仅能够离子化H⁺离子并具有可进行氧化还原反应的酚羟基，还能通过共价或非共价相互作用与蛋白质形成复合物（Yu等人，2024年）。

先前的研究发现，在厌氧系统中，提高质子和电子转移效率可以促进共生能量代谢，从而提高厌氧效率（Xu等人，2024b年；Zhao等人，2018年）。TPs可以作为电子供体并具有氧化还原性质，理论上可以促进厌氧效率的提高（Xu等人，2023a年）。Liu等人（2020年）发现，添加TPs可以形成稳定的复合物，从而减少WAS厌氧消化过程中活性氧的负面影响。此外，在WAS发酵过程中，蛋白质降解被认为是限速步骤，从而限制了VFAs的产量。有报道称TPs可以与蛋白质结合形成茶多酚-蛋白质复合物（Huang等人，2024年）。然而，TPs与蛋白质结合是否能够改变蛋白质的构象和稳定性，使其更易于微生物降解，从而促进VFAs的产生，目前尚不清楚。

本研究的主要目的是揭示TPs作为无毒且可溶性物质对WAS厌氧发酵中VFAs产量的影响，并揭示其背后的机制。首先，对TPs的化学和生物降解性质进行了表征。然后，研究了TPs剂量对WAS厌氧发酵性能的影响。进一步阐明了TPs与WAS之间的相互作用以及TPs在厌氧过程中的降解情况。最后，通过16S rRNA和宏基因组分析研究了TPs对微生物群落动态演变和代谢功能的影响。这项工作有望揭示TPs对WAS厌氧发酵影响和机制的见解，并为TPs在WAS处理中的应用提供新的方法。

实验部分

本实验中使用的WAS、接种物和TPs

本实验使用的WAS取自中国郑州五龙口市政污水处理厂的二次沉淀池，自然沉淀24小时后弃去上清液。WAS的主要特性如表1所示。实验中使用的接种污泥来自中国郑州马头岗市政污水处理厂的厌氧消化池，并在实验前在实验室进行了培养

TPs剂量对VFAs产量的影响

图1(A)展示了TPs剂量对WAS厌氧发酵中VFAs积累的影响。可以看出，TPs的存在可以有效促进VFAs的产生，但过量的TPs会减弱这种促进作用。具体来说，在第八天，随着TPs剂量从0克/克TSS（即对照组反应器）增加到0.12克/克TSS，VFAs的产量从520.4毫克COD/L显著增加到3066.1毫克COD/L，增加了5.9倍

结论

在本研究中，首先将茶叶废弃物中的TPs添加到WAS发酵罐中以提高VFAs的产量。当TPs的添加量为0.12克/克TSS时，VFAs和乙酸的产量分别从对照组的4022.6毫克COD/L和862.8毫克COD/L增加到15,218.2毫克COD/L和10,139.1毫克COD/L。研究发现，VFAs产量的增加主要归因于TPs促进了WAS中蛋白质的降解。可能的机制是TPs中的酚羟基和羧基

作者贡献声明

张婷婷：研究、数据分析。 张宇涵：数据可视化、验证。 王晓伟：资金获取、数据分析。 张光义：软件、资源支持。 赵子生：撰写初稿、监督、软件使用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52200109）的支持。