铁介导的蛋白质-腐殖酸相互作用：好氧/厌氧条件对蛋白质水解及废水处理的影响

本研究针对废水中蛋白质降解速率慢于碳水化合物的难题，探讨了铁（Fe）与腐殖酸（HA）在好氧/厌氧条件下与蛋白质的相互作用机制。结果表明，好氧条件下Fe(III)与HA协同抑制蛋白质水解率达90%以上，而厌氧条件下Fe(III)被还原为Fe(II)后复合物稳定性降低。该研究为利用氧化还原条件调控铁络合作用以提升废水处理效率提供了新策略。

　　

在城镇污水和工业废水处理过程中，蛋白质和碳水化合物是两种主要的可生物降解有机物。然而，在实际处理系统中，蛋白质的降解速率往往显著慢于碳水化合物，这导致了处理效率的降低和剩余污泥产量的增加。这一现象背后可能隐藏着复杂的化学相互作用。废水本身是一个复杂的混合物，其中除了目标降解的有机物外，还普遍存在一些“配角”物质，例如广泛用于化学除磷的铁盐，以及天然有机物分解产生的腐殖酸（Humic Acid, HA）。这些共存物质之间是否会“拉帮结派”，形成难以被微生物攻击的复合物，从而拖慢蛋白质的降解步伐？特别是铁元素，其化学行为高度依赖于环境中的氧化还原条件。在充满氧气的曝气池（好氧条件）下，铁主要以带三个正电荷的Fe(III)形态存在，其络合能力强；而在缺乏氧气的厌氧消化池或缺氧区，铁则被还原为带两个正电荷的Fe(II)，其化学性质更为活泼但络合稳定性可能较差。这种因条件而异的“变脸”特性，使得铁在有机物络合与释放过程中可能扮演着关键角色。尽管已有研究分别探讨了铁与腐殖酸、铁与蛋白质之间的相互作用，但对于铁、蛋白质和腐殖酸三者如何在好氧与厌氧的“舞台”上共舞，以及这场“舞蹈”如何影响蛋白质的水解效率，科学界仍缺乏系统性的认识。正是为了解开这个谜团，由Muhammad Fauzul Imron等人组成的研究团队在《Chemosphere》上发表了他们的最新研究成果，系统地评估了不同氧化还原条件下铁介导的蛋白质-腐殖酸相互作用的机理及其对水解过程的影响。

为完成此项研究，作者团队主要运用了几项关键技术：首先，他们通过96孔板荧光分析法，定量测定了在不同铁（Fe(III)或Fe(II)）和腐殖酸（HA）浓度下，蛋白质（以酪蛋白为模型）和碳水化合物（以纤维二糖苷为模型）的水解速率，并采用一级动力学模型进行计算。其次，利用尺寸排阻高效液相色谱（SEC-HPLC）分析了铁、蛋白质和HA复合物的分子尺寸分布变化，以评估络合程度。再者，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术解析了复合物中功能基团（如羧基、氨基、酚羟基等）的振动峰位移，从而在分子水平上揭示铁与有机物之间的相互作用机制（如静电作用、配位键）。此外，研究还通过化学检测方法（如Hach试剂盒）测量了反应后溶液中游离铁、蛋白质和HA的浓度，以直接反映络合反应的发生。所有实验均在严格控制的好氧（敞口）和厌氧（氮气保护并添加还原剂肼）条件下进行，并使用统计学方法（如ANOVA）验证结果的显著性。

3.1. 蛋白质和碳水化合物的水解速率

研究人员首先直观地展示了铁和腐殖酸对两种有机物水解的截然不同的影响。结果显示，蛋白质水解对Fe和HA的抑制作用极为敏感。在好氧条件下，单独添加15 mg L^-1的Fe(III)可使蛋白质水解速率降低超过50%，而当Fe(III)与高浓度（60 mg L^-1）HA共存时，抑制率更是高达90%以上。相比之下，碳水化合物水解则显得“坚韧”得多，即使在最高浓度的Fe(III)或HA作用下，其速率降低也不足10%。在厌氧条件下，虽然Fe(II)的络合能力较弱，但Fe(II)与HA的组合在较高浓度时仍对蛋白质水解产生显著抑制。这些结果清晰地表明，铁与腐殖酸的协同作用对蛋白质降解构成了严重障碍，而这种效应对于碳水化合物而言则微弱得多。

3.2. Fe-蛋白质-HA复合物的氧化还原依赖性稳定性

为什么好氧和厌氧条件下抑制作用差异如此显著？为了探明原因，研究人员转向对复合物本身性质的分析。SEC-HPLC结果显示，在好氧条件下，当Fe(III)加入到蛋白质和HA的混合物中时，原本清晰的蛋白质和HA色谱峰几乎消失，表明形成了分子尺寸巨大的复合物，这些大分子聚集体在样品过滤时被截留，无法被检测到。与之相印证的是，溶液中游离的Fe(III)、蛋白质和HA浓度也急剧下降，证实了强烈的络合反应。然而，在厌氧条件下（通过添加肼促进Fe(III)还原为Fe(II)），情况发生了逆转。色谱图中再次出现了蛋白质和HA的峰，且出峰时间接近其单独存在时，同时游离的HA和Fe浓度显著回升。这表明在厌氧环境下形成的Fe(II)-蛋白质-HA复合物尺寸更小、稳定性更差，更容易解离，从而使得部分被“锁住”的有机物重新获得被水解的机会。

3.3. Fe-蛋白质-HA络合的分子相互作用机制

FTIR光谱分析为上述宏观现象提供了分子层面的解释。图谱显示，当Fe(III)与蛋白质相互作用时，蛋白质分子中酰胺I带（~1650 cm^-1）和酰胺II带（~1550 cm^-1）的吸收峰发生了位移，这表明Fe(III)与肽键中的羰基氧（C=O）和氨基氮（N-H）等基团发生了配位作用。对于腐殖酸，Fe(III)的加入引起了酚羟基（~3000-3600 cm^-1）、芳香基团（~1600 cm^-1）等特征峰的变化，表明这些富电子基团是Fe(III)结合的主要位点。特别值得注意的是，在混合物中出现了新的吸收峰（~2632 cm^-1），这归因于强氢键环境下的O-H伸缩振动。这些光谱证据共同表明，Fe(III)作为一个强大的“桥梁”，通过静电吸引和形成配位键，同时抓住蛋白质和HA分子上的多种功能基团（如羧基、酚羟基、氨基等），从而形成了稳定的三元复合物。

研究的结论部分明确指出，铁的氧化状态是调控蛋白质-腐殖酸络合行为的关键开关。在好氧条件下，Fe(III)作为强大的交联剂，能牢固地结合蛋白质和腐殖酸，形成稳定的大分子复合物，极大地阻碍了酶对蛋白质的接近和攻击，导致水解效率骤降。而当环境转变为厌氧时，Fe(III)被还原为Fe(II)，其络合能力大大削弱，复合物的稳定性和尺寸也随之减小，部分被包裹的有机物得以释放，从而提高了其生物可利用性。这一发现具有重要的实际意义。在现有的废水处理工艺中，如旨在强化生物除磷的A²/O（厌氧-缺氧-好氧）工艺，或者用于污泥稳定化的厌氧消化过程，本身就存在着好氧与厌氧条件的交替。本研究提示我们，可以利用这种天然的氧化还原循环来主动调控铁的行为：在好氧区利用Fe(III)的强络合能力捕获并沉淀有机物（包括难以降解的蛋白质-腐殖酸复合物），随后在厌氧区通过Fe(III)的还原促使这些复合物解离，释放出有机物进行后续降解。这为优化现有污水处理工艺、提高难降解有机物去除效率、减少剩余污泥产量提供了一个潜在的新思路。当然，作者也坦诚指出，本研究使用的是简化模型基质，实际废水成分极为复杂，未来需要在真实废水体系中进一步验证这些机制的适用性和影响程度。然而，这项研究无疑为理解铁在环境化学过程中的复杂角色，以及开发更高效的废水处理策略，提供了宝贵的理论基础和实验依据。