关于氢键在废活性污泥中不溶性胞外多糖厌氧发酵过程中作用的综合研究：以硫酸软骨素为例

《Environmental Science & Technology》：Comprehensive Insights into the Role of Hydrogen Bonds in the Anaerobic Fermentation of Insoluble Exopolysaccharides in Waste Activated Sludge: Taking Chondroitin Sulfate as an Example

氢键通过限制硫酸软骨素（CS）的结构稳定性影响废水活性污泥的厌氧发酵效率。研究显示酸预处理使CS颗粒尺寸减小41.6%，表面高度降低46.7%，氢键数量减少6.5%，导致产甲烷率从18%提升至33.1%，胞外酶活性提高11.8%。分子动力学模拟证实氢键破坏促进多糖解聚，共现网络分析揭示Thermovirga为关键功能菌群，Proteiniphilum和Mariniphaga通过分泌EC4.2.2.5型CS解链酶实现协同降解。这些发现表明氢键是难溶胞外多糖降解的关键结构制约因素。

　　

氢键赋予了不溶性胞外多糖一定的结构稳定性，但其在厌氧条件下处理污泥（WAS）发酵过程中的作用却鲜有报道。作为一种典型的、溶解度较低的高分子量胞外多糖，硫酸软骨素（CS）被用于研究氢键在WAS发酵中的作用。经过180天的富集培养后，硫酸软骨素降解菌群（CSDC）的产甲烷量仅约为18%。然而，在对CS进行快速酸性预处理后，产甲烷量显著提高了88.2%，胞外酶活性也增加了11.8%。通过粒径减小41.6%、表面高度降低46.7%、O–H振动光谱出现蓝移以及界面自由能下降38.1%等实验结果，证实了氢键结构的破坏。分子动力学模拟进一步表明，经过快速酸性预处理后，氢键的数量从51.4 ± 2.7个减少到了44.9 ± 2.1个。共现网络分析发现Thermovirga属微生物在促进微生物协同作用中起到了关键作用。宏基因组学和宏蛋白质组学分析显示，Proteiniphilum和Mariniphaga属微生物是主要的胞外CS降解酶（尤其是CS裂解酶EC 4.2.2.5）的生产者。综上所述，这些研究结果表明，氢键对不溶性胞外多糖的降解性能具有重要的结构约束作用。