揭示聚半乳糖醛酸-金属复合物中的键合强度对废弃活性污泥产甲烷过程的抑制作用

《ACS ES&T Engineering》：Uncovering the Hindering Effect of Bonding Strength in Polygalacturonate–Metal Complexes on Methane Production from Waste Activated Sludge

通过有机-金属复合物降解废活性污泥中有机质实现甲烷回收，Fe3?强键复合物显著抑制酶活性（>48.3%和>74.1%），降低甲烷产量64.1-86.8%，而Mg2?、Ca2?等弱键复合物对甲烷生产影响可忽略。

　　

在废活性污泥（WAS）中，有机-金属复合物的降解为回收甲烷（CH₄）提供了新的途径。然而，这些复合物的可降解性长期以来一直被忽视，因为其降解受到键合强度的限制。本研究通过密度泛函理论计算和其他化学分析表明，与多种金属离子形成的聚半乳糖醛酸（PGA，WAS中常见的尿酸衍生物）-金属复合物的键合强度顺序为：Fe³⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺。研究发现，具有强键合能力的Fe³⁺是降低聚半乳糖醛酸裂解酶（EC 4.2.2.2和EC 4.2.2.9，降低幅度超过48.3%）以及聚半乳糖醛酸酶（EC 3.2.1.15，降低幅度超过74.1%）活性的关键因素；这些酶由专门降解聚半乳糖醛酸的微生物群落（GDC）分泌。因此，甲烷产量显著减少（减少了64.1–86.8%），而由PGA产生的挥发性脂肪酸（VFAs）含量仅增加了0.85–0.97克/升。有趣的是，弱结合的Mg²⁺、Ca²⁺、Fe²⁺以及铁化合物（Fe₂O₃、Fe(OH)₃、Fe₃O₄）对聚半乳糖醛酸裂解酶和聚半乳糖醛酸酶的活性影响不大。此外，这些弱结合离子对PGA的厌氧降解过程几乎没有影响，从而实现了与对照组相当的甲烷产量。由此可见，即使不进行任何化学预处理，利用弱键合形成的PGA-金属复合物也能通过微生物方法实现甲烷的回收。