中性蛋白酶调控污泥蛋白亲疏水平衡促进高效发泡与干化的协同机制

针对碱性水解污泥蛋白难以调控发泡性能的问题，湖南研究人员创新性采用中性蛋白酶(NP)预处理结合碱解法，通过调控蛋白二级结构（α-helix/β-sheet转化）和plastein反应，使NP10组发泡时间缩短36.7%、干燥能耗降低21.1%，为污泥资源化提供了蛋白质构效调控新策略。

　　

污水处理过程中产生的污泥既是环境负担又蕴含资源潜力，其中占30%-60%含量的蛋白质因其两亲特性可作为天然发泡剂。然而现有碱性水解工艺虽能高效溶出蛋白质，却因强碱条件导致蛋白过度降解，无法精准调控其发泡所需的亲疏水平衡。更棘手的是，不同来源污泥的蛋白质组成差异显著，使得传统方法在实际应用中常出现发泡失败现象。这种不确定性严重制约了污泥泡沫干化技术的规模化应用。

针对这一难题，来自湖南的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，创新性地提出中性蛋白酶(NP)预处理结合碱解的协同策略。通过系统比较酸处理、热处理及α-淀粉酶等五种预处理方法，发现10‰ NP处理2小时(NP10)能最优调控蛋白特性：不仅使多肽/蛋白质比值提升至0.4±0.02的理想发泡区间，更通过诱导plastein反应（蛋白质缩合重组）显著增加β-sheet等疏水结构占比。这种分子层面的精准调控使污泥发泡时间缩短36.7%，干燥阶段有效水分扩散率提升51.1%，整体能耗降低超五分之一。

关键技术包括：二维相关光谱分析蛋白二级结构转化、低场核磁共振监测水分迁移、SDS-PAGE电泳定量多肽分布。实验采用湖南长沙某污水处理厂的厌氧-缺氧-好氧工艺脱水污泥，通过控制NP浓度梯度(0-15‰)和时间变量(0.5-4h)优化处理参数。

【Sludge foaming behaviors】
密度测试显示NP10组最快达到0.7 g/mL发泡终点，同步表面张力仪证实其界面活性提升。电镜观察到NP处理组形成更稳定的蜂窝状泡沫结构。

【Protein characteristics】
圆二色谱揭示NP10使α-helix/(β-sheet+random coil)比值下降42%，FTIR进一步验证疏水基团暴露。独特的plastein反应促使分子量5-10kDa多肽富集，这恰是理想发泡剂的分子量范围。

【Drying performance】
干燥动力学分析发现NP10在第二降速阶段Deff值提升51.1%，LF-NMR显示结合水转化率提高19.3%，证实蛋白构象改变有效降低了水分迁移阻力。

该研究突破性地建立了"蛋白构效调控-发泡性能-干化效率"的定量关系模型，首次揭示plastein反应在污泥处理中的积极作用。相比传统碱解法，NP预处理不仅实现蛋白可控水解，更通过分子设计赋予其理想的两亲特性。这种"生物酶分子剪刀+结构编辑"的策略，为复杂组分污泥的标准化处理提供了新思路，其揭示的蛋白亲疏水调控机制对污泥脱水、厌氧消化等过程同样具有指导价值。国家自然科学基金等项目的支持，彰显该成果在环保技术与资源回收领域的双重意义。