基于多组学对氯化胆碱增强废弃活性污泥厌氧消化产甲烷的洞察：连接流变调控与微生物代谢响应

《Water Research》：Multi-omics insights into choline chloride-enhanced methane production from waste activated sludge anaerobic digestion: linking rheological regulation with microbial metabolic responses

　　

摘要

剩余活性污泥 (WAS) 中更高的固体含量提高了厌氧消化的容积效率，但同时降低了污泥流动性和底物可及性，导致水解和甲烷产生速度变慢。在此，采用氯化胆碱 (ChCl) 来克服 2–6% TSS 范围内的这些限制，并从污泥界面到微生物基因表达解析了其机制。ChCl 使累计甲烷产量提高了 87.0–201.5%。这种增强源于协同级联而非单一效应：ChCl 首先改善了污泥流动性，使粘度降低 5.2–47.0%，并将界面能垒降低 42.3–55.3%，表明界面重构和致密絮体网络的不稳定化。这些理化变化扩大了可溶性底物库，使可溶性蛋白质、碳水化合物和 VFAs 分别增加了 101.5–274.6%、87.2–132.8% 和 8.4–18.0 倍。以基因组为中心的宏转录组学揭示了发酵 - 产甲烷接力：发酵型 MAG112 (Promineofilum) 从 10.4% 富集到 17.9%，并在碳水化合物、氨基酸和能量代谢中转录激活，而 MAG2 (Methanosarcina) 同时表达氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型产甲烷途径，能够灵活利用多样化的中间产物。网络分析进一步显示，ChCl 在 6% TSS 下最强烈地增强了细菌 - 古菌合作，其中正向相互作用从 53.1% 增加到 64.4%。通过将流变调控与微生物代谢重编程相结合，ChCl 将污泥结构松弛与产甲烷碳转化联系起来，为从 WAS 厌氧消化中回收能源提供了一种潜在的跨尺度策略。

引言

快速的工业化和城市化 dramatically 增加了污水处理厂 (WWTPs) 产生的剩余活性污泥 (WAS) 产量，给废物管理和环境保护带来了重大挑战 (Abbas et al., 2025)。厌氧消化被广泛认为是最有前景的同步污泥稳定化和生物能源回收技术之一 (Meng et al., 2024)。与传统低固体厌氧消化相比，增加污泥固体含量可以减少反应器体积需求，提高容积负荷能力，并降低运营成本，这使得处理更浓缩的污泥成为提高厌氧消化效率的有吸引力的策略 (Di Capua et al., 2020)。

然而，增加固体含量也会引起一系列理化变化，包括流变特性、可溶性成分分布、离子强度和底物 - 生物量比率的改变，这些可能共同影响底物可及性和微生物转化效率。在这些因素中，污泥流变行为尤为相关，因为粘度增加和颗粒聚集会阻碍传质并降低微生物对颗粒底物的可及性 (Liu et al., 2025; Wu et al., 2021)。污泥流变性的变化也与絮体结构和界面相互作用密切相关，它们共同影响颗粒聚集和底物可及性 (Jiang and Zhou, 2020)。因此，调节污泥流变特性和絮体界面特性可能提供一种有效方法，以提高底物可及性并在固体含量增加的情况下促进产甲烷转化 (Ren et al., 2026; Xing et al., 2025)。

传统预处理方法，包括热、超声、碱性和氧化方法，可以将水解和甲烷产量提高 17.2–60.9%。然而，其实际应用仍受限于高能耗、过量化学品使用、操作复杂性以及潜在的二次环境影响 (Wang et al., 2026; Zhen et al., 2017; Kor-Bicakci and Eskicioglu, 2019)。

作为一种可生物降解且高度亲水的季铵化合物，氯化胆碱 (ChCl) 最近作为污泥处理添加剂引起了关注，因其具有与胞外聚合物 (EPS) 相互作用、修饰污泥絮体结构、增强厌氧发酵过程中有机物溶解和挥发性脂肪酸 (VFAs) 产生的潜力 (Cao et al., 2023; Wang et al., 2025)。然而，ChCl 如何重塑污泥流变性和界面热力学，以及这种益处是否在不同固体含量下均适用，在很大程度上仍未被探索。

尽管先前的研究表明 ChCl 可以增强污泥溶解和甲烷产量，但其潜在的微生物机制仍理解不足。特别是，ChCl 诱导的污泥流变性和界面性质变化如何影响微生物群落组装、细菌 - 古菌相互作用以及与产甲烷相关的代谢功能，目前仍不清楚。以基因组为中心的宏基因组学和宏转录组学提供了将微生物种群与其代谢活动和生态功能联系起来的复杂厌氧生态系统的有效工具 (Yan et al., 2024; Hsieh et al., 2025; Xie et al., 2025)。将这些方法与理化表征相结合，将有助于更好地理解不同固体含量下 ChCl 介导的污泥性质变化与微生物功能反应和甲烷产量之间的关联。

基于这一缺口，本研究系统地剖析了 ChCl 如何在不同固体含量范围内增强 WAS 厌氧消化中的甲烷产量。具体而言，我们 (i) 量化了 ChCl 对底物溶解、VFAs 积累和甲烷产量的影响；(ii) 解析了其在污泥流变性和界面热力学中的调节作用；(iii) 使用集成宏组学表征了伴随的微生物群落组成和代谢功能变化；(iv) 通过相关分析和偏最小二乘路径建模 (PLS-PM) 整合了污泥性质、微生物功能和产甲烷之间的方向性联系。通过将 ChCl 相关的污泥结构变化与微生物碳转化反应联系起来，本工作突出了流变调控作为影响不同固体含量下甲烷产量的潜在跨尺度因素。

章节摘要

WAS 和主要化学品

WAS 采集自中国江苏省南京市一家污水处理厂的二沉池。原始 WAS 经过筛选去除粗颗粒和杂质，在环境条件下沉降 24?h，然后浓缩或稀释以获得目标 TSS 水平。浓缩 WAS 的主要特性如下：总悬浮固体 (TSS): 20,490 ± 330?mg/L, 挥发性悬浮固体 (VSS): 8120?±?120?mg/L, 总化学需氧量 (TCOD): 16,594 ± 437?mg/L, 总

ChCl 在不同固体含量下增强甲烷产量

如图 1A 和 B 所示，污泥固体含量和 ChCl 剂量对甲烷产量显示出不同的影响。在 CK 反应器中，随着 TSS 从 2% 增加到 6%，累计甲烷产量从 254.0 增加到 653.4?mL，主要反映了较高固体含量下更大的有机输入。相比之下，归一化为 VSS 的甲烷产量仅从 77.4 略微变化到 80.3?mL g?1 VSS，表明仅增加固体含量并未大幅改变比甲烷

结论

ChCl 将 WAS 厌氧消化从受底物可及性限制的过程转变为互养耦合的产甲烷系统。在 2–6% TSS 范围内，ChCl 改善了污泥流动性，重塑了界面相互作用，并扩大了可溶性底物和 VFAs 池，从而缓解了高固体含量造成的理化瓶颈。以基因组为中心的宏基因组学和宏转录组学分析揭示了发酵 - 产甲烷接力，其中 MAG112 (Promineofilum) 转化了

CRediT 作者贡献声明

Jixiang Wang: 写作 – 初稿，方法学，调查，数据整理。 Wangbei Cao: 写作 – 初稿，方法学，调查。 Song Cheng: 方法学。 Yuxiao Zhao: 方法学，调查。 Xiang Zou: 方法学，调查。 Jingyang Luo: 写作 – 审阅与编辑，方法学，调查，资金获取。 Shiyu Fang: 写作 – 审阅与编辑，可视化，监督。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本文中报告的工作。

致谢

这项工作得到了"国家自然科学基金 (No. 52470146)"和"江苏省基础研究计划" (BK20250189)"的资金支持。

Jixiang Wang|Wangbei Cao|Song Cheng|Yuxiao Zhao|Xiang Zou|Jingyang Luo|Shiyu Fang

教育部浅水湖泊综合调控与资源开发重点实验室，河海大学，中国南京，210098