来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2022/4/18 11:08:13
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FESE | 前沿研究:不同类型表面活性剂对剩余污泥厌氧发酵效能的影响及其机制解析

论文标题:New insights into different surfactants’ impacts on sludge fermentation: Focusing on the particular metabolic processes and microbial genetic traits. (不同类型表面活性剂对剩余污泥厌氧发酵效能的影响及其机制解析)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Jingyang Luo (罗景阳) , Shiyu Fang (方世玉) , Wenxuan Huang (黄文轩) , Feng Wang (王凤) , Le Zhang (张乐) , Fang Fang (方芳) , Jiashun Cao (操家顺) , Yang Wu (吴瑒) , Dongbo Wang (王冬波)

发表时间:27 Dec 2021

DOI:10.1007/s11783-022-1527-6

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原文链接:

https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-022-1527-6

文章出版:Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(8): 106

原文信息

题目:

New insights into different surfactants’ impacts on sludge fermentation: Focusing on the particular metabolic processes and microbial genetic traits

作者:

Jingyang Luo (罗景阳) 1, Shiyu Fang (方世玉) 1, Wenxuan Huang (黄文轩) 1, Feng Wang (王凤) 1, Le Zhang (张乐) 1, Fang Fang (方芳) 1, Jiashun Cao (操家顺) 1, Yang Wu () (吴瑒) 2, Dongbo Wang (王冬波) 3

作者单位:

1 Hohai University, China

2 Tongji University, China

3 Hunan University, China

通讯作者邮箱:

wuyang1026@tongji.edu.cn

关键词:

Waste activated sludge (剩余污泥);

Volatile fatty acids (挥发性脂肪酸);

Surfactant types (表面活性剂种类);

Functional microorganisms (功能微生物);

Metabolic activity upregulation (代谢活性上调)

文章亮点

• 表面活性剂强化剩余污泥厌氧发酵产酸的效能与其性质相关:生物型 (APG,烷基多糖) > 阴离子型 (SDBS,十二烷基苯磺酸钠) > 阳离子型 (HTAB,十六烷基三甲基溴化铵);

• 表面活性剂处理同步促进了剩余污泥厌氧发酵的溶解、水解和酸化等阶段;

• 表面活性剂有利于产酸功能微生物的富集;

• 表面活性剂有效诱导了厌氧发酵产酸过程中底物转运、代谢以及产酸等关键功能基因表达的上调。

文章简介

本课题组前期发现表面活性剂对剩余污泥厌氧发酵产酸具有一定影响。然而,表面活性剂种类繁多(例如阳离子型、阴离子型和生物型等),不同种类的表面活性剂对剩余污泥厌氧发酵的影响尚不明晰,特别是对于微生物代谢特性和基因表达的影响及其作用机理解析,目前的研究较为有限。

本研究主要探究了典型的表面活性剂:生物型(APG,烷基多糖)、阴离子型(SDBS,十二烷基苯磺酸钠)和阳离子型 (HTAB,十六烷基三甲基溴化铵)对剩余污泥厌氧发酵产酸的影响及其作用机理。结果表明,不同类型表面活性剂均可促进产酸效能的提升,其中APG>SDBS>HTAB。进一步研究发现,表面活性剂增强了污泥的溶解和水解过程,从而提供了更多的可利用底物;同时,有效刺激了产酸细菌的富集。此外,宏基因组分析进一步表明,表面活性剂有效诱导了污泥厌氧发酵产酸过程中底物转运、代谢以及产酸等关键功能基因的表达上调。总而言之,表面活性剂通过改善微生物可利用底物、富集产酸功能微生物以及上调关键基因,协同促进了产酸效能的提升。本研究不仅全面解析了表面活性剂对剩余污泥厌氧发酵过程的影响,更深入揭示了不同表面活性剂对剩余污泥后续处置和资源回收的调控作用。

图1 摘要图

编者点评

由于表面活性剂的亲水亲脂特性可以有效促进污泥胞外聚合物的增溶,因此在厌氧发酵过程中添加表面活性剂已成为一种实用而高效的增强污泥发酵产酸的方法。本研究系统探讨了不同类型的表面活性剂对剩余污泥发酵产生的不同影响,重点从微生物种群结构变化、代谢活性以及功能基因的表达解析了其作用机制,为剩余污泥资源化回收提供了全新的视角。

编者简介

罗景阳,2016年博士毕业于同济大学,现为河海大学环境学院教授。主要研究方向为有毒有害污染物控制理论与技术及有机废物的资源化利用。主持负责国家自然科学基金(面上和青年各1项)、江苏省自然科学基金(面上)、中国博士后科学基金面上和特别资助等课题以及“浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室基金”等科研项目10余项。目前,已在Environmental Science & Technology、Water Research、Chemical Engineering Journal、Applied Energy和Journal of Hazardous Materials等环境类期刊以第一或者通讯作者发表SCI论文40余篇(包括2篇ESI高被引和1篇热点论文),申请/授权国家发明专利10余项。担任Applied Energy、Water Research、Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Bioresource Technology等SCI期刊的审稿人。

方世玉,河海大学环境学院2021级市政工程专业博士研究生。主要研究领域为有机废物的资源化利用。

吴瑒,2020年博士毕业于河海大学,现为同济大学环境科学与工程学院博士后。主要从事研究方向为难降解有机污染物的处理与资源化利用。主持负责中国博士后面上基金。近三年来,在环境领域权威期刊Water Research、Chemical Engineering Journal等发表SCI论文20余篇,其中第一作者/通讯作者7篇;中文核心论文2篇;申请中国发明专利3项;多次参加国际学术会议报告及交流等。荣获2020年上海“超级博士后”人才计划资助。

摘要

Surfactants were expected to exhibit positive effects on the waste activated sludge (WAS) disposal. However, the systematic comparison of different categories of surfactants on the WAS fermentation and the functional mechanisms, especially microbial metabolic traits, have not yet been precisely explored. This study revealed the positive effects of different surfactants on the volatile fatty acid (VFA) production, which followed the order of alkyl polysaccharides (APG)>sodium dodecylbenzene sulfonate (SDBS)>hexadecyl trimethyl ammonium bromide (HTAB). Mechanistic exploration found that the presence of different surfactants improved solubilization and hydrolysis steps, and then contributed to the subsequent acidification with different efficiencies. The functional microorganisms associated with VFA generation were enriched in surfactant-conditioned reactors. Metagenomic analysis further indicated that the key genes involved in the particular process of VFA generation were over-expressed. The simultaneous bioavailable substrate improvement, functional bacterial enrichment, and metabolic activity upregulation induced by different surfactants jointly contributed to VFA promotion during WAS fermentation. This study could provide a comprehensive realization of surfactants’ impacts on the WAS fermentation process, and more importantly, it reminded the public to discern the distinct interplaying effects induced by different chemicals in regulating the WAS disposal and resource recovery.

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