第一作者：王連旭

通訊作者：陳榮 教授

論文DOI: 10.1016/j.watres.2024.121718

圖文摘要

成果簡介

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EPS參與厭氧廢水處理中OMPs的去除，但去除的主要途徑和詳細機制仍然不清楚。本研究旨在全面探索AD過程中EPS對OMPs的去除途徑和機制。首先評價了EPS對OMPs吸附和生物轉化效率的影響。然後，通過分子動力學模擬和光譜分析闡明瞭OMPs與EPS之間的結合機理。最後，採用電化學方法對EPS中OMPs的生物轉化進行了研究。

引言

圖文導讀

OMPs的去除途徑

圖1 厭氧消化過程中OMPs的去除途徑。

通過吸附/生物轉化實驗評估了EPS對OMPs吸附和生物轉化效率的影響。如圖1所示，HBOMPs（log D ≥ 3.2）難以通過EPS去除，而HLOMPs（log D < 3.2）可通過EPS的吸附與生物轉化去除，EPS的吸附和生物轉化分別佔總去除量的19.4 ± 0.9%和6.0 ± 0.8%。以上結果表明log D是決定OMPs去除路徑的關鍵因素，EPS在HLOMPs的去除中起重要作用。

EPS和HLOMPs之間的反應

圖2 EPS在HLOMPs干擾下的官能團變化：（a）FTIR吸收光譜；（b）同步光譜；（c）異步光譜；（d）紫外-可見吸收光譜。

EPS和HLOMPs結合形成複合物

圖3 不同濃度HLOMPs下EPS的EEM-PARAFAC分析：（a）峯1；（b）峯2；（c）峯3；（d）峯1、2和3的熒光強度變化；（e）使用Stern-Volmer方程對峯1和峯3的熒光強度進行擬合。

通過熒光光譜（EEM）光譜結合平行因子（PARAFAC）分析，發現EPS中存在3種組分，如圖3所示，其中激發/發射波長爲280/335 nm（峯1）和277/355 nm（峯2）的是類色氨酸蛋白，激發/發射波長爲418/465 nm（峯3）是腐殖酸類物質。隨着HLOMPs的加入，峯1和峯3的熒光強度逐漸減弱，發生了熒光猝滅現象。熒光猝滅包括靜態和動態兩種過程：前者涉及熒光團和猝滅劑形成了非熒光複合物，後者由熒光團和猝滅劑的碰撞引起。通過Stern-Volmer公式計算的熒光猝滅速率常數（k_q）顯示，峯1和峯3的k_q值均遠高於生物大分子與各種猝滅劑的最大擴散碰撞猝滅速率常數，這表明HLOMPs添加後與EPS形成了非熒光複合物。不同於峯1和峯3，峯2的熒光強度增加，這是由親水性OMPs固有的熒光特性引起的。

HLOMPs與EPS的結合位點

圖4 TMP與細胞外蛋白（PIMT）結合的分子動力學模擬：（a）根均方偏差（RMSD）的變化；（b）在整個模擬過程中PIMT與TMP的相互作用。

胞外蛋白質在親水性OMPs與EPS結合過程中起着關鍵作用。爲了探明親水性OMPs與細胞外蛋白質的結合位點，採用了分子動力學模擬作爲研究工具。選取了在EPS中具有高吸附效率的TMP和已知結構的蛋白質-L-異天冬氨酸 O-甲基轉移酶1（PIMT）進行模擬。圖4a顯示了根均方偏差（RMSD）的變化情況，RMSD常用於評估複合物的穩定性和模擬的可靠性。PIMT和TMP的RMSD分別穩定在1.4 Å和1.1 Å，表明系統已達到平衡，可以在模擬時間內進行嚴格分析。TMP的RMSD低於PIMT，說明TMP在結合位點保持了相對穩定的結構和位置。在分子動力學模擬中，PIMT和TMP之間出現了三種分子相互作用：氫鍵、疏水作用和水橋（圖4b）。這些分子相互作用在錨定TMP至PIMT活性位點中起着重要作用。

EPS介導的HLOMPs生物轉化

圖5 電化學分析:（a）污泥的DPV曲線;（b）EPS的DPV曲線。

採用差分脈衝伏安法（DPV）來揭示HLOMPs的生物轉化機制。如圖5所示，污泥中觀察到電壓分別爲-12.5 mV和175.5 mV處的兩個氧化峯，對應的電流分別爲174.5和68.8 μA。-12.5 mV的峯所代表的物質與c型細胞色素（c-Cyts）結合黃素相似，而175.5 mV的峯通常表示c-Cyts，這些具有氧化還原活性的組分可以介導HLOMPs的生物轉化。EPS中也發現了c-Cyts類物質，但其峯電流較弱，表明微生物外膜上氧化還原物質的濃度較EPS更高。添加親水性OMPs後，污泥中-12.5 mV的峯電流增加到256.5 μA，增強的電流表明HLOMPs的存在導致更多的c-Cyts結合黃素被分泌，這可能加速電子傳遞並增加EPS與HLOMPs之間的相互作用。

潛在機理

圖6 電化學分析: EPS在吸附和生物轉化OMPs中的潛在作用。

HLOMPs可被EPS去除，而HBOMPs的去除效率僅受細胞吸附和生物轉化影響，這有兩個可能的原因：（1）HBOMPs可以與細胞膜內的疏水區域相互作用，從而更易被吸附；（2）HLOMPs在水中的溶解度較高，更傾向與EPS結合。EPS吸附HLOMPs的機制通過FTIR、3D-EEM和分子動力學模擬揭示，EPS中的多糖、蛋白質和核酸含有豐富的官能團，通過氫鍵和水橋與HLOMPs結合（圖6）。不同於氫鍵和水橋，疏水相互作用涉及非極性分子的直接接觸。EPS中的蛋白質包含疏水區域，可以與HLOMPs的疏水部分相互作用。EPS生物轉化HLOMPs的機制通過DPV揭示，在細胞外膜上的c-Cyts結合黃素能從細菌細胞中持續提取電子，並通過EPS中的c-Cyts將其轉移到HLOMPs，從而發生生物轉化。

小結

這項研究評估了EPS在厭氧消化過程中對OMP的去除途徑，並確定了吸附和生物轉化的機制。HLOMPs可以通過EPS去除，而HBOMPs的去除只通過細胞吸附和生物轉化。EPS中的多種功能團參與了HLOMPs的結合。氫鍵、疏水相互作用和水橋是結合過程的關鍵。細胞外的c-Cyts結合黃素可能會持續從細菌細胞中提取電子，並通過EPS中的c-Cyts將電子轉移給HLOMPs以進行生物轉化。

作者介紹

陳榮 西安建築科技大學副校長，教授，博士生導師，國家傑出青年科學基金、陝西省傑出青年基金、陝西青年科技獎獲得者。現擔任西北水資源與環境生態教育部重點實驗室主任，同時擔任H2Open Journal期刊主編、Journal of Water Process Engineering期刊副主編、中國環境科學學會理事等。主要從事污廢水資源化領域的研究和教學工作，先後主持國家自然科學基金、國家重點研發計劃等科研項目10餘項。研究成果獲國家科技進步二等獎、陝西省科技進步一等獎、國際水協會（IWA）全球項目創新獎、陝西高等學校科學技術特等獎等。

王連旭 西安建築科技大學環境與市政工程學院在讀博士生，研究方向爲污水處理與資源化。

Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2024, Elsevier Inc

參考文獻：

Li, G.F., Ma, W.J., Ren, Z.Q., Wang, Y., Li, J.P., Zhao, J.W., Li, S.T., Liu, Q., Gu, Y.N., Cheng, Y.F., Huang, B.C., Jin, R.C., 2021. Molecular insight into the binding property and mechanism of sulfamethoxazole to extracellular proteins of anammox sludge. Environ. Sci. Technol. 55, 16627–16635

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135424006195

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