多组学研究揭示了微氧条件下微生物对纺织废水水解和酸化过程中的脱色作用及其代谢途径

《Journal of Cleaner Production》：Multi-omics insights into micro-oxygen-regulated microbial decolorization and metabolic pathways during hydrolysis and acidification of textile wastewater

微氧水解酸化（MAHA）技术处理酸性红Scarlet GR染色废水，通过整合宏基因组学与代谢组学，揭示了MA条件下功能微生物群落（如Brooklawnia、Paenirhodobacter）的富集及关键酶（EC:1.2.4.1、EC:3.5.1.等）的高效表达，提出了包含偶氮键还原、脱磺基等步骤的降解路径，系统实现了85.5%脱色率及29.7%COD去除率，为MAHA优化提供了理论支撑。

　　本研究围绕微好氧水解酸化（Micro-aerobic Hydrolysis and Acidification, MAHA）技术在纺织废水处理中的应用展开，重点探讨了该技术在提升废水可生化性、降低色度和化学需氧量（COD）等方面的效果。纺织行业作为全球重要的工业部门，其生产过程中产生的废水具有显著的高色度、低可生化性和高毒性等特征，对生态环境构成了潜在威胁。传统的生物化学处理方法在实际应用中常受到染料毒性的限制，这不仅抑制了微生物的代谢活性，还降低了系统的稳定性，并增加了处理成本。因此，探索更高效的预处理技术成为解决这一问题的关键。

MAHA技术作为一种新兴的生物预处理手段，通过维持溶解氧（DO）浓度在0.1至1.0 mg/L之间，实现了对传统水解酸化（HA）技术的优化。在微好氧条件下，系统能够促进水解反应，减少有毒中间产物的生成，同时支持好氧和厌氧微生物的共存，从而提高整个处理过程的稳定性和可生化性。然而，尽管已有研究表明微好氧条件对HA效率具有积极影响，但针对纺织废水的具体应用，尚未明确确定最佳的DO浓度范围，这在一定程度上限制了该技术的推广与实际应用。

本研究通过整合宏基因组学与代谢组学分析方法，系统地揭示了在微好氧条件下，HA反应器中微生物群落的结构、功能组成及其代谢途径的变化。研究发现，在DO浓度为0.1至0.3 mg/L的微好氧条件下，HA微生物群落中某些特定的菌属被显著富集，例如Brooklawnia、Bacillus、Paenirhodobacter和Pinisolibacter，它们在染料降解过程中扮演了重要角色。这些微生物的富集不仅有助于提高废水的可生化性，还促进了关键降解酶的表达，这些酶在染料分解过程中发挥着核心作用。研究结果显示，在微好氧条件下，系统平均脱色效率达到85.5%，BOD5/COD比值为0.50，COD去除率为29.7%，同时产酸量为107.5 ± 8.7 mg/L。这些数据表明，微好氧条件能够显著提升HA过程的效率，为后续的生物处理提供良好的基础。

在宏基因组学分析中，研究者利用KEGG和MetaCyc数据库对HA微生物的功能组成、代谢途径以及关键酶活性进行了深入解析。结果显示，微生物群落中与发酵、糖酵解、丙酮酸代谢和三羧酸循环（TCA循环）相关的功能通路被显著激活。这些通路的活性不仅反映了微生物在有机物降解中的代谢能力，也为理解MAHA技术如何通过微生物活动实现废水处理提供了重要线索。此外，代谢组学分析进一步揭示了Acid Scarlet GR染料降解过程中产生的16种中间产物，构建了一个完整的降解路径。该路径包括偶氮键的还原、脱磺化、水解脱氨和芳香环的裂解等关键步骤，最终将染料分解为醋酸和二氧化碳等可被进一步代谢的产物。这一发现不仅深化了对MAHA技术中微生物代谢机制的理解，还为优化该技术在纺织废水处理中的应用提供了理论依据。

研究还发现，特定的微生物群落结构与关键酶的表达水平之间存在密切联系。在微好氧条件下，某些功能微生物的丰度显著上升，而这些微生物往往携带与染料降解相关的基因。通过分析这些基因的表达情况，研究者能够进一步确认哪些酶在染料分解过程中起到了关键作用。例如，研究中提到的EC:1.2.4.1、EC:2.8.3.1、EC:3.5.1.和EC:1.14.13等酶，均与染料的分解代谢密切相关。这些酶的活性增强，使得染料的降解速率加快，同时提高了系统对有机物的处理能力。这种微生物群落与酶活性之间的协同作用，是MAHA技术在纺织废水处理中表现出高效性能的重要原因。

为了更全面地评估MAHA技术的效果，研究者对反应器运行过程中的pH值、DO浓度和氧化还原电位（ORP）等参数进行了系统监测。结果显示，在不同的DO浓度下，pH值和ORP的变化趋势呈现出一定的规律性。随着DO浓度的增加，pH值逐渐上升，ORP也相应提高。这一变化趋势表明，微好氧条件能够有效调节反应器内的环境，为微生物的生长和代谢活动提供适宜的条件。同时，这些参数的变化也为评估HA过程的效率提供了重要依据。例如，DO浓度的增加与VFA（挥发性脂肪酸）产量的提升呈正相关，而ORP的变化则反映了系统内氧化还原反应的动态平衡。

研究团队还对HA反应器中的微生物群落进行了详细的分类和功能分析。通过高通量测序技术，研究者发现微好氧条件显著提高了与水解酸化相关的微生物群落的丰度，如Bacteroidota、Synergistota和Firmicutes等。这些微生物在分解复杂有机物方面具有较强的能力，能够将难降解的有机化合物转化为可被进一步代谢的低分子量物质。这一过程不仅提高了废水的可生化性，还为后续的生物处理奠定了基础。此外，研究还指出，不同DO浓度下，微生物群落的组成和功能分布存在差异，这表明DO浓度的调控对微生物代谢活动具有重要影响。

在代谢组学分析中，研究者通过对Acid Scarlet GR染料降解过程中的中间产物进行鉴定，构建了一个完整的降解路径。这一路径不仅涵盖了偶氮键的还原，还包括脱磺化、水解脱氨和芳香环的裂解等关键步骤。这些步骤的连续进行，使得染料分子逐渐被分解为更小的有机物，最终进入中心碳代谢途径，生成醋酸和二氧化碳等产物。这一发现为理解MAHA技术如何通过微生物代谢实现染料降解提供了重要的理论支持，同时也揭示了微生物在降解过程中所扮演的多样化角色。

研究结果表明，微好氧条件下的HA过程不仅提高了染料的脱色效率，还显著改善了废水的可生化性。这主要是由于特定微生物群落的富集以及关键代谢酶的表达增强所导致的。在DO浓度为0.1至0.3 mg/L的条件下，微生物群落中某些功能菌属的丰度达到峰值，这些菌属能够高效地分解染料分子，并将其转化为可被进一步代谢的物质。同时，关键代谢酶的表达增强，使得整个降解过程更加高效和稳定。这种微生物与酶之间的协同作用，是MAHA技术在纺织废水处理中表现出优越性能的核心机制。

此外，研究还强调了微生物群落结构与代谢产物之间的关系。在微好氧条件下，某些功能微生物的丰度显著上升，而这些微生物往往能够产生特定的代谢产物，如醋酸和二氧化碳。这些代谢产物的生成不仅反映了微生物的代谢能力，还对整个系统的稳定性具有重要影响。例如，醋酸的积累可能会影响微生物的生长环境，进而影响整个降解过程的效率。因此，在实际应用中，需要对这些代谢产物的生成情况进行动态监测，并根据其变化趋势调整操作参数，以确保系统的高效运行。

研究团队还通过对比不同DO浓度下的反应器运行情况，进一步明确了微好氧条件对HA过程的影响。在DO浓度较低的情况下，系统表现出较强的水解能力，但酸化效果相对较弱；而在DO浓度较高的情况下，酸化能力增强，但水解效率有所下降。这表明，DO浓度的调控需要在水解和酸化之间取得平衡，以实现最佳的处理效果。因此，研究建议将DO浓度控制在0.1至0.3 mg/L之间，以兼顾水解和酸化过程的效率，同时避免过度氧化对微生物代谢活动的不利影响。

在实际应用中，MAHA技术的优化不仅依赖于DO浓度的调控，还需要考虑其他因素，如反应器的结构设计、进水水质和微生物的适应性等。研究团队通过对反应器的结构进行详细分析，发现其设计能够有效维持微好氧环境，为微生物的生长和代谢活动提供良好的条件。此外，研究还指出，不同类型的纺织废水可能需要不同的处理策略，因此在实际应用中，应根据具体的水质特征和处理目标，灵活调整操作参数，以确保技术的高效性和适用性。

总的来说，本研究通过整合宏基因组学和代谢组学分析方法，系统地揭示了MAHA技术在纺织废水处理中的微生物代谢机制。研究结果表明，微好氧条件能够显著提高HA过程的效率，促进特定微生物群落的富集，并增强关键代谢酶的表达。这些发现不仅为理解MAHA技术的运行机制提供了新的视角，还为该技术在纺织废水处理中的优化应用奠定了坚实的理论基础。未来的研究可以进一步探讨不同DO浓度对微生物群落结构和代谢途径的具体影响，以及如何通过调控这些参数来提高系统的处理效率。此外，还可以结合其他先进的分析技术，如转录组学和蛋白质组学，以更全面地了解微生物在降解过程中的分子机制，从而为MAHA技术的深入研究和广泛应用提供更多的支持。