陳思思，楊殿海，龐維海，董濱，戴曉虎

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

蛋白類物質(zhì)（在污泥中難以分離純凈的蛋白質(zhì)，一般用有機(jī)氮的含量乘以6.25的值來代表蛋白類物質(zhì)的含量[1]）是剩余污泥中的主要有機(jī)組分（占有機(jī)質(zhì)的50%～60%）[2]，是污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣的主要底物，其降解率的提升將對(duì)剩余污泥厭氧轉(zhuǎn)化效率的提升起到?jīng)Q定性所用。與此同時(shí)，蛋白類物質(zhì)是污泥中氮元素的最主要載體，對(duì)蛋白類物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化的研究將促進(jìn)污泥厭氧消化過程中氮循環(huán)的理論研究。此外，蛋白類物質(zhì)更是剩余污泥中的主要親水性物質(zhì)，其在決定污泥脫水性能方面發(fā)揮著比多糖和腐殖質(zhì)類物質(zhì)更明顯的作用[3-4]。最新研究表明污泥的表面親水指數(shù)與污泥胞外蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中的α螺旋的比例有著較強(qiáng)的正相關(guān)性，且污泥的親水性能相比于胞外蛋白質(zhì)親水官能團(tuán)的含量，更多地取決于親水官能團(tuán)的空間分布[4]。因此，明晰剩余污泥中蛋白類物質(zhì)的厭氧轉(zhuǎn)化機(jī)制和限制性因素，將有利于明晰我國污泥厭氧轉(zhuǎn)化的限制機(jī)制，從而對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性強(qiáng)化，這不僅可以從源頭上強(qiáng)化我國剩余污泥的厭氧轉(zhuǎn)化效率，完善污泥厭氧消化過程中的氮循環(huán)理論，還可能從減少親水性物質(zhì)的角度改善其后續(xù)的脫水性能。

本文重點(diǎn)歸納了污泥中蛋白質(zhì)的厭氧轉(zhuǎn)化機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了污泥中蛋白類物質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化的影響因素和對(duì)其定向促進(jìn)的研究進(jìn)展，以期為污泥中蛋白類物質(zhì)的定向厭氧轉(zhuǎn)化提供借鑒與啟發(fā)。此外，系統(tǒng)性總結(jié)了污泥中蛋白類物質(zhì)的前沿解析方法，旨在為污泥中蛋白類物質(zhì)的研究提供全面支撐。

1 蛋白質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化機(jī)制

在厭氧消化過程中，蛋白質(zhì)完全轉(zhuǎn)化為甲烷與二氧化碳的過程可概括為4個(gè)過程：①胞外酶分解作用（蛋白質(zhì)水解階段）；②大分子有機(jī)物發(fā)酵為有機(jī)酸（氨基酸發(fā)酵階段）；③發(fā)酵中間產(chǎn)物降解為乙酸（產(chǎn)酸階段）；④以乙酸或氫氣/二氧化碳產(chǎn)甲烷（產(chǎn)甲烷階段）。

1.1 蛋白質(zhì)水解

蛋白質(zhì)是由氨基酸以“脫水縮合”的方式組成的多肽鏈經(jīng)過盤曲折疊形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，可由胞外酶（蛋白酶）水解成其組成的多肽和氨基酸。研究表明，蛋白質(zhì)在厭氧反應(yīng)器中的降解機(jī)制與在動(dòng)物體內(nèi)如瘤胃中的降解機(jī)制存在較大差異。在瘤胃中，需由糖類發(fā)酵細(xì)菌降解蛋白質(zhì)，而氨基酸的發(fā)酵并不能為其提供足夠的能量[1-5]；在厭氧反應(yīng)器中，由具有蛋白水解作用的細(xì)菌主導(dǎo)蛋白質(zhì)的降解，這些過程能夠?yàn)槠浯x過程提供足夠的能量[6]。同時(shí)也有大量研究表明消化污泥中主要的蛋白水解細(xì)菌為革蘭氏陽性菌，主要為梭狀芽胞桿菌屬（genusClostridia），同時(shí)這些細(xì)菌也在氨基酸發(fā)酵中發(fā)揮著重要作用[6]。

根據(jù)水解程度，蛋白質(zhì)水解可以分為完全水解（得到的水解產(chǎn)物為各種氨基酸的混合物）和部分水解（水解產(chǎn)物是各種大小不等的肽段和單個(gè)氨基酸），在這個(gè)過程中必須要對(duì)其二級(jí)結(jié)構(gòu)和一級(jí)結(jié)構(gòu)造成一定程度的改變。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)指它的多肽鏈中有規(guī)則重復(fù)的構(gòu)象，限于主鏈原子的局部空間排列，不包括與肽鏈其他區(qū)段的相互關(guān)系及側(cè)鏈構(gòu)象，二級(jí)結(jié)構(gòu)主要有α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲，是通過骨架上的羰基和酰胺基團(tuán)之間形成的氫鍵維持的，氫鍵是穩(wěn)定二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要作用力[7]。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)將直接影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性和絮凝特性，研究表明α-螺旋將誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，促進(jìn)活性污泥的聚集性和絮凝性；而反平行的β-折疊和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的大量存在將會(huì)減弱活性污泥的穩(wěn)定性與聚集性[8-10]，蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性與聚集性越強(qiáng)，酶或微生物等與其接觸對(duì)其利用就越困難。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序，以及在蛋白質(zhì)分子中起到穩(wěn)定肽鍵空間結(jié)構(gòu)作用的二硫鍵的位置，這是由遺傳信息決定的。對(duì)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的破壞、釋放肽鏈中的氨基酸降有利于酶或微生物等對(duì)其利用進(jìn)而進(jìn)行氨基酸發(fā)酵過程[11]。

1.2 氨基酸發(fā)酵

各類氨基酸在分子量大小和結(jié)構(gòu)上存在著很大差異，對(duì)其降解也根據(jù)類型和濃度的不同存在著多種代謝途徑和相應(yīng)的代謝產(chǎn)物。這些代謝產(chǎn)物包含各種不同的有機(jī)物（主要為短鏈和支鏈有機(jī)酸）、氨氮、二氧化碳以及少量氫氣和含硫化合物。氨基酸發(fā)酵已經(jīng)得到大量文獻(xiàn)報(bào)道[12-17]，通過分離微生物種群，在生化和生理方面對(duì)氨基酸發(fā)酵進(jìn)行了大量的深入研究。

氨基酸降解主要通過兩種途徑：①成對(duì)的氨基酸可通過Stickland反應(yīng)得到降解；②單一氨基酸也能通過另外一種過程得到降解（非耦合降解），該過程需要?dú)淅眯图?xì)菌的存在。其中Stickland反應(yīng)是氨基酸分解的常見過程，通常需要一個(gè)氨基酸作為電子供體（其產(chǎn)物由于少一個(gè)碳原子而短于原氨基酸），同時(shí)需要另一個(gè)氨基酸作為電子受體（其產(chǎn)物中碳原子數(shù)量與原氨基酸相同）。一些特定的氨基酸既能作為電子供體，也能作電子供體（如亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和精氨酸）。Stickland反應(yīng)是氨基酸發(fā)酵最簡(jiǎn)單的方式，且每轉(zhuǎn)化1mol 的氨基酸將會(huì)為細(xì)胞提供約0.5mol 腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）[12]。與非耦合氨基酸分解相比，通過Stickland反應(yīng)的分解過程更加迅速[13]。

各類氨基酸厭氧發(fā)酵細(xì)菌如表1 所示。依據(jù)Mead[17]和McInerney[6]的研究，這些細(xì)菌依據(jù)他們參與的Stickland反應(yīng)以及利用氨基酸的種類主要被分為5類。表1中也依據(jù)Hippe[14]的研究總結(jié)了每種細(xì)菌所產(chǎn)生的酶以及這些細(xì)菌的特點(diǎn)。第一類細(xì)菌為主導(dǎo)Stickland反應(yīng)的微生物，在發(fā)酵過程中，他們都能夠利用脯氨酸產(chǎn)生中間產(chǎn)物包括δaminovalerate、α-aminobutyrate 或γ-aminobutyrate。參與Stickland反應(yīng)的常見氨基酸包括脯氨酸、絲氨酸、精氨酸、精氨酸、甘草、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、絲氨酸、賴氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、三氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。

氨基酸發(fā)酵細(xì)菌中不能進(jìn)行Stickland反應(yīng)的微生物如表1中二、三、四、五類所示，其中主要包括嚴(yán)格的產(chǎn)孢菌類（梭狀芽胞桿菌種Clostridialspecies） 以及不產(chǎn)孢子的專性厭氧微生物如Peptostreptococcus（Micrococcus）等。其他也能夠降解氨基酸的微生物如Campylobacterspp. 、Acidaminococcusfermentans、Acidaminobacter hydrogenoformans、Megasphaera elsdenii、Eubacterium acidaminophilum以及一些硫酸鹽還原菌[18]。第二類細(xì)菌都能利用甘氨酸，有些種也能夠利用精氨酸、組氨酸、賴氨酸。第三類細(xì)菌都能利用組氨酸、絲氨酸和谷氨酸，有些種類也能夠利用精氨酸、天冬氨酸鹽、蘇氨酸、酪氨酸和色氨酸。第四類細(xì)菌只包含利用絲氨酸和蘇氨酸的C.putrefaciens。第五類細(xì)菌只包含能利用丙氨酸，絲氨酸，蘇氨酸和半胱氨酸的C. propionicum。以上四類細(xì)菌都不能產(chǎn)生在Stickland 反應(yīng)中所發(fā)現(xiàn)的δ-aminovalerate。在混合環(huán)境、存在混合氨基酸的條件下，非耦合的氨基酸降解只能在作電子受體的氨基酸缺乏時(shí)才能夠發(fā)生，對(duì)于酪蛋白、白蛋白和明膠等蛋白質(zhì)，經(jīng)非耦合過程降解的氨基酸只占全部氨基酸降解量10%以下[19]。

表1 降解氨基酸的厭氧細(xì)菌匯總

2 污泥中蛋白類物質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化的影響因素

Tian 等[20-21]根據(jù)X 射線光電子能譜分析圖譜分析將污泥中含氮物質(zhì)分為蛋白質(zhì)、無機(jī)氮、吡咯和吡啶等四類。在復(fù)雜的污泥厭氧消化系統(tǒng)中，蛋白類物質(zhì)的降解率已有部分文獻(xiàn)報(bào)道。一些研究主要報(bào)道了厭氧消化后污泥中蛋白類物質(zhì)與多糖的降解率，Pinnekamp[22]發(fā)現(xiàn)污泥經(jīng)厭氧消化后，蛋白類物質(zhì)和多糖的降解率分別為39% 和52%；在Bougrier 等[23]的研究中蛋白類物質(zhì)和多糖的降解率分別為35%和50%；Chen 等[2]發(fā)現(xiàn)脫水污泥經(jīng)SRT為20 天的中溫厭氧消化后，蛋白類物質(zhì)和多糖的降解率分別為46.2%和49.4%。可見污泥中的蛋白質(zhì)的厭氧消化降解率普遍較低，由于蛋白類物質(zhì)為污泥中最主要的有機(jī)成分，因此其較低的降解率將主要限制污泥的厭氧消化效率。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，蛋白質(zhì)的降解主要受到基質(zhì)中其他有機(jī)物尤其是多糖的影響、代謝產(chǎn)物氨氮的影響以及其來源的影響，相關(guān)研究歸納見表2。Breure 等[24]研究了高濃度糖類（最高可達(dá)5g/L）對(duì)明膠的水解和酸性發(fā)酵的影響（最高可達(dá)5g/L），在明膠培養(yǎng)基達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后添加相對(duì)高濃度的葡萄糖或乳糖作為二次基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在基質(zhì)中碳水化合物的濃度升高時(shí)蛋白質(zhì)的降解會(huì)逐漸減慢，明膠的降解率在其單獨(dú)發(fā)酵和有碳水化合存在的條件下分別為90%和77%；Tommaso 等[25]研究了碳水化合物對(duì)牛血清蛋白厭氧消化效率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管添加碳水化合物后系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，但其中蛋白質(zhì)的降解率下降了8.8%。Yang 等[26]研究了其中蛋白類物質(zhì)與多糖的厭氧消化動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)在污泥中多糖比蛋白類物質(zhì)先降解，且其效率高于蛋白質(zhì)，厭氧消化前3天由于多糖的快速降解抑制了蛋白酶的形成，使得蛋白質(zhì)的降解處于停滯期，停滯期后蛋白質(zhì)的降解與多糖一樣都遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)，且分為快速降解和慢速降解兩個(gè)階段。鑒于多糖對(duì)蛋白質(zhì)降解的抑制作用，在基質(zhì)中蛋白質(zhì)和多糖同時(shí)存在的情況下，有研究從碳氮比的角度對(duì)蛋白質(zhì)與多糖在基質(zhì)中的最佳配比做了研究，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)與多糖的比例為8∶2時(shí)能夠達(dá)到最佳的共消化效果[27]。氨氮是蛋白質(zhì)代謝的重要終產(chǎn)物，其含量過高時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的細(xì)菌與古菌都產(chǎn)生毒害作用，從而降低系統(tǒng)的水解酸化以及產(chǎn)甲烷效率[28-29]，在Li 等[28]的研究中也證明了在氨氮濃度升高的情況下，與氨基酸代謝相關(guān)的功能基因受到了抑制；在Chen 等[30]的研究中對(duì)氨抑制的緩解做出了研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)馴化恢復(fù)之后其蛋白質(zhì)的降解會(huì)得到恢復(fù)。研究還發(fā)現(xiàn)，在Wagner 等[31]的研究中，酵母提取物和絡(luò)蛋白氨基酸的降解產(chǎn)氣率遠(yuǎn)高于牛奶中蛋白，特定的蛋白來源中，精氨酸有著最高的降解產(chǎn)氣率，且其降解基本不受碳氮比的影響。由此可見由系統(tǒng)運(yùn)行、物料配比以及代謝產(chǎn)物等因素帶來的對(duì)蛋白類物質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化的限制作用，通過系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)控，都已被報(bào)道可得到解決或緩解。

此外，污泥中蛋白質(zhì)的降解還會(huì)受到污泥中無機(jī)物如微細(xì)砂（二氧化硅）[32]和金屬離子的影響[33]。Dai 等[32]研究表明微細(xì)砂會(huì)與蛋白質(zhì)形成蛋白-微細(xì)砂結(jié)合體，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的酶結(jié)合位點(diǎn)減少、表面位點(diǎn)密度下降、表觀活化能的上升，導(dǎo)致污泥中蛋白質(zhì)降解率降低；蛋白質(zhì)中的羧基是金屬離子與有機(jī)物絡(luò)合的重要橋連基，金屬離子與蛋白質(zhì)的絡(luò)合將限制其的水解及其后續(xù)降解[34-35]。

3 污泥中蛋白類物質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化的促進(jìn)研究

在完善厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)控其內(nèi)部因素的基礎(chǔ)上，大量學(xué)者開發(fā)了一系列預(yù)處理措施如酸堿預(yù)處理[36]、超聲預(yù)處理[37]、生物預(yù)處理[38]、熱水解預(yù)處理[39]等改善有機(jī)組分的溶出性能以提高其中蛋白質(zhì)的降解率，強(qiáng)化污泥厭氧消化效率，相關(guān)研究總結(jié)見表2。

表2 污泥中蛋白類物質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化的影響因素及促進(jìn)研究總結(jié)

研究表明破壞蛋白質(zhì)折疊構(gòu)型是水解的必要步驟，打破蛋白質(zhì)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)與折疊構(gòu)型也將有助于蛋白質(zhì)水解及利用效率的提高[43]。Devlin 等[36]發(fā)現(xiàn)經(jīng)酸預(yù)處理后蛋白質(zhì)與多糖的降解率分別提高了7%和9%；Appels 等[44]研究發(fā)現(xiàn)低溫?zé)崴猓?0～90℃）未能明顯促進(jìn)這兩類有機(jī)物的降解；Feng等[40]研究發(fā)現(xiàn)添加零價(jià)鐵后污泥中蛋白類物質(zhì)與多糖的降解率分別提高了15%和34.1%；Shao 等[41]發(fā)現(xiàn)好氧消化相比于厭氧消化更能夠?qū)崿F(xiàn)蛋白類物質(zhì)的有效降解；Xiao等[42]對(duì)比研究了酸、堿、紫外照射預(yù)處理改變蛋白質(zhì)構(gòu)象對(duì)提高蛋白質(zhì)廢水發(fā)酵產(chǎn)氫氣的效果，結(jié)果表明使用紫外線照射能有效達(dá)到破壞蛋白質(zhì)氫鍵及其構(gòu)型的效果，對(duì)其水解起到了促進(jìn)作用；Chen 等[2]發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫?zé)崴猓?60℃）后脫水污泥中蛋白類物質(zhì)的降解率提高了28.9%。

可見針對(duì)蛋白類物質(zhì)的賦存狀態(tài)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)化其厭氧轉(zhuǎn)化的策略目前處于多種方法進(jìn)行嘗試的階段，在以上強(qiáng)化措施中，效果尚可且較容易工程推廣的技術(shù)為高溫?zé)崴饧夹g(shù)，這一技術(shù)已被研究表明能夠增強(qiáng)蛋白質(zhì)的溶解，且其對(duì)污泥厭氧消化性能的強(qiáng)化作用得到了大量的工程驗(yàn)證[45]。然而由于污泥泥質(zhì)的較大差異和強(qiáng)化機(jī)制研究的缺乏，其促進(jìn)效率仍參差不齊[39,46-47]，高溫?zé)崴庠谕黄莆覈Ｓ辔勰鄥捬跸款i上是否具有關(guān)鍵性作用也亟待研究。

4 污泥中蛋白類物質(zhì)的解析方法

4.1 氨基酸的測(cè)定方法

在眾多的氨基酸測(cè)定方法中，沼液中總氨基酸量的測(cè)定主要通過茚三酮比色法[48]，而沼液中的氨基酸組分的測(cè)定，主要以氣相色譜法[49]和高效液相色譜法[50]為主。由于大多數(shù)氨基酸無紫外吸收和熒光發(fā)射特征，為提高分析檢測(cè)靈敏度和分離選擇特性，通常需將氨基酸進(jìn)行柱前或柱后衍生化，并選用陽離子交換或反相液相色譜法對(duì)其進(jìn)行分離并經(jīng)紫外或熒光檢測(cè)（OPA/FMOC-Cl/RT-HPLC）來實(shí)現(xiàn)各組分的測(cè)定[51]，能使氨基酸產(chǎn)生熒光的衍生劑有鄰苯二甲醛（OPA）、9-氯甲酸芴甲酯（FMOCCl）、丹酰氯（DANSYL-Cl）等。沼液中溶解游離氨基酸的含量較低，并且沼液中復(fù)雜的其他成分以及所包含的許多細(xì)小固體懸浮物會(huì)對(duì)衍生化過程產(chǎn)生干擾，如高濃度氨氮和揮發(fā)性胺容易與某些待測(cè)氨基酸形成熒光副產(chǎn)物，干擾氨基酸的分析與測(cè)定。孟慶國等[49]采用氣相色譜法測(cè)定了沼液中的18 種溶解游離氨基酸，然而，該研究中所采用的分析方法較為繁瑣，且未涉及樣本加標(biāo)回收率、精密度等參數(shù)的進(jìn)一步分析。氨基酸是一類包含至少一個(gè)羧基和一個(gè)氨基官能團(tuán)的化合物（等電點(diǎn)2.8～10.8），它在不同的pH條件下，會(huì)以陽離子、陰離子和中性分子的形式存在。因此，李建華等[52]研究開發(fā)了pH調(diào)節(jié)（pH=10.2）旋蒸濃縮聯(lián)合超濾離心（3K Millipore）的前處理新方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用OPA-FMOC-Cl 作為柱前衍生化試劑，使用反相高效液相色譜對(duì)沼液中的溶解游離氨基酸進(jìn)行分析，并通過外標(biāo)法對(duì)所開發(fā)的沼液中溶解性氨基酸分析方法進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的SCX-SPE 小柱固相萃取方法相比，所使用的新預(yù)處理方法因其較高的回收率和精確度及操作的簡(jiǎn)便性而更適用于沼液中溶解游離氨基酸的測(cè)定，并且避免了SCX-SPE 法對(duì)氨基酸選擇性吸附和對(duì)其他干擾物的非選擇性吸附而導(dǎo)致的部分氨基酸損失過大的現(xiàn)象。

4.2 熒光光譜法

污泥液相中有機(jī)物初始狀態(tài)及被微生物降解代謝過程中的絡(luò)氨酸、蛋白質(zhì)、類富里酸和類胡敏酸等在紫外光的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生特征熒光，顯示出其組成和官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的大量信息[53]。三維熒光光譜法（excitation-emission-matrices，EEM）因具有快速性、選擇性與敏感性，被廣泛應(yīng)用于對(duì)蛋白質(zhì)和腐殖酸等物質(zhì)的檢測(cè)中[54]，然而原始譜中重疊的熒光團(tuán)和熒光帶經(jīng)常影響對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的解析與測(cè)定。平行因子分析法（parallel factor analysis，PARAFAC）可以將熒光信號(hào)分解為相對(duì)獨(dú)立的熒光現(xiàn)象而加以鑒別，從而提高了準(zhǔn)確性，將平行因子分析引入三維熒光光譜分析是對(duì)該技術(shù)的重要提升[55]。運(yùn)用PARAFAC 分析后，溶解性有機(jī)物中的組分一般被分為兩大類：類腐殖質(zhì)物質(zhì)和類蛋白質(zhì)物質(zhì)。依據(jù)各類有機(jī)物的最大激發(fā)和發(fā)射波長，溶解性有機(jī)物中能被鑒別出的物質(zhì)有類絡(luò)氨酸、類色氨酸、類蛋白質(zhì)、不同種類的類腐殖質(zhì)如富里酸等[56]。Li 等[57]采用EEM-PARAFAC 表征了脫水污泥中有機(jī)物在厭氧消化過程中的遷移轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)其上清液中的熒光類物質(zhì)包括類絡(luò)氨酸、類色氨酸以及類腐殖質(zhì)類物質(zhì)含量逐漸上升，且蛋白質(zhì)的含量發(fā)生了明顯的快速降低。

4.3 宏蛋白組學(xué)

由于污泥中的主要蛋白類物質(zhì)成分來源于微生物細(xì)胞內(nèi)或其分泌的胞外聚合物，且污泥的厭氧消化過程是由微生物主導(dǎo)，而蛋白質(zhì)是微生物生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，因此從蛋白質(zhì)信息出發(fā)分析微生物功能與代謝途徑將是解析污泥中蛋白質(zhì)降解途徑的必要條件。宏蛋白組學(xué)（metaproteome，或稱元蛋白質(zhì)組學(xué)）從宏基因組學(xué)（將群落中所有微生物DNA 提取出來研究）的概念中提出，指環(huán)境混合微生物群落中所有生物的蛋白質(zhì)組總和[58]。其功能與優(yōu)點(diǎn)在環(huán)境生物學(xué)分析中主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①可較準(zhǔn)確地反映活性污泥微生物脫氮除磷、去除有機(jī)物代謝活動(dòng)，還可用于跟蹤新的功能基因、代謝途徑中或者在環(huán)境脅迫下微生物產(chǎn)生的特征性蛋白質(zhì)[59]；②可以整體把握活性污泥微生物的功能及其動(dòng)態(tài)，是理解宏代謝組學(xué)（生態(tài)系統(tǒng)中所有微生物的代謝產(chǎn)物）的關(guān)鍵步驟[60]；③宏蛋白質(zhì)組學(xué)可以為研究活性污泥功能性微生物設(shè)計(jì)特異性探針，在線鑒定和定量分析特定群落微生物表達(dá)的蛋白質(zhì)，推動(dòng)活性污泥微生物種群多樣性的研究發(fā)展[61]。Abram 等[62]首次將宏蛋白質(zhì)組學(xué)用于厭氧消化（AD）系統(tǒng)中的顆粒污泥微生物研究，結(jié)果表明在低溫（15℃）環(huán)境下，以葡萄糖為基質(zhì)的合成廢水厭氧消化過程中，檢出的18 個(gè)蛋白質(zhì)中有14個(gè)與糖酵解和產(chǎn)甲烷作用代謝功能密切相關(guān)，為低溫下AD系統(tǒng)處理廢水過程中生物降解轉(zhuǎn)化途徑的研究提供了理論依據(jù)。Hagen 等[63]采用宏蛋白組學(xué)解析了高溫厭氧消化系統(tǒng)中的細(xì)菌與古菌分別的產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷代謝途徑、參與中間產(chǎn)物代謝的主要蛋白質(zhì)以及脂肪酸的代謝網(wǎng)絡(luò)。因此，采用宏蛋白組學(xué)對(duì)于厭氧消化過程中有機(jī)物的代謝途徑，尤其是對(duì)蛋白質(zhì)及其重要的代謝功能的表征具有一定的可行性。

5 結(jié)語與展望

蛋白質(zhì)的厭氧降解主要包括蛋白質(zhì)水解與氨基酸代謝兩個(gè)重要步驟，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與氨基酸組分差異將決定其厭氧轉(zhuǎn)化性能和持水能力。污泥胞外蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋的比例與污泥的表面親水指數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。蛋白質(zhì)來源、污泥中其他有機(jī)物如多糖、污泥中無機(jī)物如微細(xì)砂（二氧化硅）和金屬離子、以及代謝產(chǎn)物如氨氮等都會(huì)對(duì)污泥中蛋白類物質(zhì)的厭氧轉(zhuǎn)化性能帶來顯著的影響。這些影響通過一定的預(yù)處理手段可以得到緩解，研究發(fā)現(xiàn)破壞蛋白質(zhì)的構(gòu)象、二級(jí)結(jié)構(gòu)與氫鍵網(wǎng)絡(luò)等將有效強(qiáng)化其厭氧轉(zhuǎn)化性能，且在眾多策略中，高溫?zé)崴饧夹g(shù)發(fā)揮了有效的作用并得到了廣泛應(yīng)用。然而對(duì)污泥中蛋白類物質(zhì)的研究仍然停留在定性階段，鮮有準(zhǔn)確的定量轉(zhuǎn)化研究。通過對(duì)污泥中蛋白類物質(zhì)的前沿解析方法包括氨基酸測(cè)定方法、熒光光譜法和宏蛋白組學(xué)的歸納與總結(jié)，可以在一定程度上推動(dòng)污泥中蛋白類物質(zhì)的研究，促進(jìn)其定向轉(zhuǎn)化研究，從而強(qiáng)化其厭氧轉(zhuǎn)化性能以及消化產(chǎn)物的脫水性能。