亚铁钾与阳离子交换树脂结合使用，能够高效地从初级污泥中提取蛋白质

《Biomass and Bioenergy》：Potassium ferrate combined with cation exchange resin achieved efficient protein extraction from primary sludge

　　

王 Ling|刘环|朱金彪|王燕|高磊|林晓秋|毕学军|庞海亮

青岛理工大学环境与市政工程学院，中国青岛 266000

摘要

初沉污泥（PS）因其高有机物含量（尤其是蛋白质）而成为回收高价值产品的一种有前景但尚未充分利用的资源。然而，由于其顽固的固相结构，蛋白质有效释放到液相中受到显著阻碍。本研究提出了一种新的策略，通过联合使用高铁酸盐（PF）和阳离子交换树脂（CER）进行预处理来增强蛋白质的释放。系统研究了单一试剂（PF、CER）及其组合（PF + CER）对蛋白质溶解度的影响，并从污泥结构、溶解有机物的特性、蛋白质水解以及蛋白质结构变化的角度阐明了其增效机制。结果表明，PF主要通过协同的化学氧化和碱性水解作用促进蛋白质的释放。值得注意的是，PF + CER联合处理通过选择性抑制蛋白酶活性、减小污泥絮体尺寸和诱导蛋白质展开进一步提高了蛋白质的溶解度。最佳蛋白质溶解效率达到了57.37%，沉淀效率达到了77.29%。该方法能够快速高效地从初沉污泥中分离蛋白质，为污泥资源化利用提供了有前景的途径。

引言

近年来，活性污泥技术作为主要的生物处理方法被广泛采用，导致污泥产量大幅增加[1]。据估计，全球每年产生的污泥量已达到45亿吨[2]。污泥管理是污水处理厂（WWTP）运营成本的重要组成部分，同时也是一个亟需解决的环境问题[3]。

初沉污泥（PS）是在污水处理厂初级处理阶段通过重力分离出来的固体物质[4]，它由有机物（粪便、食物残渣）和无机絮凝物质（如沙子、蛋壳和其他不可生物降解颗粒）组成[5]。PS约占污水处理厂总污泥产量的30-50%，其有机物含量为55%至70%[6]。与消化污泥相比，PS含有更高的有机物含量，并具有独特的有机组成。在本研究中，蛋白质占PS中总挥发性悬浮固体（VSS）的80%以上，表明PS是一个有前景的蛋白质来源。提取出的蛋白质可以提纯后出售，或加工成动物营养补充剂[7]、发泡剂和生物降解塑料[8]。然而，蛋白质回收的广泛应用目前受到技术难题的限制，包括高成本和低效的提取过程[9]。

目前，污泥蛋白质的提取方法包括物理方法、化学方法和生物方法，如使用热和碱[10]、酶降解[11]以及低强度超声波辅助[12]。高等人比较了这些提取方法的效率，结果显示化学方法的蛋白质提取率最高，达到了75%。提取过程还改善了污泥的脱水性能，有利于蛋白质的分离[13]。尽管取得了这些进展，但由于污泥絮体结构紧密以及蛋白质与固体基质之间的强相互作用，从PS中有效释放蛋白质仍然具有挑战性。来自食物残渣的天然蛋白质常常与其他有机物质（如脂质和纤维素）形成稳定的复合物，导致颗粒表面高度疏水，从而阻碍了蛋白质的释放[14]。废水中的表面活性剂[15]还会促进污泥中蛋白质与金属离子（例如Ca²⁺和Mg²⁺）之间的桥接絮凝，形成不溶性复合物。微生物蛋白质通常被封闭在生物结构屏障（细胞壁和细胞外聚合物物质（EPS）网络中，需要通过细胞裂解或EPS降解才能释放[16]。尽管之前的研究探索了多种联合方法，但这些策略主要依赖于提高温度、极端pH值或机械破坏来增强污泥分解和蛋白质释放。相比之下，关于化学氧化与物理化学调节污泥结构和系统性质对蛋白质释放影响的系统研究仍然有限，因为大多数现有研究主要集中在污泥调理和脱水性上，而不是蛋白质回收[17]。特别是，能够同时调节污泥结构、与蛋白酶相关的生化过程以及蛋白质分子特性（如蛋白质展开）的集成预处理策略尚未得到充分研究。

高铁酸盐（PF）作为一种新型绿色氧化剂，在污水处理和污泥脱水领域受到了广泛关注[18]。研究表明，PF可以分解污泥并促进污泥颗粒中有机物的释放[19]。基于PF的这些优势，本研究旨在将其应用于蛋白质提取。其核心优势主要体现在三个方面：首先，PF的氧化作用可以有效分解初沉污泥颗粒并加速有机物的释放[20]；其次，PF能够使病原体失活并破坏细胞结构，从而降低环境风险[21]；第三，反应后产生的氢氧化铁（Fe(OH)₃不仅作为一种混凝剂提高固液分离和污泥脱水效率，还提供了促进蛋白质溶解的碱性环境[22]。尽管PF是一种强氧化剂，但先前的研究表明它主要针对污泥的结构成分和细胞外聚合物物质，而不是导致蛋白质大分子的显著氧化降解[23]。然而，PF的引入也可能影响蛋白质提取，因为许多蛋白质可能会通过羧基和氨基等官能团与金属离子形成稳定的复合物，使得这些蛋白质难以释放[24]。因此，有必要全面考虑PF的影响。

虽然本研究侧重于蛋白质提取，而非厌氧沼气或短链脂肪酸（SCFAs）的生产，但之前关于在厌氧条件下使用PF进行预处理的研究提供了关于PF如何促进污泥中大分子有机物释放的见解。例如，研究表明，PF与钢渣结合使用可以改善厌氧发酵性能，促进细胞内底物（包括蛋白质和多糖）的溶解和释放[25]。其他研究报道，PF与物理预处理联合使用可以显著破坏厌氧消化过程中的细胞外聚合物物质和污泥结构，进一步支持了PF有助于大分子（如蛋白质）溶解的观点[26]。综上这些发现，本研究支持在厌氧条件下进行实验，以促进蛋白质释放，同时限制非特异性氧化降解。鉴于金属离子可以通过改变蛋白质的电荷和构象结构来调节其功能，在本研究中开发了一种结合使用PF和离子交换树脂（CER）的集成策略来从PS中分离蛋白质。作为具有高度可交换离子功能性的大分子，CER可以通过交换反应有效去除污泥中的金属离子和细胞外聚合物物质（EPS）[27]，从而降低最终蛋白质产品中重金属污染的风险[28]。开展了两阶段研究：首先确定PF + CER系统的最佳提取条件以获得最终的蛋白质产物；其次系统研究了PF和CER单独及协同作用增强蛋白质释放和激活的机制。在此背景下，蛋白质的结构修饰被视为提取过程的中间结果，这有助于它们从复杂的污泥基质中释放，而回收蛋白质的功能性取决于后续的应用要求。这些发现有助于更好地理解PF + CER预处理增强PS污泥中蛋白质提取的机制，并促进环保污泥处理技术的发展。

章节摘录

PS特性

实验用的PS是从青岛一家污水处理厂的初级沉淀池收集的。PS在4°C下经过重力沉淀处理，随后使用筛子过滤去除大颗粒物质。PS的详细性质在表1中列出。

蛋白质提取装置

蛋白质提取实验在250毫升的厌氧发酵瓶中进行，有效体积为150毫升。

PS中蛋白质提取方法的优化

通过全面分析温度、pH值和PF + CER的剂量，确定了从PS中提取蛋白质的最佳条件。如图2(a)所示，温度和pH值对PS中蛋白质的溶解产生了不同的影响。除了在25°C时具有正面效果外，在35°C到60°C的温度范围内，pH值的升高并未促进蛋白质的溶解。相比之下，提高温度是一个更重要的因素。

结论

本研究突显了PF和CER组合在促进PS中蛋白质提取方面的协同效应。结果表明，PF通过其碱性和化学氧化的双重作用显著增强了蛋白质的提取。PF和CER的协同效应导致蛋白质二级结构从α-螺旋转变为β-折叠，从而促进了蛋白质的展开，进而提高了蛋白质的溶解度和在上清液中的释放。

CRediT作者贡献声明

王 Ling： 项目管理、初稿撰写、审阅与编辑。刘环： 初稿撰写、审阅与编辑。朱金彪： 形式分析、审阅与编辑。王燕： 形式分析、审阅与编辑。高磊： 方法学研究、审阅与编辑。林晓秋： 形式分析、方法学研究、可视化处理、审阅与编辑。毕学军： 形式分析、审阅与编辑。庞海亮： 形式分析

致谢

本研究得到了中国山东省自然科学基金（编号：ZR2025MS911）和中国山东青年科技人才培养计划（编号：SDAST2024QTA007）的支持。