同济大学戴晓虎教授团队 | 活性污泥与厌氧消化污泥植物激素的分子转化机制

同济大学戴晓虎教授和华煜助理教授（共同通讯）在Environmental Science & Technology发表了题为“Differential Molecular Transformation Mechanisms of Phytohormones in Activated Sludge and Anaerobic Digestion Sludge: The Precursor Roles of Tryptophan and Linolenic Acid”的研究论文，发现色氨酸和亚麻酸前体分别能增强剩余污泥和厌氧污泥中的生长素与茉莉酸的产生。

随着全球污水处理需求的增长，处理厂产生的污泥量日益增加。在美国、欧洲和中国，湿污泥年总产量已超过2.4亿吨。剩余活性污泥作为一种高含水率的复杂有机固体废物，在实现全面资源化利用方面面临重大挑战。随着循环经济理念的广泛认可，厌氧消化技术已成为污泥处理最常用的方法之一，因其可通过产生沼气实现生物质能源的回收。然而，由于大部分易生物降解有机物已在厌氧消化过程中被降解，厌氧消化污泥中的残留有机物难以生物降解，使得日益增长的厌氧消化污泥的安全处理也成为一项挑战。厌氧消化污泥通常被归类为B级病原体污泥，除非经过热处理，否则不允许无限制的公众接触。将污泥转化为高价值资源是一种可持续策略。碱性热水解技术的最新进展揭示了其利用污泥固有复杂性合成植物激素的潜力，为资源回收提供了一种创新方法。以往研究主要关注污泥衍生植物激素的产量优化和农艺应用，而对其分子转化途径的机制性研究尚显不足。

本研究系统比较了剩余活性污泥和厌氧消化污泥，以揭示碱性热水解过程中植物激素的生成机制。通过代谢组学分析和分子能量计算，阐明了两种污泥中植物激素的分布及差异特征。研究表明，碱性热水解放大了特定污泥类型固有的前体优势：剩余活性污泥表现出优异的生长素生产能力，而厌氧消化污泥则优先合成茉莉酸。剩余活性污泥中吲哚-3-乙酸的合成由色氨酸介导的途径驱动，其中脱羧和芳香取代主导前体转化；厌氧消化污泥中的茉莉酸则通过厌氧胁迫诱导的亚麻酸衍生物的环化和氧化形成。吉布斯自由能计算证实了这两条途径的热力学可行性。通过建立污泥成分与植物激素特性之间的关系，本研究为指导污泥衍生植物激素的农业应用提供了分子证据。这项工作不仅提出了一种污泥资源化利用的途径，也为提高农业生产力开辟了新的可能性。

本文的主要创新点如下：

1）在剩余活性污泥的直接碱性热水解过程中，明确了L-色氨酸是促进生长的植物激素吲哚-3-乙酸生物合成的前体；

2）首次发现厌氧消化污泥的直接碱性热水解过程会产生抗逆植物激素茉莉酸，并确定α-亚麻酸是其重要的前体物质；

3）厌氧消化污泥与剩余活性污泥的植物激素产量差异可归因于其不同的成分特征：剩余活性污泥富含小肽、核苷酸和氨基酸，而厌氧生物活动导致不饱和脂肪酸在厌氧消化污泥中积累。

这些结论是基于实验数据和现有机制的合理推断，但仍需进一步直接验证。例如，可利用同位素示踪法标记色氨酸等关键前体，通过追踪同位素分布验证反应路径；控制反应过程以分离鉴定反应中间体；验证不同条件下亚麻酸、色氨酸、吲哚-3-乙酸和茉莉酸之间的剂量效应关系，以支持转化路径的可行性。

来源：环境工程与科学

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