污泥中蛋白類物質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化影響因素及其促進(jìn)策略研究進(jìn)展

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，從而對其進(jìn)行針對性強(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)過程中必須要對其二級結(jié)構(gòu)和一級結(jié)構(gòu)造成一定程度的改變。蛋白質(zhì)二級結(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)定二級結(jié)構(gòu)的主要作用力[7]。蛋白質(zhì)二級結(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其利用就越困難。蛋白質(zhì)的一級結(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。對蛋白質(zhì)一級結(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)酵最簡單的方式，且每轉(zhuǎn)化1mol 的氨基酸將會為細(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%?？梢娢勰嘀械牡鞍踪|(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動力學(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)會對系統(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]對比研究了酸、堿、紫外照射預(yù)處理改變蛋白質(zhì)構(gòu)象對提高蛋白質(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 氨基酸的測定方法

在眾多的氨基酸測定方法中，沼液中總氨基酸量的測定主要通過茚三酮比色法[48]，而沼液中的氨基酸組分的測定，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其進(jìn)行分離并經(jīng)紫外或熒光檢測（OPA/FMOC-Cl/RT-HPLC）來實(shí)現(xiàn)各組分的測定[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)小固體懸浮物會對衍生化過程產(chǎn)生干擾，如高濃度氨氮和揮發(fā)性胺容易與某些待測氨基酸形成熒光副產(chǎn)物，干擾氨基酸的分析與測定。孟慶國等[49]采用氣相色譜法測定了沼液中的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沼液中的溶解游離氨基酸進(jìn)行分析，并通過外標(biāo)法對所開發(fā)的沼液中溶解性氨基酸分析方法進(jìn)行了評估。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便性而更適用于沼液中溶解游離氨基酸的測定，并且避免了SCX-SPE 法對氨基酸選擇性吸附和對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)用于對蛋白質(zhì)和腐殖酸等物質(zhì)的檢測中[54]，然而原始譜中重疊的熒光團(tuán)和熒光帶經(jīng)常影響對物質(zhì)性質(zhì)的解析與測定。平行因子分析法（parallel factor analysis，PARAFAC）可以將熒光信號分解為相對獨(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，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)對于厭氧消化過程中有機(jī)物的代謝途徑，尤其是對蛋白質(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)物如氨氮等都會對污泥中蛋白類物質(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。通過對污泥中蛋白類物質(zhì)的前沿解析方法包括氨基酸測定方法、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。