通讯作者：苏应龙 研究员（华东师范大学）
论文DOI: 10.1016/j.watres.2024.122569
inter-microbial synergism and thermodynamic conditions attribute to the
inhibition-and-relief effects of chitosan towards anaerobic digestion”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2024.122569)。该研究指出壳聚糖对厨余垃圾（FW）厌氧消化（AD）过程表现出抑制–缓解的动态影响，这归因于壳聚糖变化的命运及其在AD不同步骤中生物/非生物耦合作用。在溶出和水解过程中，壳聚糖的絮凝作用促进了底物团聚，抑制有机物从固相到液相的释放，并降低了底物与酶的亲和力。此外，在微生物丰度、活性和功能水平上，壳聚糖严重抑制了乙酸营养型和氢营养型产甲烷途径，并降低了以乙酸代谢（生成/消耗）为中心的基于辅酶的种间协同作用，从而造成了乙酸的积累和甲烷产量的降低。随着壳聚糖的消除，这些抑制作用得到缓解，积累的乙酸诱导更有利的热力学条件，最终促进了AD产甲烷性能的恢复。
不同壳聚糖浓度下的厌氧消化效果
Fig. 1. (a) Cumulative and (b) daily methane production
during AD with the presence of different levels of chitosan; (c) The
degradation of chitosan in AD and (d) methane production potential of various
substrates.
研究发现，壳聚糖对产甲烷性能呈抑制–缓解的影响。AD结束时，尽管壳聚糖对最大累积甲烷产量无显著影响，但显著延长了产甲烷迟滞时间和降低了产甲烷速率。排除壳聚糖降解所产生的甲烷贡献，80 mg/g-FW的壳聚糖降低了FW的净甲烷产量24.7 %。
不同浓度壳聚糖对AD各阶段的影响
Fig. 2. Effects of chitosan on the
substrate properties: (a) DOC release concentration, (b) zeta potential, (c)
floc size; The thermograms and binding isotherms with theoretical fits for the
binding of substrates (protein and starch) to enzymes
(protease and amylase) for (d) 0, (e) 20, and (f) 80 mg/g-FW of chitosan;
The response of individual steps towards chitosan: (g) hydrolysis, (h)
acidification, and (i) methanogenesis with BSA and dextran, L-glutamate and
glucose, and acetate and CO2/H2 as substrates,
respectively.
微生物群落结构对壳聚糖的响应
Fig. 3. The relative abundances
(more than 1%) of predominant bacterial and archaeal genera with different
levels of chitosan. Circle size corresponds to relative abundance, as shown at
the bottom panel.
尽管各种负责水解酸化的细菌对壳聚糖的响应不同，但总相对丰度没有发生显著的变化，表明壳聚糖对水解酸化过程无显著生物影响，与分步实验的结果一致。对于古菌，壳聚糖在前期（8 d）降低了三种优势产甲烷古菌的相对丰度，后期（18 d）随着壳聚糖的降解去除而恢复升高，与产甲烷结果一致。
甲烷代谢功能对壳聚糖的响应
Fig. 4. (a) The schematic diagram
of methane metabolism and (b) the expressions of functional genes involved in
different modules of methane metabolism in CK, CTS-20 and CTS-80 at day 8 and
18.
同样，在前期，参与整个甲烷代谢的基因被壳聚糖总体下调13.6-22.4%，其中参与乙酸和氢营养型产甲烷途径的基因表达水平分别被下调20.0-24.1%和16.5-19.5%。后期，被抑制的甲烷代谢恢复，高浓度壳聚糖实验组中甲烷代谢基因丰度相较于对照组总体上调26.1%。
乙酸代谢为中心的微生物间协同关系对壳聚糖的响应
Fig. 5. The abundances of MAGs
involved in key pathways including methanogenesis (MP), coenzyme M biosynthesis
(M), coenzyme F420 biosynthesis (F), chitosan degradation (CD), propionate
oxidization (PO), butyrate oxidization (BO) acetyl-CoA hydrolysis (A).
Bacteroidales sp. bin120, Armatimonadotasp. bin21和Sphaerochaeta sp. bin94含有编码D-氨基葡萄糖链水解基因（csxA）被鉴定为潜在的壳聚糖降解功能菌。除甲烷代谢外，部分或全部与丙酸/丁酸氧化相关的功能微生物和基因丰度也受到壳聚糖下调。此外，AD系统中，辅酶M和辅酶F420在整个甲烷生成过程中起着至关重要的作用。以乙酸代谢为中心，基于这两种辅酶合成和利用的微生物类群种间协同作用也受壳聚糖所抑制，在壳聚糖降解去除后才恢复。
VFAs和热力学条件的变化
Fig. 7. Variations of (a) VFAs,
(b) pH values, (c) ammonia nitrogen concentrations, and (d) ΔG values for the
bioconversion of acetic acid to methane during AD with different levels of
chitosan.
由于乙酸代谢相关的种间协同作用被壳聚糖降低，导致VFAs的最大累积浓度增加，同时最大积累时间延迟至15 d。尽管VFAs积累降低了pH值（6.5 ± 0.1–7.6 ± 0.1），但未发生显著的酸化和不稳定性。同样，壳聚糖和蛋白质的水解也没有引起严重的氨抑制（< 1500 mg/L）。同时，积累的乙酸使得壳聚糖实验组中乙酸型产甲烷反应的ΔG值降低，在热力学上更有优势。
本研究观察到了壳聚糖在AD中变化的命运对产甲烷性能表现出抑制–缓解的动态影响，并从底物特性、底物与酶之间的结合亲和力、微生物群落结构和功能基因调控、产甲烷菌与细菌之间的协同作用以及热力学条件的角度揭示了其综合作用机制。该工作为评价壳聚糖这种生物合成大分子物质对环境生物过程影响具有重要意义，有助于采取针对性措施提高FW处理的效率。
苏应龙 研究员、博士生导师，现任职于华东师范大学生态与环境科学学院。主要从事有机固废资源化处理和环境中新污染物环境行为、效应及其控制研究。以第一/通讯作者身份发表SCI论文近30篇，授权国内外发明专利6项，获上海市科技进步三等奖、简浩然环境工程奖与高廷耀基金会青年博士生杰出人才奖学金等。主持国家自然科学基金面上项目与青年项目，参与国家重点研发计划等。
Fang, R., Wang, X., Han, Z., Pang, R., Wu, D., Tai,
J., Ouyang, C., Zhan, M., Kim, H., Xie, B. and Su, Y., Dynamic responses of the
inter-microbial synergism and thermodynamic conditions attribute to the
inhibition-and-relief effects of chitosan towards anaerobic digestion, Water
Research, 2024, 267: 122569
https://www./science/article/pii/S0043135424014684?dgcid=coauthor#sec0008