《Bioresource Technology》：Components, molecular conformation, and intermolecular forces of extracellular proteins with potential implications on chemically conditioned deep sludge dewatering
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化學調理通過改變胞外蛋白的疏水性、破壞其二級結構和分子間作用力，顯著提升污泥脫水效率。FeCl3處理使蛋白質疏水性增加1.8倍，α-螺旋占比下降，并解構離子鍵、氫鍵和二硫鍵，形成凝膠空心結構，同時改變Fe3?與氨基酸的靜電及疏水相互作用，優化蛋白微環境。摘要分隔符
Jiali Tan | Ying Huang | Baoyan Chi | Zhenfeng Xiong | Kemei Zhou | Jing Wang | Kazuyuki Oshita | Masaki Takaoka | Jun Zhang
固體廢物處理與資源回收研究實驗室，環境科學與技術系，能源與環境學院，東南大學，南京210096，中國
摘要
化學調理可以提高污泥的脫水性能，但其分子機制仍不清楚。本文研究了在氯化鐵（FeCl3）調理下細胞外蛋白質的組成、構象和分子間力的變化。經過100 mg/g干固體的FeCl3調理后，細胞外蛋白質中的親水性氨基酸含量顯著降低，α-螺旋的比例從19.9 ± 1.2%降至13.2 ± 1.2%，導致細胞外蛋白質的疏水性增加了1.8倍。FeCl3通過氧化作用分解了細胞外蛋白質并破壞了其結構。值得注意的是，FeCl3破壞了蛋白質內的離子鍵、氫鍵和二硫鍵，并在細胞外蛋白質中形成了凝膠狀空洞結構，從而增強了污泥的脫水性能。此外，Fe3+與細胞外蛋白質中的氨基酸殘基通過靜電和疏水相互作用進行絮凝結合，改變了細胞外蛋白質的微環境。這些發現填補了我們對化學調理深度污泥脫水分子機制認識上的空白。
引言
隨著經濟的快速發展和人口的增長，廢水排放量顯著增加，污泥產量逐年上升（Liu等人，2025年）。中國每年的平均污泥產量達到了9000萬噸（含水量80%）（Chen等人，2025年）。高含水量的污泥餅需要大量的能源進行后續焚燒，且可能導致填埋場坍塌和污泥堆肥失敗（Liu等人，2024年）。化學調理是污水處理廠中廣泛使用的污泥脫水技術，可以將污泥餅的含水量從80%降低到60%以下（Yang等人，2025年）。這大大降低了污泥的運輸和處理成本，促進了后續的污泥處理和資源回收（Xu等人，2023年）。作為一種重要的化學絮凝劑，FeCl3因其低成本、顯著的脫水效果和易于操作而得到廣泛應用（Liang等人，2025年）。
污泥脫水的效果在很大程度上取決于細胞外聚合物物質（EPS）的濃度（Wang等人，2025b）。細胞外蛋白質是EPS中的主要親水性物質，它們的存在導致大量水分被包裹在絮體中（Wang等人，2025a），因此它們經常成為污泥脫水研究的主要焦點。研究表明，FeCl3可以去除污泥中松散結合的EPS中的蛋白質，并進一步釋放EPS中的結合水，從而提高污泥的脫水能力（Liang等人，2019年）。Wei等人（2018年）發現FeCl3主要壓縮EPS中的蛋白質類成分，顯著提高了污泥的脫水性能。然而，目前關于FeCl3對污泥中細胞外蛋白質的影響及其對污泥脫水效率提升的研究主要局限于細胞外蛋白質含量的宏觀變化。以往的研究未能提供新的、系統的分子層面解釋。
研究表明，污泥中細胞外蛋白質的組成、結構和功能的變化與污泥的脫水性能密切相關（Cao等人，2021年）。例如，Zhu等人（2020年）發現，在污泥氧化預處理過程中，細胞外蛋白質中賴氨酸含量的減少和色氨酸含量的增加有助于脫水。同時，疏水功能團的暴露加速了結合水的釋放，而破壞蛋白質的α-螺旋二級結構則有效提高了污泥的脫水效率（Wu等人，2017年；Yu等人，2023年）。這表明蛋白質的組成和結構的變化決定了它們的功能特性，最終通過影響細胞外蛋白質的持水能力來調節污泥的脫水性能。此外，Li等人（2021b）利用分子對接技術發現，細胞外蛋白質為小分子提供了豐富的結合位點，從而改變了微環境。蛋白質還可以通過氨基酸與金屬離子結合，促進金屬離子的轉移以實現環境調控（Wang等人，2022年）。因此，通過深入分析脫水過程中細胞外蛋白質的組成和結構變化及其與化學試劑的相互作用，對于提高污泥脫水性能非常重要。然而，FeCl3在深度脫水過程中如何影響細胞外蛋白質復雜多樣的組成和結構的具體分子機制仍不清楚。特別是FeCl3與蛋白質之間的具體生化相互作用和結合模式及其對污泥脫水的影響尚未闡明。
因此，本研究的目標是：（1）研究FeCl3調理前后污泥中細胞外蛋白質的氨基酸組成、主要功能團含量和表面疏水性質的變化；（2）分析細胞外蛋白質的二級和三級結構的變化，并系統闡明蛋白質內部分子間力的變化以及細胞外蛋白質凝膠的持水功能；（3）利用蛋白質組學技術識別和量化FeCl3調理前后污泥中細胞外蛋白質的類型和含量，并利用分子對接技術模擬和可視化Fe3+與典型細胞外蛋白質之間的相互作用模式。這項研究對于開發高效的污泥脫水劑和設計新的污泥處理策略具有重要意義。
實驗污泥
本研究中使用的污泥樣本來自中國江蘇省南京市某污水處理廠的二次沉淀池。該污水處理廠采用厭氧-缺氧-好氧工藝，污泥處理能力為每天0.2萬噸。污泥樣本被放置在4°C的冰箱中直至進一步分析。污泥樣本的基本特征信息見表S1。
從污泥中提取和純化EPS和細胞外蛋白質
我們選擇了100 mg/g干固體的FeCl3用于污泥的調理。
FeCl3調理后污泥中EPS的變化
根據Tan等人（2024年）的研究，在使用最佳劑量（100 mg/g干固體）的FeCl3調理后，污泥中的總EPS含量從59.9 mg/g干固體降至38.4 mg/g干固體。EPS中的蛋白質含量減少了15.6 mg/g干固體。這表明FeCl3調理顯著降低了污泥中的EPS含量，尤其是EPS中的蛋白質成分。使用...觀察到在最佳劑量FeCl3調理前后EPS的形態變化
結論
本研究表明，在使用100 mg/g干固體的FeCl3調理后，細胞外蛋白質中的親水性氨基酸含量從222.5 mg/g降至205.1 mg/g，細胞外蛋白質的疏水性增加了1.8倍，顯著促進了污泥的聚集。同時，FeCl3調理后α-螺旋結構的比例降低，導致細胞外蛋白質結構變得更為松散。此外，FeCl3破壞了離子鍵、氫鍵和二硫鍵
作者貢獻聲明
Jiali Tan：撰寫——原始草稿、方法學、研究、概念化。
Ying Huang：方法學、研究。
Baoyan Chi：方法學。
Zhenfeng Xiong：研究。
Kemei Zhou：研究。
Jing Wang：研究。
Kazuyuki Oshita：研究。
Masaki Takaoka：研究。
Jun Zhang：研究。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（編號：21106019）、江蘇省重點研發計劃（編號：BE2019108）以及江蘇省 Jurong 市社會發展科學技術計劃項目（編號：ZA422022）的財政支持。同時，我們還要感謝Shiyanjia實驗室（www.shiyanjia.com）進行的氨基酸分析工作。
