大蒜素是一种广泛使用的杀菌剂，其大规模的使用将导致其排放进入到污水处理厂并最终汇聚在污泥中（WAS）。厌氧发酵是一种经济有效地污泥处理处置手段，实现废弃资源的回收和再利用。然而，厌氧发酵的效能与外界环境条件（如pH、温度和赋存的污染物等）密切相关。
凌恩生物客户同济大学吴瑒老师与河海大学罗景阳老师近期在《Journal of Environmental Sciences》期刊(IF=5.565)发表“Mechanisms of allicin exposure for the sludge fermentation enhancement: Focusing on the fermentation processes and microbial metabolic traits”研究论文，揭示具有抗菌活性的大蒜素对WAS发酵生成挥发性脂肪酸（VFA）效能的影响以及关键作用机制。
发表期刊：Journal of Environmental Sciences (IF=5.565)
发表时间：2022.5
样本类型：污泥
DOI:10.1016/j.jes.2021.07.024
实验设计
研究结果
1、大蒜素对VFA发酵过程的影响
添加大蒜素后 VFA 产量显著提高，其影响程度与大蒜素剂量相关（图1），乙酸占比的提高将进一步提高 WAS 发酵产物的经济实用价值。
图1 VFA变化
WAS 通常由细胞外聚合物 (EPS) 胶结和絮凝，溶解变成可利用的底物。大蒜素暴露有利于污泥中EPS的破坏，促进了可溶性蛋白和碳水化合物的增加，提升了污泥发酵过程中的溶解速率（图2）。可溶性铵盐和磷酸盐增加证明大蒜素有利于 WAS 水解（图3）。酸化过程中的 VFA 生物合成还高度依赖于微生物活性，PTA、ACK、SCOT 和OAATC 的酶活性与 VFA 变化一致。
图2 (A) 可溶性碳水化合物和蛋白质的浓度；(B) EPS的浓度；(C) WAS发酵过程中SMP的EEM荧光光谱
图3 (A) 可溶性水合物的浓度和水解酶的酶活性；(B) 第4天WAS发酵过程中产酸酶的相对活性
2、大蒜素驱动VFA促进相关代谢途径
大蒜素的存在也有利于WAS的水解步骤，并在随后的VFA生产中发挥了重要作用。大蒜素暴露将影响发酵系统中底物代谢（如碳水化合物和蛋白质等）相关功能基因的表达，特别是参与氨基酸代谢的功能基因，葡萄糖代谢途径中注释的同源基因上调（图4），促进了发酵细菌的跨膜运输，编码基因(gtsA和ytfT)丰度增加。
图4 基于 KEGG 分类的关键功能
参与丙酮酸代谢的关键基因表达，在脂肪酸生物合成方面基因表达均有所提高（图5）。此外，与和VFA生物合成相关的功能基因(accB、accC和accD) 在大蒜素调节的反应器中表现出较高的水平。
以上结果表明，大蒜素调节在遗传水平上对WAS发酵功能性状具有积极作用。
图5 丙酮酸代谢和脂肪酸合成的基因丰度
与群体感应调控相关的功能基因（lsrK和luxS等）在大蒜素调节的反应器中也表现出较高的水平，这说明大蒜素能够诱导细菌产生更多的信号分子并调节细胞功能，从而增强微生物对不利环境的适应能力和调节机制。
图6 LDH 释放和 ATP 消耗的关键基因
3、微生物群落变异与功能基因表达的关联
微生物结构在发酵过程中受到大蒜素的显著影响，不同功能基因表达导致不同代谢酶的产生，代谢酶分泌的差异导致发酵系统中VFA浓度和分布模式不同。对照组和大蒜素反应器中的菌群在门水平上是相似的，在属水平上发生了显著变化（图7），Bacteroidetes_norank、Betaproteobacteria_norank和Spirochaetes_norank等功能性发酵菌在大蒜素暴露的反应器中得到有效富集。
图7 门水平和属水平的微生物种群以及微生物贡献
4、大蒜素驱动的VFA促进机制
大蒜素的存在通过调节微生物的适应能力和细胞功能来影响厌氧反应器中的微生物群落。由于功能性发酵细菌有效富集以及微生物活性增强，会加速WAS溶解、水解和酸化过程，导致WAS 发酵中的 VFA 的明显增加（图8）。
图8 大蒜素驱动的 WAS 发酵机制
综上所述，研究揭示了大蒜素对反应器中VFA生成的影响，明确了大蒜素与活性污泥溶解、水解和酸化效率的关系。利用宏基因组分析了与发酵物质代谢和VFA生物合成相关的功能基因表达及其与微生物群落的相互关系，进一步表明大蒜素可能刺激微生物在不利环境下的适应能力和调控机制，从而有助于功能性发酵细菌的富集。本研究将有助于人们从分子生物学等角度深入了解外源污染物与污泥厌氧发酵效能之间的联系和互作机制。
参考文献
Mechanisms of allicin exposure for the sludge fermentation enhancement: Focusing on the fermentation processes and microbial metabolic traits.Journal of Environmental Sciences,2022.
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