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Proteinen und Kohlenhydraten im Schlamm) verbraucht werden.Allerdings wurde während des biologischen Abbauprozesses von PAM eine erhebliche Akkumulation von Acrylamid-Monomeren (AMs) beobachtet.Um die anaerobe Hydrolyse von PAM, insbesondere den Amidhydrolyseprozess, zu verbessern und die Bildung des Zwischenprodukts AM zu vermeiden, wird hierin eine neue Strategie beschrieben, die einen Anfangs-pH-Wert von 9, 200 mg COD/l PAM und eine Fermentationszeit von verwendet 17 T.Zunächst wurde die Response-Surface-Methodik (RSM) angewendet, um die PAM-Entfernung bei der anaeroben Faulung des Schlamms zu optimieren.Die biologische Hydrolyse von PAM erreichte 86,64 % unter den aus dem RSM erhaltenen optimalen Bedingungen.Dann wurden die Mechanismen für die optimierten Parameter, die die biologische Hydrolyse von PAM signifikant verbesserten, anhand der synergistischen Wirkung der wichtigsten organischen Verbindungen im Schlamm, der Flockengrößenverteilung und der enzymatischen Aktivitäten untersucht.Schließlich wurden halbkontinuierliche Durchflussexperimente für eine Studie über die mikrobielle Gemeinschaft untersucht, basierend auf der Bestimmung von Schlüsselmikroorganismen, die an der biologischen Hydrolyse von PAM beteiligt sind.Polyacrylamid (PAM), eine lineare wasserlösliche polymere Verbindung mit hohem Molekulargewicht, wird häufig in Abwasserbehandlungsprozessen1,2, Papierherstellung3, Bodenverbesserung4,5, Korrosionsschutzmitteln für Bewässerungsfurchen6 und Ölförderung7 verwendet.Obwohl PAM allgemein als ungiftige Substanz anerkannt ist8, sind die biologisch unvollständig abgebauten Zwischenprodukte, insbesondere das Acrylamid-Monomer (AM), gefährlich für die peripheren Nerven.Die große Produktion und Nutzung von PAM setzt eine erhebliche Menge dieses Materials in die Umwelt frei und birgt potenzielle Risiken für Menschen und andere Organismen.Die zunehmende Verwendung von PAM, hauptsächlich in der Industrie, führt es in Kläranlagen (WWTPs) ein, die die letzten Barrieren vor der Freisetzung von PAM in die Umwelt darstellen.In Kläranlagen ist die Belebtschlammtechnik ein weit verbreitetes biologisches Verfahren zur Abwasserreinigung;jedoch werden während dieses Prozesses große Mengen an aktiviertem Abfallschlamm (WAS) produziert.Glücklicherweise wurde eine anaerobe Faulungstechnik angewendet, um das Schlammvolumen zu reduzieren und das Energiebiogas über anaerobe Mikroben zu erzeugen9,10,11.Darüber hinaus kann das neue anaerobe Vergärungsverfahren mit hohem Feststoffgehalt, das ein kleineres Reaktorvolumen und einen geringeren Energieverbrauch12 verwendet, die traditionellen anaeroben Vergärungsverfahren mit niedrigem Feststoffgehalt schrittweise ersetzen.Allerdings werden große Mengen chemischer Konditionierungsmittel wie PAM (z. B. 2–5 Gramm pro Kilogramm der gesamten vorhandenen Feststoffe) hinzugefügt, um das Dehydratisierungsverhältnis des Schlamms während dieses Prozesses zu verbessern.Daher ist PAM im Schlamm vorhanden und muss so gründlich wie möglich abgebaut werden.Ein Verfahren, das verwendet werden könnte, um den biologischen Abbau von PAM zu verbessern, besteht darin, sowohl das PAM als auch den Schlamm in einem anaeroben Fermentationssystem gleichzeitig biologisch abzubauen;dies ist möglich, weil sowohl PAM als auch Klärschlamm als Kohlenstoffquellen verbraucht werden können13.Jüngste Studien zum biologischen Abbau von PAM konzentrierten sich hauptsächlich auf die begrenzte Hydrolyserate aufgrund von Partikelaggregation14,15.Beispielsweise kann PAM aus Boden- oder Ölfeldabwasser während eines aeroben oder anaeroben Prozesses als Stickstoff- (dh Amidhydrolyse) oder Kohlenstoffquelle (dh Kohlenstoffkettenhydrolyse) hydrolysiert werden.In ähnlicher Weise berichteten Haveroen et al.16, El-Mamouni et al.17 und Nakamiya et al.18, dass PAM aus Klärschlamm während eines anaeroben oder aeroben Prozesses als Kohlenstoff- oder Stickstoffquelle hydrolysiert werden könnte (Tabelle S1, ergänzende Informationen).Mehrere Studien haben jedoch gezeigt, dass PAM aus Klärschlamm oder Flussbettschlamm während eines anaeroben oder aeroben Prozesses möglicherweise schwer zu hydrolysieren ist15,19.Diese Ergebnisse zeigten, dass unterschiedliche PAM-Typen aus unterschiedlichen Substraten während eines anaeroben oder aeroben Prozesses ein unterschiedliches biologisches Abbauverhalten zeigen könnten;jedoch wurde während des biologischen PAM-Abbauprozesses eine signifikante Akkumulation von AM (z. B. ungefähr 500 Milligramm pro Kilogramm der gesamten vorhandenen Feststoffe) beobachtet.Folglich sollte eine neue Strategie entwickelt werden, um die anaerobe Hydrolyse von PAM zu verbessern, insbesondere durch Beschleunigung des Amidhydrolyseprozesses, um die Bildung des Zwischenprodukts AM zu vermeiden.Da neuere Untersuchungen zur Verbesserung des biologischen Abbaus von PAM zu einem interessanten Thema geworden sind20,21,22,23,24, haben viele Forscher damit begonnen, PAM unter Verwendung isolierter Mikroorganismen in Reinkulturen oder anderen Co-Metabolismus-Substraten biologisch abzubauen.Frühere Veröffentlichungen stellten fest, dass aus kontaminiertem Boden und Ölfeld-Aktivschlamm isolierter Bacillus PAM auf 36,3 % seiner ursprünglichen Masse biologisch abbauen könnte20 und sulfatreduzierende Bakterien den biologischen Abbau von PAM auf 61,2 % verbessern könnten, indem sie PAM als einzige Kohlenstoffquelle verwenden21.Zusätzlich könnte aus dem Boden isolierter Pilz (dh Weißfäulepilz) PAM mineralisieren, nachdem er durch Pilzperoxidasen oder Cellobiose-Dehydrogenase mit einer PAM-Entfernungseffizienz von 19 %22,23 solubilisiert wurde.Diese Ergebnisse zeigten, dass verschiedene Arten von Mikroorganismen unterschiedliche Auswirkungen auf den biologischen Abbau von PAM hatten;sie zeigten auch die biologischen Hemmwirkungen von PAM.Bis heute wurde jedoch die Strategie zur Verbesserung der biologischen Hydrolyse von PAM durch Regulierung von Schlüsselmikroorganismen, die an der biologischen Hydrolyse der PAM-Entfernung in WAS-Fermentationssystemen beteiligt sind, nicht untersucht.Um die anaerobe Hydrolyse von PAM (dh Amidhydrolyse) weiter zu verbessern, wird in dieser Studie eine neue Strategie vorgeschlagen, die einen Anfangs-pH-Wert von 9, 200 mg COD/l PAM und eine Fermentationszeit von 17 d verwendet.Die Mechanismen für die optimierten Parameter, die die biologische Hydrolyse von PAM signifikant verbesserten, wurden untersucht und halbkontinuierliche Durchflussexperimente zu den wichtigsten Enzymaktivitäten sowie eine mikrobielle Gemeinschaftsstudie durchgeführt.Die Response-Surface-Methodik (RSM) wurde angewendet, um die PAM-Entfernung (dh Amidhydrolyse) während der anaeroben Faulung von Schlamm zu optimieren.Um den Einfluss von unkontrollierten Variablen auf die RSM zu minimieren, wurden fünfstufige Experimente mit zentralem Verbunddesign (CCD) mit drei Variablen mit 20 Läufen zufällig durchgeführt, um den anfänglichen pH-Wert (X1), die PAM-Menge (X2) und die Fermentationszeit (X3) zu optimieren ) zur Verbesserung der biologischen Hydrolyse von PAM, wie in Tabelle 1 gezeigt Multiple Regressionen zur Analyse der Daten aus Tabelle 1 wurden die folgenden Polynomgleichungen zweiter Ordnung für die biologische Hydrolyse von PAM (d. h. Gleichung-1 und Gleichung-2) generiert:wobei Ralkaline die vorhergesagte Reaktion der biologischen Hydrolyse von PAM unter alkalischen Bedingungen ist;Racidisch ist die vorhergesagte Reaktion der biologischen Hydrolyse von PAM unter sauren Bedingungen;und X1, X2 und X3 sind die drei zuvor beschriebenen unabhängigen Faktoren.Wie in Tabelle S2 in den Zusatzinformationen gezeigt, wurde die statistische Signifikanz der Modelle und ihrer Begriffe durch eine Varianzanalyse (ANOVA) bewertet.Diese beiden Modelle von F zeigten einen niedrigen P-Wert (< 0,001), was auf die hohe Signifikanz des quadratischen Modells hindeutet.Die Werte des vorhergesagten R2 und des angepassten R2 waren ausreichend hoch, um die Signifikanz der Modelle zu unterstützen.Die Präzision, die ein Indikator für das Signal-Rausch-Verhältnis ist, muss größer als 4 sein und wurde als ausreichend groß befunden, um die Wirksamkeit der Anwendung dieser Modelle zu überprüfen.Gleichzeitig deuteten die relativ niedrigen Variationskoeffizienten (CV = 9,33 % für Ralkaline und CV = 11,49 % für Racidic) darauf hin, dass diese beiden Modelle gute Genauigkeiten und Zuverlässigkeiten aufwiesen.Darüber hinaus waren die vorhergesagten versus tatsächlichen Diagramme der biologischen Hydrolyse von PAM unter alkalischen und sauren Bedingungen für beide Antworten relativ nahe an der geraden Linie verteilt (Abbildung S1, ergänzende Informationen);die Normalwahrscheinlichkeitsplots der studentisierten Residuen zeigten ebenfalls ein ungefähr lineares Muster (Abbildung S2, ergänzende Informationen), was die Zuverlässigkeit der Modelle stützte.Da die wichtigsten organischen Verbindungen der WAS Kohlenhydrate und Proteine ​​umfassen, könnte der Verzehr von Kohlenhydraten und Proteinen die biologische Hydrolyse von PAM beeinflussen.Abbildung 1 veranschaulicht den Einfluss dieser Arten von organischem Material auf die biologische Hydrolyse von PAM während der synthetischen Abwasser-Batch-Experimente mit einer Fermentationszeit von 17 Tagen.Es wurde beobachtet, dass die biologische Hydrolyse von PAM 67,4 ± 1,9 % bzw. 69,7 ± 2,1 % betrug, wenn Kohlenhydrate (dh Stärke als Modell) oder Proteine ​​(dh BAS als Modell) in das synthetische PAM-Abwasser gegeben wurden.Die biologische Hydrolyse von PAM erreichte jedoch 88,9 ± 2,4 % durch Co-Fermentation mit Kohlenhydraten und Proteinen zusammen bei pH 9,0 für 17 Tage.Einfluss der hauptsächlichen organischen Substanz im Schlamm und des Anfangs-pH-Werts auf die biologische Hydrolyse von PAM in den synthetischen Abwasser-Batch-Experimenten nach 17 d.(a) PAM;(b) PAM + Stärke;(c) PAM + BSA;(d) PAM + Stärke + BSA;und (e) PAM + Stärke + BSA (pH 9,0).Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichungen von Dreifachtests dar.In Anbetracht dessen, dass die Schlammflockengröße die biologische Hydrolyse von PAM aufgrund von Änderungen des Fermentations-pH25,26,27 beeinflussen könnte, war die kumulative Flockengrößenverteilung des PAM enthaltenden Schlamms bei unterschiedlichen pH-Werten (z. B. von einem pH-Wert von 4,0 bis 11,0). untersucht und der mittlere Durchmesser der Schlammflocken bestimmt, wie in Abb. 2 und Tabelle S3 (Ergänzende Informationen) gezeigt.In Abb. 2, die den Einfluss des Fermentations-pH-Werts auf die kumulative Flockengrößenverteilung des Schlamms beschreibt, betrug die beobachtete Schlammflockengröße von 90 % des kumulativen Volumens ungefähr 178 μm (2,25 LOG μm = 178 μm), wenn der Schlamm fermentiert wurde bei einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 für 17 d, während die Größe der Schlammflocken größer als 178 μm war, wenn der Schlamm bei allen anderen anfänglichen pH-Werten fermentiert wurde.In Tabelle S3, die die Auswirkung des Fermentations-pH-Werts auf den mittleren Durchmesser der Schlammflocken und die biologische Hydrolyse von PAM zeigt, wurde festgestellt, dass der mittlere Durchmesser der beobachteten Schlammflocken ungefähr 109 μm betrug, und die Hydrolyse von PAM wurde mit 86,8 ± 3,4 % bestimmt. nachdem der Schlamm bei einem Anfangs-pH-Wert von 9,0 fermentiert wurde.Der Durchmesser des Schlammflockenmediums betrug jedoch mehr als 109 μm und die Hydrolyse von PAM war weniger als 86,8 ± 3,4 %, wenn der Schlamm bei allen anderen Anfangs-pH-Werten fermentiert wurde.Einfluss des Fermentations-pH auf die Schlammflockengrößenverteilung bei einer Fermentationsdauer von 17 Tagen.(a) pH-Wert 4,0;(b) pH-Wert 5,0;(c) pH-Wert 6,0;(d) pH-Wert 7,0;(e) pH-Wert 8,0;(f) pH-Wert 9,0;(g) pH-Wert 10,0;und (h) pH 11,0.In Anbetracht der Tatsache, dass die mikrobiellen Verteilungseigenschaften wichtig sind, um die Schlüsselmikroorganismen zu bestimmen, die an der biologischen Hydrolyse von PAM beteiligt sind, wurde ein Batch-Experiment mit PAM-reichem synthetischem Abwasser durchgeführt.Die Proben wurden nach verschiedenen Fermentationszeiten (z. B. 1, 4, 7, 14, 19 und 30 d) aus dem anaeroben Reaktor gesammelt, um die Schlüsselmikroorganismen zu bestimmen, die an der biologischen Hydrolyse von PAM beteiligt sind;die mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen wurden durch 454-Pyrosequenzierung untersucht (Abb. 3).Um die phylogenetischen Unterschiede der Bakteriengemeinschaften im anaeroben Reaktor nach den oben aufgeführten unterschiedlichen Fermentationszeiten abzuschätzen, wurden die getrimmten Sequenzen unter Verwendung einer Identitätsschwelle von 97 % in operationelle taxonomische Einheiten (OTUs) gruppiert.Tabelle S4 zeigt, dass die Bakteriensequenzen des anaeroben Reaktors zu den verschiedenen Fermentationszeiten von 1, 4, 7, 14, 19 und 30 d identifiziert wurden, um 684, 764, 740, 762, 957 bzw. 722 OTUs zu enthalten, und zwar ausreichend Die in jeder Probe gefundene Abdeckung (z. B. mehr als 86 %) legte nahe, dass die 454-Pyrosequenzierungsmethode die am häufigsten vorkommenden Mikroorganismen erfasst hatte.Die meisten Bakterien im Anaerobreaktor mit unterschiedlichen Fermentationszeiten gehörten zu den Stämmen Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria und Spirochaetes.Zusätzlich waren die Phyla Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria und Spirochaetes nach 1 Tag Fermentation vorhanden und machten 14,04 %, 25,09 %, 16,12 % bzw. 14,70 % aller gefundenen Bakteriensequenzen aus;nach 30 Tagen Fermentation betrugen diese Werte 51,23 %, 16,80 %, 8,71 % bzw. 4,98 %.Diese Ergebnisse zeigten, dass eine längere Laufzeit die relative Häufigkeit von Bacteroidetes im anaeroben Reaktor erhöhte.Tabelle S5 (Ergänzende Informationen) zeigt die Pearson-Korrelationsanalyse zwischen der biologischen Hydrolyse von PAM und der mikrobiellen Gemeinschaft;Unter den sechs Hauptstämmen (dh Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria, Spirochaetes, Synergistetes und Thermotogae), die aus dem anaeroben System erzeugt werden, wurde festgestellt, dass Proteobacteria signifikant mit der biologischen Hydrolyse von PAM korrelieren.Phylum-Level-Verteilungen von Bakterienpopulationen, die an der biologischen Hydrolyse von PAM mit unterschiedlichen Fermentationszeiten beteiligt sind.(a) 1 d;(b) 4 Tage;(c) 7 Tage;(d) 14 d;(e) 19 d;und (f) 30 d.Basierend auf den oben genannten optimierten Parametern wurden zwei anaerobe Reaktoren mit zusätzlichen 200 mg CSB/L PAM und einer 17-tägigen Fermentationszeit bei einem Anfangs-pH-Wert von 9,0 und bei einem unkontrollierten pH-Wert betrieben.Die Schwankungen von VFA, Methan und PAM in den Fermentationsreaktoren mit einem Anfangs-pH-Wert von 9,0 und mit einem unkontrollierten pH-Wert während der Fermentationsdauer von 100 Tagen sind in Abb. 4 dargestellt 9,0 betrug nur 21,9 ± 3,4 mg/l, während der des unkontrollierten pH-Reaktors 42,4 ± 3,8 mg/l betrug (Abb. 4a).Die Methanproduktion des Fermentationsreaktors mit einem Anfangs-pH-Wert von 9,0 (0,18–0,22 L/g VSS-Zugabe) war signifikant höher als die des Reaktors mit unkontrolliertem pH (0,15–0,20 L/g VSS-Zugabe). .Zusätzlich wurde die biologische Hydrolyse von PAM im Fermentationsreaktor mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 signifikant verbessert (Abb. 4b).Somit verstärkte die Verwendung eines anfänglichen Fermentations-pH von 9,0 signifikant die biologische Hydrolyse von PAM, erhöhte die Methanproduktion und beschleunigte die Verwendung von VFA.VFA-Akkumulation, Methanproduktion (a) und die biologische Hydrolyse von PAM (b) in Fermentationsreaktoren mit einem Anfangs-pH-Wert von 9 oder unkontrolliertem pH-Wert während einer Fermentationsdauer von 100 d.Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung von Dreifachmessungen dar.Die dreidimensionalen Antwortoberflächen und die Konturdiagramme für die biologische Hydrolyse von PAM unter alkalischen und sauren Bedingungen sind in Fig. 5 gezeigt, indem ein Faktor konstant auf Null gehalten und die anderen zwei Faktoren variiert werden.Die Ergebnisse in Abb. 5a–c zeigen, dass es in der nachfolgenden Fermentation zu einer ineffektiven biologischen Hydrolyse von PAM kommen kann, wenn die alkalische Fermentation nicht unter folgenden Bedingungen betrieben wurde: pH 7–9, 100–300 mg/L PAM und eine Fermentation Zeit 8–26 d.Zusätzlich zeigen die Ergebnisse in Abb. 5d–f, dass eine ineffektive biologische Hydrolyse von PAM in der nachfolgenden Fermentation auftreten kann, wenn die saure Fermentation nicht unter den folgenden Bedingungen betrieben wurde: pH von 3–7, 100–300 mg CSB/L PAM und einer Fermentationszeit von 8–26 d.Daher wurde erwartet, dass die maximale biologische Hydrolyse von PAM am Schnittpunkt der Nullniveaus aller drei Faktoren auftritt.Dreidimensionale Oberflächen- und Konturdiagramme für die biologische Hydrolyse von PAM unter alkalischen (a–c) und sauren (d–f) Bedingungen.Abbildung 5a zeigt, dass die biologische Hydrolyse von PAM zunächst zunahm, wenn sich die PAM-Menge von 100 auf 200 mg/l änderte, und dann abnahm, wenn die PAM-Menge von 200 auf 300 mg/l im pH-Bereich von 7,0 bis 11,0 zunahm.Abbildung 5b zeigt, dass die Fermentationszeit (z. B. von 8 bis 17 d) zu einem Anstieg der biologischen Hydrolyse von PAM in einem niedrigeren pH-Bereich (z. B. 7,0–9,0) führte;jedoch führte eine längere Fermentationszeit (z. B. > 17 d) zu einer leichten Abnahme der biologischen Hydrolyse von PAM eines höheren pH-Bereichs (z. B. 9,0–11,0).In ähnlicher Weise zeigte Fig. 5d, dass die Erhöhung der PAM-Menge (z. B. von 100 auf 200 mg/l) die biologische Hydrolyse von PAM erhöhte und dass die höheren PAM-Werte (von 200 auf 300 mg/l) die biologische verringerten Hydrolyse von PAM im pH-Bereich von 3,0 bis 7,0.Wie in Abb. 5e gezeigt, nahm die biologische Hydrolyse von PAM mit zunehmender Fermentationszeit von 8 auf 17 d im niedrigeren pH-Bereich (z. B. 3,0–5,0) zu und wies eine leichte Abnahme auf, wenn die Fermentationszeit 17 d im höheren Bereich überschritt pH-Bereich (z. B. 5,0–7,0).Abbildung S3 (Ergänzende Informationen) zeigt die Overlay-Plots für die biologische Hydrolyse von PAM (dh Amidhydrolyse) durch Festlegen der PAM-Menge und des pH-Werts als variable Faktoren.Die Parzellen wurden bestimmt, indem die PAM-Menge und der pH-Wert als variable Faktoren eingestellt wurden und die Fermentationszeit gleich 17 d eingestellt wurde.Durch die Definition der gewünschten biologischen Hydrolyse von PAM unter alkalischen und sauren Bedingungen wurde der schattierte Teil der Überlagerungsdiagramme als zufriedenstellende Zone angesehen (Abbildung S3, ergänzende Informationen).Die optimalen Bedingungen (dh ein pH-Wert von 9,0, 200 mg COD/l PAM und eine Fermentationszeit von 17 d) wurden aus den überlagerten Plots erhalten.Unter solchen Bedingungen war die vorhergesagte biologische Hydrolyse von PAM (dh Amidhydrolyse) 86,95 ± 4,5 % und der entsprechende experimentelle Wert war 86,64 ± 4,2 %.Somit wurde festgestellt, dass die Modellvorhersagen den experimentellen Daten ähnlich sind.Da der Hauptzweck dieser Studie darin bestand, die biologische Hydrolyse von PAM zu verbessern, wurden die Gründe dafür untersucht, warum die oben aufgeführten optimalen Bedingungen eine verbesserte Hydrolyse von PAM im Vergleich zu den anderen Methoden erzeugten.Verglichen mit der ausschließlichen Verwendung von Kohlenhydraten oder Proteinen wurde die biologische Hydrolyse von PAM durch die Co-Fermentation mit Kohlenhydraten, Proteinen und PAM zusammen signifikant verbessert, was darauf hindeutet, dass es einen synergistischen Effekt zwischen den Kohlenhydraten, Proteinen und PAM im anaeroben Fermentationsprozess gab.Gemäß unserer früheren Studie konnten die Aktivitäten der anaeroben fermentativen Schlammenzyme und der Schlüsselmikroorganismen durch Zugabe von Kohlenhydraten zum anaeroben Fermentationssystem des Schlamms erheblich gesteigert werden28;somit konnte ein analoger synergistischer Effekt im anaeroben Co-Fermentationssystem mit Kohlenhydraten, Proteinen und PAM beobachtet werden.Außerdem konnte geschlussfolgert werden, dass Gärschlamm bei einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 signifikant kleinere Flockengrößen verursachte (Abb. 2 und Tabelle S3), was zu einer vergrößerten Kontaktfläche zwischen dem PAM und den Mikroorganismen führte und die biologische Hydrolyse von PAM verbesserte.Somit reduzierte das Fermentieren von Schlamm bei einem Anfangs-pH-Wert von 9,0 die Größe der Schlammflocken und stellte eine geeignete Kontaktfläche zwischen dem PAM und den Mikroorganismen bereit, was zu einer signifikant verbesserten biologischen Hydrolyse von PAM führte.Die obigen Beobachtungen könnten auch in Bezug auf die Enzyme erklärt werden.Gemäß den vorgeschlagenen Stoffwechselwegen für die biologische Hydrolyse von PAM (Abb. 6) wird PAM zuerst durch AM zu Polyacrylsäure und dann durch ADH zu Acetyl-CoA und Brenztraubensäure hydrolysiert.Im Stoffwechselweg werden Butyryl-CoA und Acetyl-CoA durch PTB bzw. PTA in Butyryl- bzw. Acetylphosphat umgewandelt.Dann werden das Butyryl- und Acetylphosphat durch BK bzw. AK in Butter- und Essigsäure umgewandelt, während Pyruvat und Methylmalonyl-CoA durch OAATC zu Oxalacetat bzw. Propionyl-CoA katalysiert werden;Diese Materialien sind dann dafür verantwortlich, den Kohlenstofffluss vom zentralen Kohlenstoffstoffwechsel zur Propionsäure zu liefern.Das Bernsteinsäure- und Propionyl-CoA kann auch durch CoA-T zu Succinyl-CoA und Propionsäure katalysiert werden.Wie in Tabelle S6 (Ergänzende Informationen) gezeigt, zeigten die an der biologischen Hydrolyse von PAM beteiligten Schlüsselenzyme die höchste Aktivität bei einem anfänglichen Fermentations-pH-Wert von 9,0, was mit den bei der biologischen Hydrolyse von PAM beobachteten Ergebnissen übereinstimmte.Vorgeschlagene Stoffwechselwege für die biologische Hydrolyse von PAM.Nur die in dieser Studie nachgewiesenen Schlüsselenzyme sind gekennzeichnet.Um die zugrunde liegenden Mechanismen der Verdauungsleistung und der biologischen Hydrolyse von PAM unter den optimierten Bedingungen eines pH-Werts von 9,0, 200 mg CSB/L PAM und einer Fermentationszeit von 17 d zu verstehen, die wichtigsten funktionellen Bakterien- und Achaean-Populationen in der Fermentation Reaktoren mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 und mit einem unkontrollierten pH-Wert wurden bestimmt.Abbildung S4 (Ergänzende Informationen) zeigt die benachbarten phylogenetischen Bäume der Bakterien in den Reaktoren mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 und mit einem unkontrollierten pH-Wert.Basierend auf den Verteilungen der Bakterien auf Stammebene in den Reaktoren mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 und mit einem unkontrollierten pH-Wert (Abb. 7) machten Proteobakterien, Chloroflexi und Firmicutes in dem Reaktor mit einem unkontrollierten pH-Wert 37,6 %, 13,9 % und 13,9 % aus 10,9 % der gesamten Bakteriensequenzen waren vorhanden, wohingegen diejenigen im Reaktor mit einem Anfangs-pH-Wert von 9,0 mit 43,2 %, 7,1 % bzw. 9,2 % bestimmt wurden.Zusätzlich zeigte eine FISH-Analyse, dass die Häufigkeit von Alphaproteobacteria und Betaproteobacteria im Reaktor mit einem Anfangs-pH-Wert von 9,0 23 % bzw. 21 % ausmachte, was höher war als die entsprechenden Daten (z. B. 16 % und 27 %) im Reaktor Reaktor mit ungeregeltem pH-Wert (Abb. 8).Proteobakterien, die am häufigsten anzutreffende mikrobielle Gruppe, werden überwiegend von Mitgliedern der Alphaproteobakterien und Betaproteobakterien repräsentiert, die sich als wichtig für die biologische Hydrolyse von PAM erwiesen haben, und die Einstellung des anfänglichen pH-Werts auf 9,0 erhöhte die relative Häufigkeit von Alphaproteobakterien.Diese Ergebnisse zeigten, dass die Einstellung des anfänglichen pH-Werts auf 9,0 die relative Häufigkeit von Proteobakterien erhöhte, die eine wichtige Rolle bei der biologischen Hydrolyse von PAM spielen.Die benachbarten phylogenetischen Bäume von Archaea, die in den Reaktoren mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 und mit einem unkontrollierten pH-Wert vorhanden sind, sind in Abbildung S5 dargestellt.Methanosaeta, die obligat acetoklastische methanogene Archaea, erwies sich als die dominanteste Archaea in den Reaktoren mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0, was 70,3 % der gesamten vorhandenen Archaea ausmacht, und in den Reaktoren mit einem unkontrollierten pH-Wert, die 58,2 % der Archaea ausmachen insgesamt Archaea vorhanden.Weitere Untersuchungen unter Verwendung der FISH-Technologie zeigten, dass der anaerobe Reaktor mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 signifikant höhere Prozentsätze an insgesamt aktiven Archaea und Methanosaetaceae aufwies als der mit einem unkontrollierten pH-Wert (Abb. 8).Wegen der höheren Nutzung von VFAs und anderen organischen Stoffen und weil die Methanproduktion hauptsächlich durch Methanosaeta29 verursacht wurde, könnten aktivere Methanosaeta im Reaktor mit einem Anfangs-pH-Wert von 9,0 die biologische Hydrolyse von PAM verbessern.Verteilungen der Bakterienpopulationen auf Stammebene in den Fermentationsreaktoren mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 (außen) und einem unkontrollierten pH-Wert (innen).Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungsanalyse (FISH) der wichtigsten funktionellen Bakterien- und Archaea-Gruppen in den Fermentationsreaktoren mit einem unkontrollierten pH-Wert (a–f) und einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 (g–l).Eine gemischte EUB-Sonde, die mit Cy-3- und FAM-Farbstoffen (rot in den Feldern a und g und gelb in den Feldern b und h) markiert war, wurde verwendet, um die Domäne Bakterien zu färben.Die Klassen Alphaproteobacteria und Betaproteobacteria wurden mit den Sonden ALF-markiertes VIC (grün in Tafeln c und i) und BET42A-markiertes NED (lila, in Tafeln d und j) hybridisiert.Die mit Cy-3 markierte ARC915-Sonde (rot in den Feldern e und k) wurde verwendet, um die Domäne Archaea zu färben.Die Gattung Methanosaetaceae wurde mit der Sonde MX825-markiertem FAM (grün in Tafeln f und l) hybridisiert.Die obigen Studien führten eine neue Strategie ein, um die anaerobe Hydrolyse von PAM (d. h. Amidhydrolyse) signifikant zu verbessern, um die Bildung des Zwischenprodukts AM zu vermeiden, indem ein anfänglicher pH-Wert von 9, 200 mg COD/L von PAM und eine Fermentationszeit von verwendet wurden 17 T.Mit den geeigneten anaeroben Fermentationsbedingungen erreichte die biologische Hydrolyse von PAM 86,64 % unter Verwendung des RSM, was viel höher war als zuvor berichtet.Zusätzlich wurden die Mechanismen für die optimierten Parameter, die die biologische Hydrolyse von PAM signifikant verbesserten, anhand der synergistischen Wirkung der wichtigsten organischen Verbindungen im Schlamm, der Flockengrößenverteilung und der Enzymaktivitäten untersucht.Es wurde festgestellt, dass die biologische Hydrolyse von PAM durch Co-Fermentation mit Kohlenhydraten und Proteinen im Schlamm signifikant gesteigert werden konnte.Die Vorbehandlung des Schlamms bei pH 9,0 erzeugte die größte Kontaktfläche zwischen dem PAM und den Mikroorganismen, was zu den höchsten Schlüsselenzymaktivitäten führte.Weitere Studien zeigten, dass die Einstellung des anfänglichen pH-Werts auf 9,0 die relative Häufigkeit von Proteobakterien erhöhte, die eine wichtige Rolle bei der biologischen Hydrolyse von PAM spielen, und die Prozentsätze der Gesamtmengen aktiver Archaea und Methanosaetaceae verbesserte.Das durch Absetzen bei 4 °C für 24 h konzentrierte WAS wurde aus dem Nachklärbecken einer kommunalen Kläranlage in Shanghai, China, gesammelt.Die Haupteigenschaften des konzentrierten Schlamms waren wie folgt: pH 6,8 ± 0,2, eine Gesamtmenge an suspendierten Feststoffen (TSS) von 13890 ± 690 mg/l, eine Menge an flüchtigen suspendierten Feststoffen (VSS) gleich 9560 ± 260 mg/l , eine Gesamtmenge an Kohlenhydraten von 1051 ± 51 mg CSB/l und eine Gesamtmenge an Proteinen von 5715 ± 83 mg CSB/l.Kommerziell hergestelltes PAM (CAS Nr. 9003-05-8; lineare Formel (C3H5NO)n) wurde von Sigma Aldrich (St. Louis, MO) bezogen.Während des anaeroben Fermentationsprozesses wurde RSM verwendet, um die Wirkung bestimmter unabhängiger Variablen abzuschätzen, einschließlich des pH-Werts (X1), der PAM-Menge (X2) und der Fermentationszeit (X3).Ein zentrales zusammengesetztes Design (CCD) mit fünf Ebenen und drei Variablen wurde verwendet, um die Experimente zu leiten;Dieses Modell bestand aus sechs axialen Punkten, die als ± 1,68 codiert wurden, acht faktoriellen Punkten, die als ± 1 codiert wurden, und sechs Replikationen von Mittelpunkten, die als ± 0 codiert wurden. Die im RSM-Design verwendeten codierten unabhängigen Variablen sind gezeigt in Tabelle 2. Die Daten wurden statistisch durch eine ANOVA-Analyse unter Verwendung der Design Expert Software (Version 8.05, Stat-Ease, Inc., USA) analysiert.P-Werte von weniger als 0,05 wurden als statistisch signifikant angesehen28.Für jeden Test wurden eine bestimmte Menge PAM und 900 ml Schlamm in einem anaeroben Reaktor mit einem Arbeitsvolumen von 2,0 l gemischt.Der pH-Wert jedes Reaktors wurde durch Zugabe von 5 M Ca(OH) 2 oder 4 M HCl auf einen gegebenen Wert eingestellt.Jeder Reaktor wurde bei 120 U/min mechanisch gerührt und bei 35 ± 1 °C gehalten.Nach einer bestimmten Fermentationszeit wurde die Mischung mit einem Ultraschallgenerator bei 360 W/m2 für 1 min beschallt.Dann wurden 50 ml der Ultraschall-Vorbehandlungsmischung aus einem reziproken Schüttler bei 500 U/min für 30 min bei 25 °C extrahiert und bei 6000 g für 15 min bei 4 °C zentrifugiert.Der Überstand wurde dann für weitere Tests vorbereitet.Die experimentellen Daten wurden unter Verwendung mehrerer Regressionen analysiert, um ein prädiktives polynomisches quadratisches Modell für beide Antworten anzupassen.Bei der Regression des Modells wurden die Wechselwirkungseffekte der Parameter auf die biologische Hydrolyse von PAM (dh Amidhydrolyse) mit Oberflächendiagrammen beschrieben und die optimalen Parameter wurden aus den angepassten polynomialen Regressionsgleichungen abgeleitet.Basierend auf den Eigenschaften des Schlamms wurden Chargenversuche unter Verwendung von Stärke und Rinderserumalbumin (BSA) als Modellpolysaccharid bzw. Modellprotein durchgeführt, um ihre Rolle bei der biologischen Hydrolyse von PAM zu untersuchen.Fünf Anaerobreaktoren mit Durchmessern von 100 mm und Höhen von 250 mm mit synthetischen Lösungen enthielten die folgenden organischen Verbindungen (mg CSB/L): 200 PAM (Reaktor-1), 200 PAM + 1051 Stärke (Reaktor-2), 200 PAM + 5715 BSA (Reaktor-3), 200 PAM + 1051 Stärke + 5715 BSA (Reaktor-4) und 200 PAM + 1051 Stärke + 5715 BSA und Anfangs-pH 9,0 (Reaktor-5).Diese Mengen an organischem Material wurden in 800 ml synthetischem Abwasser in Flaschen mit 405 mg/l NaHCO3, 155 mg/l K2HPO4·3H2O, 50 mg/l CaCl2, 100 mg/l MgCl2·6H2O, 25 mg/l FeCl2, 10 mg/L NaCl, 5 mg/L CoCl2·6H2O, 5 mg/L MnCl2·4H2O, 2,5 mg/L AlCl3, 15 mg/L (NH4)6Mo7O24, 5 mg/L H3BO3, 5 mg/L NiCl2·6H2O , 5 mg/L CuCl2·5H2O und 5 mg/L ZnCl230.Dann wurden 200-ml-Inokulums, die aus den obigen anaeroben Reaktoren (optimierte biologische Hydrolyse von PAM über die Response-Surface-Methodik) gesammelt wurden, gleichmäßig auf jeden anaeroben Reaktor verteilt und 10 min lang mit Stickstoff gespült, um anaerobe Bedingungen zu schaffen.Alle fünf anaeroben Reaktoren wurden dann in einen Luftbadschüttler bei 120 U/min und 35 ± 1 °C für 17 d gestellt;dies sind die optimalen Parameter, die im Abschnitt „Optimierte biologische Hydrolyse von PAM unter Verwendung der Response-Surface-Methodik“ beschrieben sind.Die Mengen an PAM, Protein und Kohlenhydrat wurden dann untersucht.Um die Auswirkungen unterschiedlicher anfänglicher pH-Werte auf die biologische Hydrolyse von PAM während des anaeroben Fermentationsprozesses zu verstehen, wurde eine Reihe von Chargentests bei unterschiedlichen anfänglichen pH-Werten (z. B. von 4,0 bis 11,0) durchgeführt.Ein Volumen von 7,2 l WAS wurde gleichmäßig auf neun anaerobe 2,0-l-Reaktoren mit Durchmessern von 100 mm und Höhen von 250 mm aufgeteilt, und dann wurden 200 mg CSB/l PAM in jeden Reaktor gegeben.Die anfänglichen pH-Werte der acht Reaktoren wurden auf 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10,0 und 11,0 durch Zugabe von 5 M Ca(OH) 2 oder 4 M HCl eingestellt und der neunte Reaktor wurde als Kontrolle ohne pH eingestellt Einstellung.Der Sauerstoff in diesen anaeroben Reaktoren wurde aus dem Kopfraum durch 5-minütiges Spülen mit Stickstoffgas entfernt.Alle neun anaeroben Reaktoren wurden dann in einen Luftbad-Schüttler bei 120 U/min und 35 ± 1 °C für 17 d gestellt, was die optimalen Parameter sind, die im Abschnitt „Optimierte biologische Hydrolyse von PAM unter Verwendung der Response-Surface-Methodik“ beschrieben sind.Neun halbkontinuierliche Durchflussreaktoren aus Plexiglas mit einem Arbeitsvolumen von 2,0 L, einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Höhe von 250 mm wurden verwendet, um die Enzymaktivität im Zusammenhang mit der biologischen Hydrolyse von PAM, der VFA-Produktion und dem Abbau von Proteinen zu untersuchen Kohlenhydrate.Dann wurden 6,4 l WAS gleichmäßig auf die 8 halbkontinuierlich betriebenen Reaktoren aufgeteilt und die anfänglichen pH-Werte der Reaktoren 1–8 wurden durch Zugabe auf 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10,0 bzw. 11,0 eingestellt 5 M Ca(OH)2 oder 4 M HCl;Reaktor 9, der auch 800 ml Rohschlamm enthielt, wurde als Kontrolle ohne pH-Einstellung verwendet.Diese neun Reaktoren wurden jeweils mit 200 mg COD/l PAM geimpft und die Fermentationstemperatur und die Versiegelungsvorgänge waren die gleichen wie oben beschrieben.P < 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen.Wissenschaft.Technol.Technol.Wissenschaft.Technol.Technol.Wissenschaft.Technol.Int.Wissenschaft.Wissenschaft.Klin.Erw.AuflösungWissenschaft.Technol.