来源：Green flocculant of Aspergillus niger fungus cultured from food waste hydrolysate for enhanced sludge dewatering（Bioresource Technology）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
污泥脱水是污水处理的关键环节，传统化学调理剂成本高且存在环境风险。本研究利用餐厨垃圾水解液作为唯一底物培养黑曲霉（Aspergillus niger），获得生物量产率140.3 mg/g-COD，并通过碱改性显著提升其表面疏水性与分散性。与3% FeCl₃联用时，碱改性真菌絮凝剂使污泥比阻降低75.7%，泥饼含水率降至56.8%，絮体粒径Dx(90)从102.0增至1542.9 μm。该策略同步实现餐厨垃圾资源化与合成絮凝剂替代。
研究背景
全球污泥产量预计达每年约4500万吨干固体。高效脱水是降低污泥体积、减少干燥/运输/焚烧等后处理能耗的关键。传统化学调理依赖铝盐或铁盐作为主混凝剂，聚丙烯酰胺（PAM）作为助凝剂，金属盐投加量通常为干固体的10–25%，PAM为0.5–2%，处理成本约150–200美元/吨干固体。然而，PAM中残留丙烯酰胺单体具有毒性且可能浸出至水体，带来环境风险。
生物基絮凝剂来源于植物、动物和微生物，具有可生物降解和低毒特性。本研究以餐厨垃圾水解液为底物培养黑曲霉，通过酸碱改性调控其表面化学性质，评估其作为污泥脱水絮凝剂及化学混凝剂助凝剂的性能。
研究方法
2.1 实验样品与材料
本研究所用污泥取自中国深圳某市政污水处理厂浓缩池，该厂采用活性污泥工艺并将剩余污泥与煤混合焚烧。污泥经筛分和沉淀预处理后，含水率为97.5 ± 0.2%，混合液悬浮固体（MLSS）为25.6 ± 1.8 g/L，混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）为21.6 ± 3.0 g/L，pH值为6.6 ± 0.1。
黑曲霉菌株（40165）购自北京中国工业微生物菌种保藏管理中心。实验用餐厨垃圾（主要含米饭、面条、肉类和蔬菜）取自深圳大学城校区食堂。所有试剂和化学品由中国国药集团化学试剂有限公司供应。配制溶液用去离子水由Milli-Q纯水系统（Millipore，美国马萨诸塞州）制备。
【数据】污泥含水率：97.5 ± 0.2%；MLSS：25.6 ± 1.8 g/L；MLVSS：21.6 ± 3.0 g/L；pH：6.6 ± 0.1；菌株：A. niger 40165
2.2 真菌培养与真菌絮凝剂制备
餐厨垃圾经去除骨头和大型坚硬物体后，与水按1:1（v/v）比例混合形成均质浆液。将浆液转移至水热反应器中进行热水解和灭菌，以2 °C/min的速率升温至120 °C并恒温保持1 h。冷却后分离：去除表面油脂和底部沉淀，上清液经过滤获得餐厨垃圾水解液，于4 °C储存。
所得餐厨垃圾水解液的化学需氧量（COD）为111.3 ± 15.4 g/L，蛋白质浓度为11.1 ± 0.1 g/L，多糖浓度为23.7 ± 2.4 g/L。总氮（TN）和总磷（TP）含量分别为0.5 ± 0.1 g/L和0.4 ± 0.1 g/L。此外，水解液的总固体和挥发性悬浮固体浓度分别为112.6 ± 0.4 g/L和103.3 ± 0.2 g/L。
水解液作为培养黑曲霉的底物。按1:40（v/v）比例将接种物加入装有灭菌水解液的锥形瓶中，在好氧条件下于28 °C、120 rpm振荡培养72 h。培养结束后，用80目筛收集菌丝球，用去离子水洗涤两次，均质化为浆液。该真菌浆液固体浓度为26.7 ± 1.4 g/L，用于污泥脱水试验。操作流程见补充材料图S1。
【数据】水解比例：1:1（v/v）；升温速率：2 °C/min；温度：120 °C；恒温时间：1 h；储存温度：4 °C；水解液COD：111.3 ± 15.4 g/L；蛋白质：11.1 ± 0.1 g/L；多糖：23.7 ± 2.4 g/L；TN：0.5 ± 0.1 g/L；TP：0.4 ± 0.1 g/L；TS：112.6 ± 0.4 g/L；VSS：103.3 ± 0.2 g/L；接种比：1:40（v/v）；培养温度：28 °C；转速：120 rpm；培养时间：72 h；菌丝浆液固体浓度：26.7 ± 1.4 g/L
2.3 真菌絮凝剂的酸/碱改性
真菌悬浮液用浓HCl（GR，36–38%）或NaOH（AR，≥98%）处理3 h，pH条件分别控制在pH 2、4、7、11和13，使用pH计（HQ30d，HACH，美国）监测。所选pH值代表不同强度的酸性和碱性环境：pH 2和4对应强酸和中酸条件，pH 11和13代表中碱和强碱条件，pH 7作为中性对照。该pH梯度可系统评估酸碱强度对真菌改性的影响。
处理结束后，通过真空过滤收集菌丝体，用去离子水彻底冲洗至滤液达到中性pH（6.8–7.2），以去除残留酸或碱，避免影响后续污泥脱水。洗涤后的真菌团块重新悬浮，制得酸改性和碱改性真菌絮凝剂，固体含量分别为29.3 ± 0.4和29.8 ± 0.8 g/L。
【数据】处理时间：3 h；pH条件：2、4、7、11、13；HCl浓度：36–38%（GR）；NaOH纯度：≥98%（AR）；酸改性絮凝剂固体含量：29.3 ± 0.4 g/L；碱改性絮凝剂固体含量：29.8 ± 0.8 g/L；冲洗终点pH：6.8–7.2
2.4 污泥调理与脱水程序
污泥调理使用六联搅拌机（MY3000-6F，梅宇，中国）进行。实验分两个阶段：（1）真菌絮凝剂单独作为混凝剂；（2）真菌絮凝剂与化学混凝剂联用作为助凝剂。
正式测试前，进行系列预实验评估真菌絮凝剂投加量对污泥脱水性能的影响。真菌絮凝剂按污泥干固体（DS）的0%、2%、3%、5%、10%和15%投加，系统比较脱水效果。同时，初步筛选化学混凝剂投加量，FeCl₃在污泥DS的0–5%范围内评估以确定合适的工作剂量。
后续协同调理实验中，AlCl₃和FeCl₃按污泥DS的0–3%投加，随后以200 rpm剧烈搅拌1 min。再加入真菌絮凝剂，继续快速混合2 min。为促进有效絮体形成，混合物随后在50 rpm下缓慢搅拌15 min。
脱水测试测定比阻（SRF）、过滤通量和压缩泥饼最终含水率。SRF使用布氏漏斗（金科，中国）在0.07 MPa真空下测定5 min。过滤通量系数k代表排水、滤饼形成和压缩过程中的水流量，按式(1)计算：
k = ΔV/(A·Δt) (1)
其中ΔV为滤液体积（cm³），A为过滤面积（63.6 cm²），Δt为过滤时间（s）。
调理后，300 mL调理污泥使用实验室规模板框压滤机（Krohne，中国）脱水30 min，所得物料称为压缩污泥饼。将该泥饼置于干燥箱中，在105 °C下烘至完全干燥，其含水率w（%）按式(2)计算：
w = (m₁ - m₂)/m₁ × 100% (2)
其中m₁为湿泥饼质量，m₂为干质量。
【数据】真菌絮凝剂投加量：0–15% DS；FeCl₃筛选范围：0–5% DS；AlCl₃/FeCl₃协同投加量：0–3% DS；快搅转速：200 rpm；快搅时间：1 min + 2 min；慢搅转速：50 rpm；慢搅时间：15 min；SRF测定真空度：0.07 MPa；SRF测定时间：5 min；过滤面积：63.6 cm²；压滤时间：30 min；污泥体积：300 mL；干燥温度：105 °C
2.5 真菌、污泥和水解液的表征
改性和未改性真菌生物质的表征涉及扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、生物透射电子显微镜（Bio-TEM）、接触角（CA）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积测定。
真菌样品在2.5%戊二醛（磷酸盐缓冲液配制）中固定过夜，随后经梯度乙醇系列和100%叔丁醇脱水，最后冷冻干燥。SEM成像前，干燥生物质用离子溅射镀膜仪（MC 1000，日立，日本）镀金薄膜，使用Apreo 2 HiVac SEM（Thermo Fisher Scientific，美国）分析。Bio-TEM样品在5%戊二醛和4%多聚甲醛的1:1混合液中固定，使用LEICA EM UC7超薄切片机（Leica，德国）进行超薄切片。采用醋酸铀和柠檬酸铅双重染色，用HITACHI HT7700 TEM（日立，日本）观察结构变化。
CA使用接触角测量仪（DSA100，KRÜSS Scientific，德国）测定，评估表面疏水性。XPS使用Thermo Scientific Nexsa系统（Thermo Fisher Scientific，美国）进行，宽扫描在200 eV通能下进行，C、N、O元素高分辨谱在50 eV下采集。FTIR光谱使用Nicolet 6700光谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）衰减全反射模式采集，波数范围500–4000 cm⁻¹。
生物质表面电荷特征通过zeta电位测定评估，使用粒度分析仪（Omni，NanoBrook，美国）。比表面积和孔结构基于氮气吸附-脱附等温线，使用BET分析仪（JW-BK100B，JWGB Sci. & Tech，中国）测定。污泥粒径使用Mastersizer（MS3000，Malvern，英国）测定。
水解液分析中，多糖采用蒽酮-硫酸比色法测定，样品在100 °C消化（DRB200，HACH，美国）15 min后测定吸光度。
【数据】戊二醛固定浓度：2.5%；戊二醛/多聚甲醛比例：1:1；XPS宽扫描通能：200 eV；高分辨扫描通能：50 eV；FTIR范围：500–4000 cm⁻¹；多糖消化温度：100 °C；消化时间：15 min
研究结果
3.1 真菌絮凝剂及其改性产物的表征
餐厨垃圾水解液被证明是培养黑曲霉的有效营养培养基。其富含关键生长组分——主要以多糖和蛋白质形式提供的碳源和氮源——支持了真菌的旺盛生长。图1a数据显示，在3天发酵期间，黑曲霉消耗了38.0%的COD（从111.3 g/L降至69.0 g/L），利用了水解液中53.6%的多糖（浓度从23.7 g/L降至11.0 g/L），真菌生物量产率为140.3 mg/g-COD。相比之下，蛋白质和TN变化轻微，表明多糖是黑曲霉生长的主要底物。
培养的菌丝球从悬浮液中收获，用作污泥脱水实验的絮凝剂（图1b）。获得的真菌生物质还经酸（HCl）和碱（NaOH）处理改性，以改善其表面性质和功能性。在餐厨垃圾水解液中培养的黑曲霉pH约为6。如图1c所示，酸性条件（pH 2）处理导致悬浮液中可溶性COD和TN略有增加，分别从6900.0 mg/L升至7382.0 mg/L、从349.4 mg/L升至380.0 mg/L。相反，碱性条件（pH 13）下，可溶性COD和TN浓度上升更为显著，碱处理后分别达到9068.5 mg/L和492.0 mg/L。这一显著增加表明碱性环境有效破坏了真菌细胞壁的结构组分——如几丁质和葡聚糖——从而促进额外胞内有机物释放到周围培养基中。
初步碱性筛选进一步表明，pH 13处理对真菌生物质造成过度结构损伤，而pH 11在有效实现表面改性的同时更好地保留了丝状骨架（图1c）。因此，对酸处理（pH 2）和碱处理（pH 11）的黑曲霉絮凝剂进行了详细的形态和结构分析。
如图2a所示，原始黑曲霉呈现堆叠的丝状菌丝形态。酸处理导致表面侵蚀更严重并出现更多沉积物（图2b）。相比之下，碱改性使菌丝网络更分散、更有序（图2c），与原始和酸改性真菌相比均如此。这一观察结果与文献报道一致：碱处理破坏真菌细胞壁，导致菌丝膨胀和菌丝纤维间距增加，这可能有利于水通过真菌团块的传输或排出。
Bio-TEM图像进一步显示，碱改性真菌细胞比酸改性细胞遭受更严重的细胞损伤（图2d–2f及补充材料图S2）。随着细胞壁的破坏，胞间物质被释放，导致真菌脱水和收缩。水接触角测量进一步证实化学改性后表面疏水性显著增加。原始真菌接触角约为60.3°，酸和碱处理后分别增至97.6°–93.9°（图2g–2i及补充材料表S1）。增强的疏水性有利于真菌絮凝剂的絮凝能力。
疏水性变化得到EDS分析进一步支持：O/C元素比从原始真菌中的0.53显著降至酸改性和碱改性真菌中的0.30和0.31（补充材料表S2）。较低的表面O/C比与含氧极性基团的分解相关，通常与疏水性增加相关。
为进一步研究化学改性和疏水性变化后黑曲霉的官能团，分析了XPS及C、O、N高分辨谱（图3）。如图3b所示，去卷积的C 1s谱显示三个特征峰：284.80 eV（C–C）、286.31 eV（C–O）和288.37 eV（C=O）。酸和碱改性后，C=O比例分别从8.4%增至12.0%和10.4%，而N 1s谱中N–H从4.5%分别降至1.7%和0.8%（图3b、3c、3f、3g、3j和3k），表明处理后亲水性酰胺（–CONH₂）基团发生降解。O 1s谱解析为两个主峰：532.74 eV（C=O）和531.36 eV（C–O），进一步证实表面含氧官能团氧化态的改变。酸和碱改性均降低了亲水性C=O基团含量（8.0%对比2.7%对比4.9%）（图3d、3h和3i）；但碱改性表现出更明显的羟基化。
该结果与CA和EDS分析一致，表明酸改性比碱改性更显著地增加了表面疏水性。此外，N 1s谱显示改性后401.27 eV处N–H降低，而碱处理使399.83 eV处氧化态氮物种（N–O）比例从1.8%增至2.4%（图3c和3k）。氧化态氮的增加有助于更强的表面电荷排斥，导致更分散和疏松的真菌菌丝体结构。这些表面官能团变化预计会影响调理过程中与污泥颗粒和带正电荷金属物种的相互作用，特别是在涉及Fe³⁺基混凝剂的体系中。
FTIR光谱在1636 cm⁻¹处呈现特征性C=O伸缩振动，3500–3200 cm⁻¹范围内呈现N–H振动，而1400 cm⁻¹处无可检测峰（补充材料图S3），进一步证实C=O的增加来源于酰胺降解而非亲水性羧基（–COOH）形成。
除表面化学变化外，酸和碱处理还重塑了真菌细胞壁的物理结构。细胞壁主要由几丁质、β-葡聚糖和糖蛋白组成，通过密集的氢键网络交织。在强碱性条件（pH 11–13）下，许多这些键——特别是连接β-1,3-葡聚糖和几丁质的键——容易断裂，促使菌丝膨胀和纤维骨架松散化。SEM和Bio-TEM观察到的这些结构变化表明内部孔隙率和表面开放度增加，有利于脱水过程中的水分传输。XPS中N–H和C=O含量的降低进一步支持了这一结论，这些基团通常参与氢键形成。
Zeta电位分析显示，碱改性絮凝剂表现出显著更高的负表面电荷（–25.7 ± 1.5 mV），相比原始（–21.7 ± 1.1 mV）和酸处理（–18.3 ± 4.7 mV）样品。负表面电荷的增加可能归因于羟基官能团的去质子化和氧化态氮物种的生成，XPS结果证实了这一点。更高的负Zeta电位表明真菌丝间静电排斥增强，导致更开放和分散的网络结构。
BET分析进一步揭示了改性对物理结构的影响。碱改性真菌的比表面积达到1737.0 m²/g，孔体积为1.868 cm³/g，均显著高于原始和酸改性样品。这一高孔隙率结构为水分快速通过提供了通道，是提升污泥脱水效率的关键物理基础。
【数据】COD消耗率：38.0%（111.3→69.0 g/L）；多糖利用率：53.6%（23.7→11.0 g/L）；生物量产率：140.3 mg/g-COD；pH 2处理后sCOD：6900.0→7382.0 mg/L；pH 2处理后TN：349.4→380.0 mg/L；pH 13处理后sCOD：9068.5 mg/L；pH 13处理后TN：492.0 mg/L；原始接触角：60.3°；改性后接触角：97.6°–93.9°；O/C比：0.53→0.30/0.31；C=O比例：8.4%→12.0%/10.4%；N–H比例：4.5%→1.7%/0.8%；C=O含量：8.0%→2.7%/4.9%；N–O比例：1.8%→2.4%；zeta电位：原始–21.7 ± 1.1 mV、酸改性–18.3 ± 4.7 mV、碱改性–25.7 ± 1.5 mV；比表面积：1737.0 m²/g；孔体积：1.868 cm³/g
讨论与解读
本研究证实餐厨垃圾水解液可作为培养黑曲霉絮凝剂的有效且低成本底物。碱改性通过降解亲水性–CONH₂基团，增强表面疏水性、表面电荷排斥、孔体积（1.868 cm³/g）和比表面积（1737.0 m²/g），从而促进更分散和多孔的菌丝网络。与3% FeCl₃联用时，碱改性真菌絮凝剂实现SRF降低75.7%，污泥饼含水率降至56.8%，絮体尺寸大幅增加。脱水性能的增强归因于菌丝分散性改善、疏水相互作用增强以及与Fe³⁺离子有效配位的协同效应。该工作为合成絮凝剂提供了环境友好且可扩展的替代方案，同时实现餐厨垃圾的资源化回收。
编译者解读：本研究巧妙地将餐厨垃圾资源化与污泥脱水两个环境难题对接，以废治废，体现了合成生物学与环保工程交叉的系统思维。碱改性策略精准靶向真菌细胞壁酰胺基团，通过温和的化学修饰实现表面功能重塑，避免了基因工程改造的复杂性与调控不确定性。值得注意的是，碱改性黑曲霉与FeCl₃的协同效应揭示了真菌表面官能团与金属离子的配位化学在絮凝中的关键角色，这一机制认识可为理性设计高效生物絮凝剂提供指导。然而，从实验室规模到工程应用仍需克服真菌培养放大、批次稳定性及经济性评估等挑战。未来若能将餐厨垃圾水解液的组分波动纳入菌株适应性进化或动态调控框架，有望进一步提升该策略的工业可行性。
参考来源
Sun, Y. (2026). Green flocculant of Aspergillus niger fungus cultured from food waste hydrolysate for enhanced sludge dewatering. Bioresource Technology, 2026. DOI: 10.1016/j.biortech.2026.134137
DOI: 10.1016/j.biortech.2026.134137