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为解决有机废弃物处理中溶解有机质(DOM)分子复杂性阻碍资源化进程的难题，中国科学院团队通过超高分辨率质谱技术(FT-ICR MS)揭示了食品废弃物厌氧消化过程中DOM的分子多样性及转化规律。研究发现DOM的持久性与其碳链长度、芳香性等分子特性密切相关，并建立了氧化还原状态与能量密度的关联模型，为设计可持续有机废物处理策略提供了分子层面的理论支撑。
在全球每年产生15亿吨城市有机废弃物和59亿吨农业生物质的背景下，如何实现高效资源化处理成为环境领域的重大挑战。厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)虽能转化有机废物为可再生能源，但溶解有机质(DOM)的分子复杂性如同"化学暗物质"，长期阻碍着工艺优化。传统方法依赖经验参数调整，犹如在"黑箱"中摸索，亟需从分子层面揭示DOM转化机制。
为解决这一难题，中国科学院团队联合多所机构，对全国7个两阶段厌氧消化系统的食品废弃物处理厂(FWTPs)开展研究，通过傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)技术构建DOM分析框架，相关成果发表于《Nature Communications》。研究采用超高分辨率质谱结合化学计量学方法，对初级消化(PD)和次级消化(SD)阶段的DOM样本进行分子表征，并开发了去甲基化指数(DMI)等量化工具评估关键生化反应。
污泥特性与DOM化学多样性评估
分析显示，次级消化阶段实现了总固体(TS)72.4%和化学需氧量(COD)87.2%的去除率，但溶解性总氮(TDN)增加27.1%。通过鉴定46,327个独特分子式，发现厌氧污泥DOM的化学多样性显著高于自然水体，且分子丰富度与丰度呈正相关，表明AD系统形成了独特的分子群落。
DOM分子组成、分布与性质
研究发现木质素、脂质和蛋白质是DOM主要组分。次级消化阶段脂质分子丰度增加58.4%，而含磷分子显著减少。质量分布分析显示，小分子量物质(0-400 m/z)积累，而大分子量物质(800-1000 m/z)降解。碳链长度和C-C单键数量是影响降解的关键因素，芳香环结构则增强分子持久性。
核心分子群落特征
通过主成分分析(PCA)鉴定出占PD样本7.7%的核心分子群落，其中木质素和蛋白质占比超80%。这些分子因高芳香性和双键特性而难以降解，脂质组分在SD阶段显著增加且氧化还原状态(NOSC)向还原方向偏移。
生化反应预测
通过范克雷维伦图分析发现，19.4%的PD分子在SD阶段消失，同时新增48.5%的分子。定量分析揭示：脂质降解主要通过β-氧化样去甲基化途径；木质素向脂质转化(DCI=26688)显著；蛋白质则通过脱水(DHI=41933)和脱氨反应转化。
DOM转化的氧化还原特征
建立标准摩尔燃烧焓(ΔH)与碳标称氧化态(NOSC)的线性关系(R2=0.817)，发现每增加1个NOSC单位，能量密度降低91 kJ mol-1 C。AD过程使DOM整体向还原态和高能量潜力转变，但木质素等化合物因高能量需求仍难以降解。
该研究首次系统揭示了AD过程中DOM分子群落的演替规律，建立了分子特性-反应路径-能量代谢的关联模型。提出的分析框架不仅适用于有机废物处理，还可拓展至木质纤维素生物精炼等领域。研究指明通过微生物群落重构或化学-生物联用技术靶向降解顽固分子，为突破当前高成本处理技术的局限提供了新思路。中国科学院团队的工作标志着有机废物处理从经验驱动向分子设计的重要转变，对实现"双碳"目标下的资源循环具有深远意义。
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