闪光（间歇光）调控紫色非硫细菌产单细胞蛋白：糖类废水光异养代谢组学解读

文献信息

一图不看也要知道的几件事

• 在平均光强固定为 120 µmol m⁻² s⁻¹ 的条件下，仅改变闪光频率 f 与占空比 φ，生物量最高达 963.9 ± 18.5 mg/L、蛋白浓度最高 589.0 ± 10.5 mg/L，比对照与低 f/低 φ 组高 5.0%–37.6% 与 6.4%–38.3%。
• 占空比 φ 的作用强于频率 f：同一 f 下生物量与蛋白随 φ 升高而单调增加；而在高 φ 区间继续提高 f 的收益明显变小。
• 48 h 对数期的蛋白含量在 1000 Hz-0.50φ 与 100 Hz-0.75φ 组达 881.9 ± 16.8 与 838.4 ± 21.2 mg/g（约 88% 与 84%），显著高于常见 PNSB 报道的 50%–65%。
• 代谢组学（24 个样本、正负离子模式共检出 888/554 个共有代谢物）显示，高 f 与高 φ 同时上调 TCA 循环、EMP 糖酵解、PPP 与乙醛酸循环，并抬高芳香族、天冬氨酸族与谷氨酸族氨基酸前体。
• 机制上，1000 Hz 单次闪光时长 500 µs 接近 Q_A–Q_B 电子传递时间（5–400 µs），使供光节奏与光合电子传递速率匹配，缓解瞬时光抑制。

研究背景与要解决的问题

紫色非硫细菌（purple non-sulfur bacteria, PNSB）能把废水中的碳氮直接转成菌体蛋白，生长快、蛋白含量高、氨基酸谱均衡、核酸含量相对低于其它微生物菌体，被视为单细胞蛋白（single-cell protein, SCP）的重要来源，已被试用于水产饲料添加。问题在于：怎样让同样的废水和同样的能量投入产出更多蛋白。

光是影响 PNSB 生长最关键的环境因子之一。按 Beer–Lambert 定律，光强越高穿透越深，但过高光强会造成光抑制，在大规模户外培养中尤其明显。闪光（间歇光）提供了第三条路：用短脉冲给出高瞬时光强以提高穿透深度，同时用暗期让光合反应中心恢复复位，从而降低光抑制与热耗散损失。

闪光技术在自养微藻上研究较多（高频闪光可使生物量提高约 20%），在光异养细菌上则很少。前期工作显示闪光条件下相对电子传递速率可提高 117%、生物量比恒定光高 23%–31%，但仍缺两件事：一是在平均光强严格相同的前提下，f 与 φ 各自贡献多少；二是闪光究竟改写了 PNSB 哪些代谢通路。PNSB 是光异养生物，其光合电子传递链与代谢过程与微藻差异显著，微藻的结论不能照搬。

体系与方法

关键设计在于把平均光强锁死。因为 Ia = I₀ × φ，φ 越低则瞬时闪光强度 I₀ 越高：φ=0.25 时 I₀ 高达 480 µmol m⁻² s⁻¹，φ=0.50 时 240，φ=0.75 时 160。而前期研究指出超过 240 µmol m⁻² s⁻¹ 会对该菌造成光抑制。这样的设计让“高瞬时强度+长暗期”与“温和瞬时强度+短暗期”形成直接对照。

代谢组学从上述 10 组中挑选 4 组重做：对照 CK 以及 FL_R1（10 Hz-0.25φ，性能最差端）、FL_R6（100 Hz-0.75φ，生物量与氨氮去除最优）、FL_R8（1000 Hz-0.50φ，蛋白含量最优），构成“差—优—优”的三点对照。

主要结果（原文 Figure 1–5 逐图解读）

Fig. 1 Impact of different illumination strategies on: (a) The biomass and protein concentrations (at 96 h), protein content (at 48 h), and protein conversion efficiency (at 48 h) in R. palustris, and (b) chemical oxygen demand (COD) and ammonium (NH4+-N) removal ratios (at 96 h).

图示信息(a) 为 CK 与 R1–R9 十组的分组柱状图，左侧三条轴分别是生物量浓度、蛋白浓度（mg/L）与蛋白含量（mg/g），右轴是氨氮—蛋白转化效率（g-protein/g-NH₄⁺-N-removal），柱上带误差棒与 a/b/c/ab 显著性字母；(b) 为同样十组的 COD 与 NH₄⁺-N 去除率（%）柱状图。读图重点是同一 f 下随 φ 升高柱高单调抬升，以及 R6、R8、R9 三组明显高于 CK 与 R1。

论文结果生物量最高出现在 R6（100 Hz-0.75φ）963.9 ± 18.5 mg/L 与 R9（1000 Hz-0.75φ）933.9 ± 3.7 mg/L，R6 比除 R9 外所有组高 5.0%–37.6%（P<0.05）。蛋白浓度最高为 R6 589.0 ± 10.5、R8 577.9 ± 22.3、R9 573.3 ± 5.2 mg/L。48 h 蛋白含量最高为 R8 881.9 ± 16.8 mg/g 与 R6 838.4 ± 21.2 mg/g，比 CK、R1、R4、R7 高 11.5%–18.1% 与 6.0%–12.3%。蛋白转化效率最高为 R6 的 3.6 ± 0.1 与 R8 的 3.4 ± 0.0 g-protein/g-N，比 R1 与 CK 高 37.9%–57.6% 与 34.0%–54.9%。(b) 中 COD 去除率最高为 R6 60.5%、R8 58.8%、R9 55.6%；NH₄⁺-N 去除率最高为 R6 的 76.4%，比其余各组高 8.8%–66.6%。

研究意义这张图给出了本文最有工程价值的结论：在不增加平均光强、不增加总能耗的前提下，只改变光的时间分布就能提升三到四成的蛋白产出。同时它揭示了 φ 优于 f 的主次关系——同一 f 下 φ 越高越好，而在高 φ 时继续拉高 f 收益递减（R6 ≥ R9 > R3）。需要注意 88% 的蛋白含量出现在 48 h 对数期而非 96 h 终点，说明“高蛋白含量”和“高蛋白总量”的最佳收获时间并不重合。

Fig. 2 Metabolomics profiles for the tested samples. (a) Number of metabolites in R. palustris under negative ion mode; (b) Number of metabolites in R. palustris under positive ion mode; (c) Principal component analysis (PCA); (d) Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA). Ellipses represent the 95% confidence interval.

图示信息(a)(b) 是负离子与正离子模式下 CK、FL_R1、FL_R6、FL_R8 四组的四集合韦恩图，下方配各组代谢物总数柱状图；四组核心共有代谢物分别为 554 与 888 个，各组特有数只有 0–10 个。(c) 是 PCA 得分图，横轴 PC1 解释 41.70%、纵轴 PC2 解释 12.00%，含 QC 样本；(d) 是三个闪光组的 PLS-DA 得分图，成分 1 解释 22.4%、成分 2 解释 9.01%，椭圆为 95% 置信区间。

论文结果四组共享 554（负模式）与 888（正模式）个代谢物，涵盖氨基酸、核苷酸、单糖、磷脂、羧酸、辅因子与维生素，说明代谢物覆盖面广、后续比较可靠。PCA 中 QC 样本紧密成簇证明仪器稳定；各组生物学重复在 95% 置信椭圆内聚集；PC1 上 CK 与三个闪光组明显分离，说明闪光引起全局代谢位移。FL_R1 与 FL_R6/FL_R8 之间也有初步分离，而 FL_R6 与 FL_R8 部分重叠，提示两者代谢特征相近。PLS-DA 作为有监督模型进一步把三个闪光组完全区分开。

研究意义这组图确立了“闪光确实改写代谢”这一前提：差异不是测量噪声，而是可重复的全局代谢重编程。FL_R6 与 FL_R8 在 PCA 上重叠但在 PLS-DA 上可分，说明两者殊途同归——一个靠高 φ、一个靠高 f，最终都进入了“高产蛋白”的代谢状态，这为后面“φ 与 f 可互相部分替代但 φ 更有效”的判断提供了统计学支撑。

Fig. 3(a) (a) Relative abundance heatmaps and Variable importance in projection (VIP) scores from Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) analysis for the 35 significantly different metabolites under different illumination strategies.

图示信息左侧是 35 个差异代谢物的 VIP 得分点图（横轴约 0.6–1.8，按得分降序排列，包含异柠檬酸、葡糖酸内酯、丙酮酸、各种糖磷酸、氨基酸、核苷酸、TCA 中间体），右侧紧接 z-score 热图（蓝→红，−1.5 至 +1.5），四列依次为 CK、FL_R1（10 Hz-0.25φ）、FL_R6（100 Hz-0.75φ）、FL_R8（1000 Hz-0.50φ）。

论文结果基于 PLS-DA 模型筛出 35 个关键差异代谢物，VIP 得分越高说明该代谢物在不同光策略下的区分作用越大；右侧热图显示这些代谢物在四种光策略下的丰度差异。原文判断它们可能在营养物降解、生物量积累与蛋白生产中承担调控角色。

研究意义35 个差异代谢物集中在中心碳代谢与氨基酸合成的节点上，而不是分散在边缘通路，这提示闪光的作用点在中心碳氮代谢的通量分配，而非某个单一酶或次级代谢产物。对工艺放大而言，这意味着光参数是可以通过代谢标志物在线诊断的。

Fig. 3(b) (b) Correlation analysis between 35 key metabolites and nutrient conversion efficiency, biomass and protein accumulation.

图示信息35 个关键代谢物与营养物转化效率、生物量积累、蛋白生产等宏观指标之间的相关性分析矩阵，用颜色深浅/符号表示正负相关强度与显著性。

论文结果赤藓糖-4-磷酸、丝氨酸、果糖-6-磷酸、苏氨酸、景天庚酮糖-7-磷酸与营养物降解率、生物量积累和蛋白生产显著正相关，它们是糖代谢与氨基酸合成通路的关键中间体。缬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、氧化型谷胱甘肽、核酮糖-5-磷酸、谷氨酰胺、甘油醛-3-磷酸、3-磷酸甘油酸则与蛋白浓度、蛋白含量、蛋白产率和 NH₄⁺-N 去除率显著正相关，属于能量代谢与氨基酸合成的关键节点。

研究意义这张图把代谢物和工艺指标直接挂钩，意义在于给出了一组早期生化指纹：在 48 h 对数期检出这些中心碳氮中间体升高，即可预示后续 COD/NH₄⁺-N 去除与生物量/蛋白合成的提升，而不必等到 96 h 才知道这一批光参数好不好。

Fig. 4 The impact of metabolic pathways between pairwise groups under different illumination strategies: (a) FL_R1 10 Hz-0.25 φ Vs. CK; (b) FL_R6 100 Hz-0.75 φ Vs. CK; (c) FL_R8 1000 Hz-0.50 φ Vs. CK; (d) FL_R6 Vs. FL_R1; (e) FL_R8 Vs. FL_R1; (f) FL_R8 Vs. FL_R6. Impact value means the impact of the specified metabolic pathway on the global difference between the compared group.

图示信息六个两两比较的 KEGG 通路富集气泡图（P<0.05 且 pathway impact>0）。每个气泡是一条通路，气泡越大表示该通路对组间全局差异的贡献越大；横轴为 impact value。

论文结果所有比较组中重要性排前八的都是核心碳氮代谢通路，包括丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生、TCA 循环及多条氨基酸代谢支路。(a)–(c) 三个闪光组分别与 CK 比较时，丙酮酸代谢、赖氨酸降解与合成、D-氨基酸代谢、精氨酸与脯氨酸代谢均显著富集——说明任何 f 或 φ 都能显著改变代谢通路。(d)–(f) 闪光组之间两两比较时，仅淀粉与蔗糖代谢一条通路显著富集，说明不同 f/φ 的通路富集特征差异明显但方向一致。FL_R6 与 FL_R8 相对 FL_R1 时，光合生物碳固定、丙酮酸代谢、甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢、泛酸与 CoA 生物合成全部显著富集。

研究意义这说明“闪光 vs 恒定光”是一个大跃变，而“高 f/高 φ vs 低 f/低 φ”是同一方向上的程度差异。工程上的含义是：先把恒定光改成闪光收益最大，之后再精调 f 与 φ 属于二阶优化。原文进一步用差异丰度（DA）评分（图 S3）确认高 f/高 φ 下 TCA 循环、PPP、缬氨酸/异亮氨酸/亮氨酸合成与嘌呤代谢的通路活性显著升高；而 FL_R8 的通路活性弱于 FL_R6，再次印证 φ 比 f 更关键。

Fig. 5 Possible metabolic pathways in R. palustris. Red text refers to the key metabolites identified in the metabolomics analysis (the adjacent bar charts show the relative abundance of each metabolite in the four treatment groups, with the labels 'a, b, c, ab' representing significant differences between treatment groups (P < 0.05)). Arrows represent metabolic pathway activity (the thicker the arrow, the higher the activity of the pathway). The Calvin cycle is shown with dashed lines to indicate its potential activation only under conditions of redox imbalance.

图示信息一张整合式代谢通路图：左上为光合磷酸化与电子传递链（P870/P870*、Bph、标注为 rate-limiting step 的 Q_A/Q_B、醌池、Cyt bc1、Cyt c2），主体按颜色分区为 EMP 糖酵解（橙）、PPP（粉）、卡尔文循环（绿，虚线）、TCA/乙醛酸循环（黄）与氨基酸合成（紫），沿途嵌入约 25 个小柱状图显示 CK/FL_R1/FL_R6/FL_R8 四组的代谢物相对丰度及显著性字母，箭头粗细代表通路活性。

论文结果图中把三层机制串起来：① FL_R8 组 1000 Hz 使单次闪光时长 500 µs 接近 Q_A–Q_B 电子传递时间（5–400 µs），匹配电子传递速率，缓解 240 µmol m⁻² s⁻¹ 瞬时光强带来的光抑制；FL_R6 组高 φ 把瞬时光强压到 160 µmol m⁻² s⁻¹ 这一温和水平；而 CK 恒定光导致醌池电子过度积累，FL_R1 的 480 µmol m⁻² s⁻¹ 瞬时强度则可能损伤光系统。② 高 f/高 φ 下 TCA 循环活性升高，FL_R6 异柠檬酸最高；α-酮戊二酸在闪光组显著高于 CK；果糖-6-磷酸与 3-磷酸甘油酸在 FL_R6/FL_R8 显著高于 FL_R1；三个闪光组的氧化型谷胱甘肽显著低于 CK，说明谷胱甘肽维持在还原态、蛋白结构更稳定；FL_R6 的乙醛酸-二羧酸代谢最活跃。③ 芳香族氨基酸（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸）在全部闪光组显著高于 CK；天冬酰胺与苏氨酸在 FL_R6/FL_R8 显著高于 CK 与 FL_R1；谷氨酸在 FL_R6 显著高于其它组。

研究意义这张图是全文机制的收口：闪光不是简单“多给光”，而是让供光节奏与光合电子传递的恢复动力学对齐，进而通过 ATP/NADPH 状态与前体供给，把碳流导向氨基酸而不是耗散。卡尔文循环用虚线画出、仅在还原力过剩（NADH/NADPH 积累）时作为辅助途径启动这一细节，提示光异养体系中固碳并非主要目标，而是氧化还原稳态的泄压阀。

机制小结：三级递进

1. 光能层——匹配电子传递速率以缓解光抑制。 PNSB 依靠循环光合磷酸化产能，电子传递链中醌池是限速步骤。合适的 f 与 φ 可减少醌池电子过度积累、提高电子传递效率。高 f 使单次闪光时长（1000 Hz 时 500 µs）落在 Q_A–Q_B 电子传递时间窗（5–400 µs）内；暗期则让醌池中间电子受体再生与再氧化，避免电子异常传给氧生成活性氧（ROS）。
2. 前体层——上调中心碳代谢补充生物合成原料。 TCA 循环作为碳骨架氧化、产能与氨基酸前体生成的中心枢纽活性增强；EMP 途径把葡萄糖分解为丙酮酸并产 ATP 与 NADH，高 f/φ 通过优化 ATP/ADP 比间接促进中间代谢物积累；PPP 提供核苷酸前体与 NADPH；乙醛酸循环在乙酸钠逐渐耗尽时被激活，绕过 TCA 脱羧步骤以更高效保留碳骨架。
3. 产物层——推动氨基酸族合成以积累蛋白。 磷酸烯醇式丙酮酸与赤藓糖-4-磷酸经缩合形成分支酸，是全部芳香族氨基酸的分支点；草酰乙酸与丙酮酸是天冬氨酸族与丙氨酸族氨基酸前体；α-酮戊二酸经谷氨酸脱氢酶还原胺化把游离氨转成谷氨酸，再转化为谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸。这解释了氨氮去除率与蛋白产率同步提升的现象。

工程与产业含义

原文用一整节讨论放大路径，给出两条实现方式。第一条是用可再生能源驱动人工光源，经济可行且可精确控制闪光条件，通过优化光参数富集蛋白、脂类、辅酶 Q、多糖与色素等高值产物。第二条是利用阳光加反应器结构设计制造“自然闪光”：在高浓度培养液中，靠湍流让细胞在近光照面与暗区之间高频往返，等效实现明暗交替。原文列举了三类可借鉴的设计——气升式光生物反应器用外循环产生旋流混合、水平挡板改善光穿透使生物量产率提高至传统设计的 1.88 倍、导流板与翼形挡板减少死区并强化闪光效应。

原文同时明确指出尚未解决的问题：闪光在真实废水处理中提升 PNSB 生物量的潜力仍待系统验证；高 f 与高 φ 在大规模操作中的稳定实现仍有挑战，需要靠数值模拟与光生物反应器建模持续优化；未来工作方向是把代谢组学与多组学、基因组尺度代谢网络模型结合。

适用场景

• 已有 PNSB/光合细菌产蛋白中试或小试装置，希望在不增加装机光强、不增加能耗前提下提升蛋白产率的场景。
• 糖类、食品、酿造等高浓度可溶性有机废水的资源化路线设计——本研究的合成废水（COD 4000 mg/L、NH₄⁺-N 250 mg/L）与这类废水特征接近。
• 光生物反应器结构设计与流场优化：把“制造高频明暗交替”作为明确的设计目标，而不只是追求混合均匀。
• 作为参数选择的文献依据：φ 优先、瞬时光强不超过菌株光抑制阈值（该菌为 240 µmol m⁻² s⁻¹）。

不适用 / 需谨慎的场景

• 自养微藻体系不能照搬。原文明确指出微藻走光自养固碳路线、电子传递链与代谢方式不同，甚至存在 φ 趋势相反的报道。
• 深色、高色度废水（如沼液、垃圾渗滤液）直接套用本文 f/φ 参数需谨慎，因为光穿透条件已经改变。
• 需要即刻做经济性决策的项目：本文未提供闪光调制设备的投资与运行成本数据。
• 混菌开放体系的选择性控制问题本文未涉及——闪光能否抑制杂菌、维持 PNSB 优势度，需要参考本专题中的选择性控制类研究。

局限与不确定性

• 使用合成糖类废水与单一纯菌，与真实废水的复杂基质、混培养竞争、季节波动差距明显；原文自身也把“真实废水验证”列为待办。
• 未充分考虑废水色度对光穿透的影响。原文引用既有研究认为水色不是 PNSB 体系光衰减主因，但这一点在深色废水（如沼液）中存在争议——同一篇文中引用的微藻研究就得到相反的 φ 趋势。
• 受设备精度限制，高色度/高浓度条件下散射与吸收会造成光强测量误差与光分布不均；原文靠多次重复降低随机误差，但承认实验室与实际应用间可能存在差异。
• 批式小体积（600 mL）反应器，未给出能耗、闪光调制设备成本与折算到单位蛋白的经济性核算，无法直接判断工业经济可行性。
• 88% 的蛋白含量为 48 h 对数期瞬时值，不等于全周期平均值；Lowry 法测蛋白在含色素菌体中可能受干扰，原文未讨论此项校正。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

图片来源：本文为 Elsevier 订阅期刊论文，原文 Figure 1–5 按学术评述引用方式复用，版权归 Elsevier 及作者所有，来源见 DOI: 10.1016/j.biortech.2025.133243。