厨余垃圾自发酵产乳酸耦合光合细菌产蛋白：残渣糖化、菌群演替与蛋白安全性（致敏性、消化率、重金属）评估

文献信息

一图不看也要知道的几件事

• 厨余垃圾不接种活性污泥、不调 pH 的自发酵可自行酸化：pH 从 7.22 降到 9 天时的 4.02 并稳定在约 4，乳酸积累到 11634.64 mg/L（占 SCOD 的 20.6%），乙醇未检出、其它挥发性脂肪酸始终低于总有机酸的 10%，避开了污泥发酵路线的 CO₂/CH₄ 碳损失。
• 固液分离后液相占 82%、固相占 18%；固相在 60 ℃ 酶解（加酶量 0.4% w/w）时还原糖从 0 升到 16278 mg/L，糖化率 68.7%、速率 452 mg/(L·h)，酶活峰值 9 U/g，无需强酸强碱预处理。
• 液相按 5%（v/v） 投加最有利于光合细菌（PSB）生长：24 h 生物量 572.31 mg/L，是无发酵液对照（147.67 mg/L）的 3.87 倍；20% 投加因有机过载（COD > 50000 mg/L）反而抑制生长。
• 15 天连续培养中生物量从 115.69 升到 1164.65 mg/L，蛋白浓度从 73.40 升到 492.72 mg/L；但蛋白含量先升后降——第 3 天达 697.40 mg/g 峰值后跌到第 15 天的 423.24 mg/g（降幅 32.1%），说明资源受限时菌体优先保生长而非保蛋白含量。
• 菌群向 Rhodopseudomonas（红假单胞菌） 收敛：属水平相对丰度从 35.96% 升到 62.89%，而厨余原生的 Enterobacter 从 47.48% 跌到 7.56%；KEGG 功能注释显示碳水化合物代谢下调、氨基酸代谢上升 8.97%、氮代谢相对丰度增长 232%，Rubisco 与 GAPDH 基因丰度显著升高。
• 安全性：401 个蛋白中比对出 22 个潜在致敏蛋白（EF-Tu、DnaK/HSP70、超氧化物歧化酶、烯醇化酶等）；体外消化率在各光照条件下均 > 55%，4000 Lux 下达 77.28%；7 种重金属（Pb、As、Zn、Cd、Cr、Cu、Hg）全部低于中国国家标准，含量比食品安全限值低 85%–97%，铅略高但仍在 0.3 μg/g 限值内。

研究背景与要解决的问题

全球每年产生超过十亿吨厨余垃圾（food waste, FW）。它富含碳水化合物、蛋白和脂类，理论上是优质的生物质资源，但主流处置手段——堆肥、厌氧消化、生物发酵——处理周期长、有二次污染风险，而且酸化阶段以 CO₂ 和 H₂ 形式散失的能量直接拉低了整体效率。

产酸发酵（acidogenic fermentation） 是一条替代思路：它减少碳损失，并产出富含有机酸的发酵液。已有研究表明光合细菌（photosynthetic bacteria, PSB） 能在厨余发酵液上良好生长，并把吸收的碳几乎全部转成菌体。因此“厨余产酸发酵 → 发酵液喂 PSB”这条链条既能除污又能产资源。关键细节是：为了不让外源微生物干扰 PSB 的蛋白合成，产酸阶段必须走自发酵（不接种活性污泥）。

发酵后的固相残渣同样富含有机物。回收还原糖的手段包括物理、化学、生物与酶法水解。物理法靠改变形貌提高溶解性；化学法用强酸强碱降解大分子，但会因试剂投加抬高阳离子浓度、造成 pH 波动，还可能生成酚类和呋喃类抑制物，妨碍后续糖的利用。酶法在温和条件下精准催化、产糖纯度高，因此被视为固相残渣资源化的可行路径。

与既有“厨余—PSB”研究相比，本文的差异在于分级分质：不是把整个厨余浆液直接丢给 PSB，而是先固液分离，让 PSB 只吃最容易转化的液相有机酸，固相另走糖化线路，从而避开高有机负荷对 PSB 的抑制（原文观察到 COD > 50000 mg/L 即抑制生长）。

体系与方法

分析方法：pH 用 pH 计；SCOD 用标准方法；蛋白用 Lowry–Folin 法；碳水化合物用苯酚—硫酸法；乳酸用 RQflex 试纸法。糖化酶活以 60 ℃、pH 4、20 min 淀粉水解释放的还原糖（DNS 法）计。TS 为 105 ℃ 烘干至恒重（两次称量差 ≤ 0.5 mg）的残渣占比；VS 为 TS 残渣在 550 ℃ 马弗炉灼烧 4 h 后的失重占比。

菌群与功能分析：在蛋白产量的初始、峰值、稳定三个阶段取样，用 FastDNA™ SPIN Kit 提 DNA，338F / 806R 引物扩增 16S rRNA 的 V3–V4 区，2% 琼脂糖凝胶电泳检验、AxyPrep 胶回收纯化、QuantiFluor™-ST 定量，Illumina MiSeq PE300 测序，Majorbio Cloud 平台做门与属水平分类，并用 COG 与 KEGG Orthology 数据库做功能注释。

安全性方法：体外蛋白消化率（in vitro protein digestibility, IVPD）用胃—肠两段模拟——1 g 冻干 PSB 粉先与 1.5 mg 胃蛋白酶（3000 U/mg）在 15 mL 0.1 M HCl 中 37 ℃ 消化 3 h，再加 7.5 mL 含 4 mg 胰蛋白酶的 pH 8.0 磷酸缓冲液，用 2 M NaOH 中和后 37 ℃ 振荡 24 h，加 10 mL 20% 三氯乙酸终止，定容 100 mL 后测未消化蛋白，按 IVPD(%) = [P_total − (P_precipitation − P_control)] / P_total × 100% 计算。重金属（Pb、As、Zn、Cd、Cr、Cu、Hg）用 ICP-OES（Spectro Arcos，SPECTRO，德国）测定。蛋白组学：PSB 蛋白经 10 kDa 截留膜过滤、C18 柱脱盐，肽段用 EASY-nLC 1200 系统（流动相为 80% 乙腈中的 0.1% 甲酸，300 nL/min）分离，Q-Exactive 质谱鉴定。

主要结果（含原文图解读）

第一段：厨余自发酵。 13 天自发酵中，pH 在第 1–3 天从 7.22 快速降到 5.19，第 9 天降到 4.02 并在此后稳定于约 4，说明厨余在常温、无接种条件下即可自行快速酸化，且终点 pH 低于接种厌氧污泥的发酵体系。SCOD 呈先升后稳：第 1–9 天急剧上升，反映水解反应剧烈、微生物把大分子有机物分解为可溶性小分子；第 9–13 天趋稳，表明水解与酸化活性减弱。可溶性碳水化合物在第 3 天达到峰值 18932 mg/L，比第 1 天升高 146.3%，此后随其转化为其它代谢物而下降。可溶性蛋白在前 5 天显著升高（微生物水解释放），第 5 天后因降解转化而下降；原文注意到蛋白降解效率低于接种污泥体系，可能是缺少氨化菌所致——但这带来一个有利副作用：尽管蛋白明显降解，发酵液中 NH₄⁺-N 并未升高（维持在 210 mg/L 的低水平），避免了高氨氮对后续微生物活性的抑制。乳酸在第 9 天前快速积累后稳定，终点达 11634.64 mg/L，占 SCOD 的 20.6%，显著高于接种厌氧污泥的发酵体系；挥发性脂肪酸水平很低，乙醇未检出。

Fig. 1 Fig. 1. Changes in (a) pH, (b) SCOD, (c) dissolved carbohydrates, (d) dissolved proteins, and (e) lactic acid concentration during FW self-fermentation.

图示信息五个子图共用横轴“Time (d)”，从第 1 天到第 13 天、每 2 天一个取样点，每条曲线为单一黑色系列带误差棒（SD）。(a) 纵轴 pH，量程 3–8，曲线自第 1 天的最高点急剧下折，第 3 天前后落到 5 附近，第 9 天后贴近 4 的水平线走平；(b) 纵轴 SCOD (mg/L)，量程约 20000–60000，呈“两段式”上升：第 1→3 天大幅跃升、第 3–5 天出现平台、第 5–9 天二次上升，之后在高位走平；(c) 纵轴可溶性碳水化合物 (mg/L)，量程约 6000–21000，第 3 天出现明显尖峰后单调下滑；(d) 纵轴可溶性蛋白，前段上行、约第 5 天转折后回落；(e) 纵轴乳酸浓度，前 9 天陡升、其后进入平台。

论文结果图上四条曲线共同刻画了自发酵的相位：水解期（SCOD 与碳水化合物、蛋白同步上升，pH 骤降）→ 酸化期（碳水化合物与蛋白回落、乳酸陡升）→ 稳定期（第 9–13 天 SCOD 与乳酸双双走平，pH 稳定在约 4.0）。定量结果为：pH 7.22 → 5.19（第 3 天）→ 4.02（第 9 天）；可溶性碳水化合物第 3 天峰值 18932 mg/L（比第 1 天 +146.3%）；终点乳酸 11634.64 mg/L，占 SCOD 20.6%；液相 COD 56443.33 mg/L；NH₄⁺-N 保持 210 mg/L 低位。

研究意义这组曲线支撑了“用 pH 稳定在 4 作为发酵终点判据”的工程做法：pH 走平与 SCOD、乳酸同时进入平台是同一件事，因此现场只测 pH 就能判断何时进入下一工段，不必等 COD 数据。同时它说明自发酵的产物结构与污泥发酵有本质差别——乳酸而不是 VFA 主导、几乎无产气，碳保留在液相里，这正是后续 PSB 能高效利用的前提。局限也很清楚：13 天的发酵周期偏长，而原文摘要按 72 h 报告 COD 与乳酸值，说明前 3 天已完成大部分酸化，后续时间的边际收益需要与停留时间成本权衡。

固相残渣糖化。 糖化后约 89.8% 的初始固相仍以未消化残渣形式存在，原文建议这部分继续走厌氧消化产沼气或堆肥产土壤改良剂。温度影响显著：60 ℃ 下还原糖释放最快、最高，55 ℃ 因酶活不足、65 ℃ 因酶变性而产率明显下降；酶活呈钟形曲线，60 ℃ 时峰值 9 U/g。60 ℃ 糖化前后，pH 因有机酸与磷酸盐缓冲而保持稳定，形成的弱酸环境抑制了腐败微生物与产甲烷菌的生长，从而减少碳损失、保住了糖。总碳水化合物浓度无显著变化，但还原糖从 0 升至 16278 mg/L，水解率 68.7%；TS 从 88.37% 降到 79%（降 9.37%），VS 从 93.75% 降到 81%（降 12.75%），对应不溶性多糖（如纤维素）转为可溶糖并部分氧化为 CO₂。与碱预处理或长时间酶解的研究相比，本体系在不做剧烈化学预处理的前提下得到更高的水解效率（68.7%）与更快的速率（452 mg/(L·h)），降低了设备腐蚀风险。粒径分布显示糖化后粒径变小、比表面积下降 16.67%，提示颗粒表面更光滑、黏度降低，流动性与酶可及性改善，也意味着固液分离能耗更低。

发酵液投加比优化与 PSB 生长。 发酵液富含有机酸（尤其乳酸），是 PSB 的高效碳源，但过高的有机负荷（COD > 50000 mg/L）会抑制生长。无发酵液时 PSB 生物量停滞在 147.67 mg/L；2.5%（v/v）投加时达 295.50 mg/L；5% 投加最优（生物量 744.4 mg/L，为对照的 3.62 倍，此时初始 COD 为 2500 mg/L）；20% 投加则因有机过载导致生物量下滑。按 24 h 口径，5% 投加下生物量 572.31 mg/L，是对照的 3.87 倍。确定 5% 后进行 15 天连续培养：生物量从 115.69 指数增长到第 15 天的 1164.65 mg/L，但第 5 天后增速显著放缓，第 5–15 天仅增加 60%，说明 PSB 前期快速适应并增殖，后期受营养限制或代谢物积累拖累。作为对照，此前用水热处理厨余液为基质的研究在第 10 天最高生物量仅 622 mg/L，本体系明显更高，原因是富乳酸的自发酵液更易被 PSB 利用。蛋白含量第 3 天从 634.46 升到 697.40 mg/g，随后降到第 15 天的 423.24 mg/g（降幅 32.1%），推测是资源竞争所致；但蛋白总浓度仍从 73.40 升到 492.72 mg/L（仅第 6–7 天略降，可能源于代谢转向）。生物量与蛋白浓度正相关，说明在资源受限时 PSB 优先保生长而非保单位蛋白含量，单位含量的下降被生物量的快速增长抵消。原文把过程分为三段：0–3 天营养充足、快速增殖并合成蛋白；4–7 天营养受限、资源向生长倾斜、蛋白含量下降；8–15 天生长缓慢、蛋白含量稳定在低位、代谢在匮乏中达到平衡。

Fig. 2 Fig. 2. Protein production by PSB cultured in food waste fermentation broth, (a) PSB growth at different fermentation broth concentrations, and (b) biomass, (c) protein content, and (d) protein concentration at 5% fermentation broth concentration.

图示信息四个子图。(a) 横轴 Time (d) 0–7，纵轴 Biomass (mg/L) 0–600，五条带误差棒的系列：Control、2.5%、5%、10%、20%；所有系列起点约 95 mg/L；Control 升到约 150 后走平；2.5% 缓慢上行；5% 与 10% 几乎重叠、持续上行到第 7 天最高；20% 前期爬升最快（第 1 天即明显高于其它组），第 5 天前后到达峰值后转为下降。(b) 横轴 0–15 天，纵轴 Biomass (mg/L) 0–1200，单系列呈 S 形：前 5 天陡升、其后斜率变小、第 14–15 天进入平台。(c) 纵轴 Protein content (mg/g)，量程 300–750，曲线在第 3 天见顶后陡降，第 6–7 天快速下滑，第 10 天后在低位走平。(d) 纵轴 Protein concentration，量程 0–600，整体单调上行，中段（第 6–7 天）有一处小回落，末端继续抬升。

论文结果(a) 给出投加比的钟形响应：5% 为最优点（生物量 744.4 mg/L，对照的 3.62 倍；24 h 口径 572.31 mg/L，对照的 3.87 倍），20% 出现先快后衰的典型有机过载曲线，2.5% 则受碳源不足限制（295.50 mg/L）。(b)(c)(d) 三图合起来给出本文最关键的一组权衡数字：生物量 115.69 → 1164.65 mg/L，蛋白含量 634.46 → 峰值 697.40（第 3 天）→ 423.24 mg/g（降 32.1%），蛋白浓度 73.40 → 492.72 mg/L。

研究意义(a) 的意义在于把“碳源越多越好”这个直觉否掉了：PSB 体系的设计变量不是投加量而是初始 COD 落点——本文的最优点对应 2500 mg/L 初始 COD。(c) 与 (d) 的分岔则提醒产品定义要先明确：若目标是蛋白总产量，延长培养有利（第 15 天蛋白浓度最高）；若目标是高蛋白含量的饲料原料（含量决定配方价值与后续提纯成本），最佳收获窗口在第 3 天前后，此时含量约 697 mg/g（约 70%）。这两个目标在同一条曲线上是冲突的，工程上必须二选一或做分级收获。

污染物去除。 PSB 在第 15 天去除 87.94% 的 COD，其中前 5 天从 0 快速升到 50.34%，随后减速并在第 13 天略有回落，原文推测与乳酸耗尽或副产物抑制有关。作为对照，另一项 PSB 处理厨余发酵液的研究即使生物量超过 2000 mg/L，COD 去除率仍停留在约 50%，原因是所用发酵液有机负荷更高（COD 8460 mg/L）。氨氮去除趋势跟随 COD 但滞后，从 0 升到 61.99%；第 5 天时 COD 去除已达 50.3%，而氨氮去除仅 28.1%，表明 PSB 优先进行碳代谢、其次氮代谢。乳酸从 489.41 降到 33 mg/L，前 5 天消耗最快（44%），第 10–15 天变慢（25%），说明后期碳源匮乏、代谢受限。污染物去除与生物量增长高度相关；第 5 天后即使生长变慢，去除率仍继续上升，说明 PSB 调整代谢以维持效率——蛋白含量下降与去除率上升同时发生，正好印证了资源从蛋白合成向分解代谢（维持生存）的转移。全过程可归纳为三段：0–5 天乳酸充裕，支撑快速增殖、高 COD 去除与蛋白合成；5–12 天乳酸减少，代谢转向复杂有机物与氮的去除，氨氮去除升高而蛋白含量下降；12–15 天乳酸近乎耗尽，生长与去除同时放缓，进入资源受限的维持态。摘要口径的最终去除率为乳酸 95%、COD 89.7%、NH₄⁺-N 66.6%。

Fig. 3 Fig. 3. Changes in (a) COD removal, (b) NH4+-N removal, and (c) lactic acid concentration during food waste fermentation broth cultivation of PSB.

图示信息竖排子图，横轴均为 Time (d)。(a) 纵轴 COD removal (%) 0–100，带误差棒的黑色方点，从原点起近似线性上升，第 5 天前后跨过 50% 一线，其后斜率逐渐变小、末段趋于走平。(c) 纵轴乳酸浓度 (mg/L) 0–600，从约 490 起持续下行，前 5 天下降最陡，中段斜率变缓，第 11 天附近再出现一次明显跌落，末端接近底部。(b) 为氨氮去除率子图，趋势与 (a) 同向但整体位置更低（滞后）。

论文结果三条曲线的斜率关系构成了本节的核心论据：乳酸消耗速率（c）领先，COD 去除（a）紧随，氨氮去除（b）最滞后。定量对应为第 15 天 COD 去除 87.94%、氨氮去除 61.99%；第 5 天 COD 去除 50.3% 而氨氮仅 28.1%；乳酸 489.41 → 33 mg/L，前 5 天消耗 44%、第 10–15 天仅 25%。

研究意义碳氮去除的时间错位对工艺设计有直接后果：若按 COD 达标来定水力停留时间，出水氨氮很可能仍不达标；反过来，为了追氨氮而延长停留时间，则要付出蛋白含量下降（Fig. 2c）与光照能耗增加的代价。因此 PSB 体系在同时兼顾产蛋白与脱氮时，需要在碳源投加策略上留出后段可用碳，或采取分级/多级串联而非单一批式。此外，第 13 天 COD 去除的小幅回落提示副产物释放或菌体自溶，长期运行需要监测这一拐点。

菌群多样性与组成演替。 覆盖度指数（coverage）全部为 1，确认样本与数据可靠。Chao 与 Ace 指数显著升高，说明物种丰富度呈上升趋势；Shannon 指数先升后降，Simpson 指数先略降后明显上升，综合表明群落多样性先小幅改善、随后显著下降——即优势物种富集、竞争力弱的物种减少或消失。门水平上群落由 6 个门组成：Proteobacteria（变形菌门）、Bacteroidota、Firmicutes、Synergistota、Desulfobacterota 与 Actinobacteriota。Proteobacteria 在两个阶段的相对丰度都超过 88%（终点为 88.0%），是主导门，具备较强的碳水化合物降解与固氮能力，能合成功能蛋白以加速有机物转化。Firmicutes 是厨余原生菌群成员、在厌氧下降解复杂有机物，在自发酵阶段作用显著，但到终点从 9.95% 降至 2.28%。Bacteroidota、Synergistota、Desulfobacterota 与 Actinobacteriota 在蛋白稳定期有所上升，但因竞争力不足均低于 6%。属水平上 Rhodopseudomonas 与 Enterobacter 为优势属：Rhodopseudomonas 从初始 35.96% 升到蛋白稳定期的 62.89%，巩固其优势地位（原文摘要给出的相对丰度为 59.04%）；Enterobacter 作为厨余原生属初始占 47.4%，到稳定期骤降至 7.5%（Fig. 4c 中列为 47.48% → 7.56%），它可能参与厨余发酵液中乳酸、乙酸、丁酸等有机酸的生成。反硝化关键属 Pseudomonas 从 0.036% 大幅升至 14.5%，可能与 PSB 介导的氨向硝酸盐转化有关。Klebsiella 随时间下降；Dethiosulfovibrio（Synergistota 门）与 Macellibacteroides 小幅上升（分别 0.12% → 1.16%、0.25% → 1.58%）；Clostridium_sensu_stricto_13 初始占 6.44%，到终点消失。

Fig. 4 Fig. 4. Changes in PSB microbial community composition at different protein content stages (a) phylum level, (b) genus level, (c) Genus level variability analysis.

图示信息(a) 门水平百分比堆叠柱图，纵轴 Relative abundance 0.0–1.0，横轴两根柱：Initial 与 End；图例自上而下为 Other、Synergistota、Bacteroidota、Firmicutes、Proteobacteria，两根柱都被 Proteobacteria 占据绝大部分面积，Firmicutes 的色块在 End 柱中明显收窄，Bacteroidota / Synergistota 的色块略微展宽。(b) 属水平百分比堆叠柱图，同样为 Initial 与 End 两根柱，图例含 Rhodopseudomonas、Enterobacter、Klebsiella、Citrobacter、Clostridium_sensu_stricto_13、Macellibacteroides、Lactococcus、Dethiosulfovibrio、Enterococcus、Dysgonomonas、Serratia、Other；Rhodopseudomonas 色块在 End 柱中显著加宽，Enterobacter 色块显著收窄。(c) 成对分组柱图带误差棒与显著性标记，纵轴为相对丰度（0–100 量级），横轴为编号 1–7，图例 Initial（红）/ End（蓝），侧栏对应关系为 1 Rhodopseudomonas、2 Enterobacter、3 Klebsiella、4 Citrobacter、5 Clostridium_sensu_stricto_13、6 Macellibacteroides、7 Dethiosulfovibrio；编号 1 与 2 上方标有 *** 显著性括号。

论文结果三个子图给出同一结论的三种证据强度：组成（a、b）显示 Proteobacteria 始终 > 88%（终点 88.0%），Firmicutes 从 9.95% 降到 2.28%；属水平 Rhodopseudomonas 从 35.96% 升至 62.89%，Enterobacter 从 47.48% 跌至 7.56%；统计检验（c）确认只有这两个属的变化达到显著水平（***），其余属的变动小且不显著。Pseudomonas 从 0.036% 升到 14.5%、Clostridium_sensu_stricto_13 由 6.44% 归零，则来自正文描述。

研究意义这张图的工程含义是混培养体系可以自发向目标功能菌收敛：不需要纯菌无菌操作，靠“低 pH 富乳酸的液相 + 厌氧光照”这组选择压，Rhodopseudomonas 就能在 15 天内从三分之一升到接近三分之二的优势度，把厨余原生的 Enterobacter 压到个位数。但同时要注意两点风险：一是 Enterobacter、Klebsiella、Citrobacter 这类肠杆菌科成员虽被压低却未清零，作为饲料/食品原料时需要单独做卫生学指标（本文的安全性评估未涵盖病原微生物计数）；二是 Pseudomonas 升至 14.5% 说明体系里存在与 PSB 竞争氮源的反硝化通路，这可能是氨氮去除率上升而蛋白含量下降的部分原因。

代谢通路与关键酶。 KEGG Level 1 层面涵盖 Organismal Systems、Human Diseases、Cellular Processes、Genetic Information Processing、Environmental Information Processing 与 Metabolism，其中 Metabolism 相对丰度最高（58.9%–59.5%）。Level 2 层面碳水化合物代谢最高（14.2%–15.9%）；Level 3 层面果糖与甘露糖代谢（1.43%–1.86%）、淀粉与蔗糖代谢（2.01%–2.08%）、氨基糖与核苷酸糖代谢（1.60%–2.35%）、戊糖磷酸途径（1.09%–1.26%）与丙酮酸代谢（1.29%–1.36%）丰度较高，说明这些碳水化合物是 PSB 的主要碳源。但碳水化合物代谢整体呈下降趋势，其中果糖与甘露糖代谢降幅最大；Level 3 层面能量代谢中的“光合生物固碳”也出现类似下降；与胞内有机物摄取相关的膜转运在 Level 2 也下降。尽管碳水化合物代谢持续下降，Level 1 的 Metabolism 总量保持稳定，而 Level 2 的能量代谢呈上升趋势；Level 3 进一步显示 TCA 循环相关基因丰度升高，3-羟脂酰-CoA 脱氢酶 [EC:1.1.1.35] 与乙酰-CoA 合成酶 [EC:6.2.1.1] 丰度上升——两者均参与乙酰-CoA 合成，而乙酰-CoA 是 TCA 循环的前体，提示 PSB 代谢活性增强并通过通路调整强化替代代谢过程。Level 2 的氨基酸代谢在蛋白稳定期增加 8.97%（总量 11.1%），Level 3 中多数氨基酸代谢基因不同程度升高，以甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢与精氨酸/脯氨酸代谢最为突出，这些氨基酸在氮的储存、转化与蛋白前体合成中作用重要。同时能量代谢下的氮代谢与硫代谢相对丰度上升，其中氮代谢相比初始阶段增长 232%，说明 PSB 通过强化氨基酸代谢来促进氮的利用以积累蛋白。机制链条上：丝氨酸经丝氨酸脱水酶转为丙酮酸、苏氨酸经苏氨酸脱氢酶转为 α-酮丁酸、脯氨酸经脯氨酸氧化酶转为谷氨酸，三者随后进入 TCA 循环生成 ATP 与其它有机物，从而刺激循环运转。

Fig. 5 Fig. 5. Changes in relative abundance of (a) Level 1, (b) Level 2, (c) Level 3 metabolic pathways, and (d) key enzyme-related genes of PSB.

图示信息四个成对分组柱图，图例统一为 Initial（红）/ End（蓝）。(a) 标注“Level 1”，纵轴 Relative abundance 0–0.7，横轴编号 1–6，对应 1 Organismal Systems、2 Human Diseases、3 Cellular Processes、4 Genetic Information Processing、5 Environmental Information Processing、6 Metabolism；编号 6 的柱最高且两个阶段几乎持平。(b) 标注“Level 2”，纵轴 0.00–0.16，横轴用字母 A–F 与 G–Q 两个由竖线分隔的区块，A–D 属 Genetic Information Processing（A 转录、B 折叠分选与降解、C 复制与修复、D 翻译），E–F 属 Environmental Information Processing（E 信号转导、F 膜转运），G–Q 属 Metabolism（M 能量代谢、P 氨基酸代谢、Q 碳水化合物代谢等）；Q 与 F 为最高柱，且 End 柱在 Q、F、C、D 上低于 Initial，在 E、P 上高于 Initial。(c) 标注“Level 3”，纵轴 0.000–0.030，横轴 A–V 分三个区块（氨基酸代谢 A–H、碳水化合物代谢 I–P、能量代谢 Q–V），其中 H 精氨酸与脯氨酸代谢、J 乙醛酸与二羧酸代谢、Q 柠檬酸循环（TCA）、U 氮代谢、V 硫代谢的 End 柱高于 Initial，而 N 果糖与甘露糖代谢、P 氨基糖与核苷酸糖代谢、T 光合生物固碳的 End 柱低于 Initial。(d) 纵轴“Relative abundance ×10⁻⁵”，量程 0–180，横轴编号 1–8，对应 1 氨肽酶、2 甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）、3 ATP 合酶、4 核酮糖二磷酸羧化酶大亚基（Rubisco 大亚基）、5 琥珀酸脱氢酶、6 果糖-1,6-二磷酸酶 III、7 谷氨酰胺合成酶、8 NADH 脱氢酶；编号 1–5 与 7 的 End 柱高于 Initial（其中 4 的抬升最明显），6 与 8 的 End 柱低于 Initial。

论文结果四个层级共同刻画“碳向氮”的代谢重心迁移：Metabolism 总量稳定在 58.9%–59.5%，碳水化合物代谢（14.2%–15.9%）下降而能量代谢上升，氨基酸代谢在稳定期增加 8.97%（达 11.1%），氮代谢增长 232%。关键酶层面，Rubisco 大亚基基因 [EC:4.1.1.39]（催化 Calvin 循环第一步）显著上升，说明光合活性明显增强；氨肽酶 [EC:3.4.11.-]（切除新生肽链 N 端氨基酸、促进新肽链形成）与谷氨酰胺合成酶（把氨与谷氨酸合成谷氨酰胺这一蛋白合成重要前体）丰度大幅上升；GAPDH [EC:1.2.1.9]（糖酵解关键酶，调控丙酮酸合成效率并影响 TCA）上升；TCA 限速酶琥珀酸脱氢酶（SDH）与 ATP 合酶亦逐步上升；而电子传递链中的 NADH 脱氢酶 [EC:1.6.99.3] 持续下降，与观察到的有机物去除效率变化一致。

研究意义这张图把宏观现象（蛋白含量先升后降、氨氮去除滞后、COD 去除末段减速）与分子层面的通路调整对上了号：Rubisco、GAPDH、谷氨酰胺合成酶、氨肽酶的协同上调解释了氮同化与蛋白合成能力的增强，而 NADH 脱氢酶的持续下降解释了后期有机物降解能力的衰退——即电子传递效率下降制约了有机污染物的降解。工程上给出两个可操作的抓手：一是可用 Rubisco / 谷氨酰胺合成酶相关基因丰度作为“产蛋白状态”的过程指示；二是若要突破 COD 去除的后期瓶颈，方向应是维持电子传递链活性（例如补充易利用碳源或调整光照策略），而非单纯延长停留时间。需要说明的是，这些均为基于 16S 的功能预测结果，不是实测酶活或蛋白表达量，趋势可信但绝对值不宜过度解读。

蛋白安全性评估：致敏性、体外消化率与重金属

致敏性筛查。 LC-MS 从微生物蛋白中鉴定出 401 个蛋白，与 IEDB 数据库中的致敏蛋白做 BLAST 比对后，识别出 22 个潜在致敏蛋白（清单见原文补充材料）。原文对其中几类做了逐一讨论：延伸因子 Tu（elongation factor Tu, EF-Tu）参与细菌蛋白合成、主要定位于多种细菌表面，是抗菌治疗的潜在靶点；它与人源蛋白无同源性，但可能作为外源抗原触发免疫反应。分子伴侣 DnaK（即热激蛋白 70, HSP70）广泛存在于各类生物，其某些成员（如小麦 HSP70）具有致敏潜力并可能引发交叉反应，且 HSP70 能活化 T 淋巴细胞、增强免疫细胞的细胞毒活性。超氧化物歧化酶是人体必需酶，在紫外暴露、机械损伤、急慢性炎症等应激条件下上调，也已被列为需进一步考察交叉反应性的致敏原。烯醇化酶是在栗子中发现的新型致敏原，本研究中同样检出。其它蛋白如柠檬酸合酶、苹果酸脱氢酶与细胞色素 c 含有具潜在致敏性的保守序列，但尚无直接证据证实其致敏作用。

原文对这一结果的定性是审慎而非否定：尽管 PSB 蛋白存在潜在致敏性，但在实际应用中并未表现出显著致敏风险，反而在水产养殖中显示出很高的实用价值。未来应用可采用高温处理、水解或纯化等策略来削弱其致敏潜力。除水产养殖之外，PSB 来源蛋白也已被考察用于畜禽饲料，以及作为生物刺激素或生物肥料的功能性成分。

体外蛋白消化率（IVPD）。 消化率指生物体可吸收的蛋白量占摄入蛋白的百分比，是蛋白质量的指标；消化率高意味着氨基酸可及性与营养价值更好，更适合食用。本研究用胃蛋白酶、胰蛋白酶与 pH 调节模拟胃肠环境来测定 PSB 蛋白的体外消化率，并比较了不同光照条件下的差异：各实验条件下 IVPD 均超过 55%，其中 4000 Lux 下最高，达 77.28%。原文的解释是适宜光强提升了 PSB 代谢活性与蛋白合成通路，同时降低了细胞壁结构（如肽聚糖层）的刚性，从而改善了酶对蛋白的可及性；相反，过高光强（如 5000 Lux）可能造成光抑制并诱导热激蛋白等胁迫蛋白表达，改变蛋白构象、进而降低消化率。

原文进一步指出：微生物蛋白的消化率常受细胞壁完整性限制，而 PSB 独特的膜结构（如类囊体系统）可能有利于消化过程中的酶解。而且高消化率与致敏风险降低相关——蛋白降解不完全时容易保留致敏表位；4000 Lux 下生产的 PSB 蛋白被完全水解，这可能把这类风险降到最低，构成其作为食品级蛋白的安全性优势。这条推理把“消化率”与“致敏性”两项指标连成了一个逻辑：22 个潜在致敏蛋白的存在是序列层面的风险，而完全水解是把该风险在生理层面消解掉的机制。

重金属。 厨余可能含痕量重金属，并通过微生物活动在 PSB 菌体中累积。重金属具有毒性、持久性和环境不可降解性，且会通过食物链放大，因此在食品与饲料中需严格监控。原文逐一说明了受关注元素的危害：铅通过自由基失衡引发氧化应激，导致高血压、肾/脑并发症与生殖障碍；镉是致癌物，会增加乳腺、前列腺、鼻咽、胰腺、肺与胆囊癌风险，长期暴露还会扰乱钙代谢、造成骨骼异常与骨折；锌在食欲、创伤愈合、皮肤健康、免疫与感觉功能中作用重要，但过量会抑制铜与铁的代谢；砷过量暴露引起皮肤、神经与呼吸系统疾病以及致癌致突变效应；汞、砷、铬会促成有害的硫醇或甲基衍生物，其离子会置换蛋白中的必需金属、破坏代谢功能。实测结果为：PSB 菌体中所有重金属浓度均低于中国国家标准（具体数值见原文补充材料）；铅水平虽略有升高，但仍在 0.3 μg/g 的食品安全限值之内、符合安全要求。摘要口径为重金属含量比食品安全限值低 85%–97%。

机制与体系逻辑

整条路线的机制主线可以概括为三次基质降维。第一次是水解与酸化：厨余中的大分子多糖与蛋白被原生微生物降解为可溶性小分子，pH 自发降到 4 左右，这个弱酸环境同时抑制了腐败微生物与产甲烷菌，把碳锁在液相的乳酸里而不是以 CH₄/CO₂ 逸散。第二次是固液分离与酶法糖化：液相（占 82%）保留了 PSB 最易利用的有机酸，固相（占 18%）中的不溶性多糖在 60 ℃ 糖化酶作用下转为还原糖，形成第二条产品线。第三次是 PSB 的光异养同化：乳酸等有机酸进入中心碳代谢，经乙酰-CoA 进入 TCA 循环供能，同时氮以氨的形式经谷氨酰胺合成酶固定进入氨基酸池，最终以菌体蛋白形式输出。

为什么必须自发酵而不接种污泥。 原文给出的理由是双重的：一是避免外源微生物干扰 PSB 的蛋白合成；二是自发酵不产气、以乳酸而非 VFA 为主要产物，从而避免了厌氧污泥体系把有机碳转成 CO₂ 与 CH₄ 造成的碳损失。代价是蛋白降解效率低于接种污泥体系（推测因缺少氨化菌），但这反而带来氨氮不升高的好处，规避了高氨氮抑制。

蛋白含量为什么会掉。 这是本文最值得注意的机制观察。生物量与蛋白浓度正相关、而蛋白含量随时间下降，说明在资源受限时 PSB 把资源优先投向增殖而非提高单位菌体的蛋白比例；类似趋势在藻类中也有报道。分子层面的证据是碳水化合物代谢与膜转运下调、氨基酸代谢与氮代谢上调、NADH 脱氢酶持续下降——即体系在碳源耗尽的过程中，从“合成导向”转向“维持导向”，并通过氨基酸的分解（丝氨酸→丙酮酸、苏氨酸→α-酮丁酸、脯氨酸→谷氨酸，进入 TCA 产 ATP）来支撑基础代谢。因此高蛋白含量与高蛋白总量在批式体系中不可能同时最大化。

菌群自组织的选择压来自哪里。 Rhodopseudomonas 从 35.96% 升到 62.89% 并非人为控制的结果，而是“富乳酸 + 弱酸性 + 厌氧 + 4000 Lux 光照”这组条件的自然筛选：能进行厌氧光异养的成员获得独占的能量来源（光），而厨余原生的 Enterobacter、Klebsiella 等发酵型异养菌在碳源被逐步耗尽后失去优势。Pseudomonas 的意外崛起（0.036% → 14.5%）则说明选择压并不完全排他，反硝化通路的介入会与蛋白合成争夺氮源，这既解释了氨氮去除的持续，也提示如需最大化氮向蛋白的转化，应设法抑制这条旁路。

工程与产业含义

• 分级分质而非一锅处理。本文的核心工程贡献是把厨余按“液相 → 蛋白线、固相 → 糖线”分开走，从而各自落在最优操作窗口内。液相直接喂 PSB 需要稀释到 5%（对应初始 COD 2500 mg/L），因为原液 COD 高达 56443.33 mg/L，远超 PSB 的耐受上限（原文观察到 COD > 50000 mg/L 抑制生长）。这意味着实际工程中的水量平衡与稀释水源是一个不可忽略的设计约束。
• pH 4 作为在线控制点。自发酵终点由 pH 稳定在约 4.0 判定，与 SCOD、乳酸进入平台同步发生，现场只需 pH 在线监测即可切换工段，控制成本低。
• 60 ℃ 是糖化的硬约束。55 ℃ 酶活不足、65 ℃ 酶变性，两侧产率都显著下降，酶活钟形曲线峰值 9 U/g；工程上需要精确的温控而不是宽泛的“中温”。糖化后仍有 89.8% 固相残渣，需配套厌氧消化产沼气或堆肥出路，否则整体物料平衡不闭环。
• 收获时机决定产品形态。追求高蛋白含量（约 697 mg/g，第 3 天）与追求高蛋白总量（492.72 mg/L，第 15 天）是两个不同的运行策略。做饲料蛋白原料倾向前者（含量决定配方价值与提纯成本），做污水处理兼资源回收倾向后者（总量与去除率同步最大化）。
• 碳氮去除的时序错位需要工艺补偿。第 5 天 COD 去除已达 50.3% 而氨氮仅 28.1%，末端 COD 87.94% 对应氨氮 61.99%。若排放标准以氨氮为控制项，单级批式难以同时达标产蛋白，需考虑多级串联、补碳或后置脱氮单元。
• 安全性数据是产业化的通行证雏形。重金属低于国标限值 85%–97%、IVPD 77.28% 与小麦粉—酵母面包（75%–80%）相当，这些是可以直接进入饲料登记材料的数据类型。但 22 个潜在致敏蛋白的存在意味着面向食品用途时必须补做免疫学验证，并考虑原文建议的高温处理、水解或纯化等减敏工艺。
• 经济性尚待量化。原文明确指出：把发酵液用作微生物肥料、把糖化残渣用作还原糖来源可以降低处理成本、增加附加值，从而提升整体经济可行性，但详细的技术经济评估（techno-economic assessment）留作未来工作。因此目前不能据此判断该路线的投资回报。

把本文放到专题坐标里看：与合成废水 + 纯菌的参数优化类研究相比，它用的是真实厨余与混合菌剂，工程可信度更高；与酿造废水、养殖废水等单一液态废水路线相比，它多处理了固相这一维度；而与其它只报产量的研究相比，它提供了目前该领域相对完整的一组食用/饲用安全性实测数据。其代价是缺少中试规模验证与经济核算，且发酵—糖化—产蛋白三段合计的时间尺度（13 天发酵 + 36 h 糖化 + 15 天培养）在工程上仍偏长。

适用场景

• 城市厨余/餐厨垃圾资源化项目，希望在现有厌氧消化之外增加高附加值产品线（微生物蛋白 + 还原糖）的场景。
• 已有 PSB 或紫色细菌产蛋白装置、正在寻找廉价碳源的项目：富乳酸的厨余自发酵液比水热处理液更易被 PSB 利用（本文 1164.65 mg/L 对照文献的 622 mg/L）。
• 需要为微生物蛋白产品准备饲用/食用安全性材料的团队：本文提供了致敏原筛查、IVPD、重金属三类指标的完整方法学（含 IVPD 计算公式与 ICP-OES 元素清单），可直接作为检测项目清单模板。
• 光照参数选型参考：4000 Lux 在本体系中同时对应最高的体外消化率（77.28%），提示光强不仅影响产量、还影响蛋白的营养品质。
• 混培养体系的选择性控制研究：本文给出了“弱酸富乳酸液相 + 厌氧光照”条件下 Rhodopseudomonas 15 天内自发富集到 62.89% 的实证案例。

不适用 / 需谨慎的场景

• 需要即刻做投资决策的项目——原文未提供技术经济评估，且明确把它列为未来工作。
• 面向人类食品的直接应用需谨慎：22 个潜在致敏蛋白仅经序列比对识别，未做免疫学验证；食品用途前应先完成原文建议的高温处理/水解/纯化减敏工艺与相应验证。
• 低有机浓度废水不适用本文参数：本体系的核心矛盾是原液 COD 过高（56443.33 mg/L）需稀释到 5%，与低浓度市政污水的工况正好相反。
• 以氨氮为主要排放控制指标的处理需求：本文氨氮去除率最高仅 61.99%（摘要口径 66.6%），且明显滞后于 COD，单级批式难以达标。
• 不能把本文的菌群演替结论外推到其它基质：原文自述群落结构的转变很可能源于对厨余特定基质组成的适应，这在混培养体系中是常见现象。
• 纯菌高附加值发酵（如色素、PHA 定向生产）不宜照搬：本体系是开放混培养，产物纯度与批次一致性无法保证。

局限与不确定性

• 全流程为实验室批式小体积体系（4.5 L 发酵瓶、400 mL 糖化瓶、0.8 L 光生物反应器），无中试或连续流验证；三段串联的总周期偏长（13 天自发酵 + 36 h 糖化 + 15 天 PSB 培养），实际工程的停留时间与占地成本未评估。
• 原文摘要与结论报告的生物量 1356.5 mg/L、蛋白 415.1 mg/g（41.5%）与正文 3.2.2 节的 1164.65 mg/L、423.24 mg/g 口径不一致；同样地，摘要给出的 COD 去除 89.7% / 氨氮 66.6% / Rhodopseudomonas 59.04% 与正文的 87.94% / 61.99% / 62.89% 亦有差异。引用具体数字时必须注明来源段落。
• 接种物为购买的商品化混合菌剂而非原位驯化菌群，且门/属水平的群落组成分析仅基于初始与终点 2 个样本；代谢通路与关键酶结论来自 16S 的 KEGG 功能预测，不是实测酶活或蛋白表达量。
• 致敏性结论来自 401 个蛋白与 IEDB 数据库的序列同源比对，属生物信息学预测，未做免疫学（IgE 结合、皮肤试验）或动物实验验证；原文自己也指出柠檬酸合酶、苹果酸脱氢酶、细胞色素 c 只是含保守序列而无直接致敏证据。
• 安全性评估未覆盖病原微生物与卫生学指标——这一点在本体系中尤需注意，因为群落中残留有 Enterobacter（7.56%）、Klebsiella、Citrobacter 等肠杆菌科成员；同时未测核酸/嘌呤含量、内毒素、生物胺、抗生素抗性基因与霉菌毒素，也未做动物饲喂毒理试验。
• 未做技术经济评估。原文仅定性说明发酵液作肥料、糖化残渣作还原糖来源可降本增效，并把量化的技经分析列为未来工作；糖化后残留 89.8% 的固相仍需额外处置单元，其成本未计入。

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来源与链接

图片来源：原文版权声明为 0960-8524/© 2025 Elsevier Ltd. All rights are reserved, including those for text and data mining, AI training, and similar technologies，属订阅期刊。Fig. 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.2025.132982。