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含硫化氢沼气驱动产甲烷菌—硫氧化菌混培产硫氨基酸微生物蛋白 | 沼气单细胞蛋白 | 彭博士工具屋

以含 1500–4000 ppm 等效 H₂S 的沼气与合成/真实沼气为底物，用甲烷氧化菌与硫氧化菌混培在鼓泡塔中连续运行 187 天。生物量 559.9–677.8 mgVSS/L、产量 0.042–0.050 mgVSS/mgCH₄-COD、蛋白 51.9%–59.2%；4000 ppm H₂S 下蛋氨酸与半胱氨酸分别达 61.3 与 58.3 mg/g 生物量，为无硫时的 2.09 与 2.89 倍。

微生物蛋白含硫沼气甲烷氧化菌硫氧化菌硫氨基酸混培发酵
💡 核心结论：含 H₂S 的沼气可被甲烷氧化菌与硫氧化菌混培直接转化为蛋白含量 51.9%–59.2% 的微生物蛋白，4000 ppm 等效 H₂S 使蛋氨酸与半胱氨酸分别达 61.3 与 58.3 mg/g 生物量（约为无硫时的 2.1 与 2.9 倍），且高硫并未显著削弱蛋白与总氨基酸含量。
📑 目录
文献信息要点速览背景与问题概念边界体系与方法结果逐条解读机制小结工程含义适用场景局限声明来源

文献信息

英文题名
H2S-laden biogas triggers sulfur amino acids production in microbial protein synthesized during mixed culture fermentation by methane and sulfur oxidizing bacteria
作者
Marica Areniello, Silvio Matassa, Giovanni Esposito, Piet N.L. Lens
期刊 / 年份
Chemical Engineering Journal 2024
DOI
10.1016/j.cej.2024.151648
卷期 / 页码
490: 151648
单位
爱尔兰高威大学微生物学系与 Ryan 研究所；那不勒斯费德里科二世大学土木、建筑与环境工程系
一句话概括：在两根鼓泡塔中以 MOB-SOB 混培连续转化硫化氢含量逐步升高的合成/真实沼气，187 天里系统考察沼气组成、CH₄:CO₂ 比与 H₂S 水平对生物量、产率、蛋白与氨基酸谱的影响，首次证明硫化氢可选择性地大幅提高硫氨基酸产量。

一图不看也要知道的几件事

  • 两座 1.05 L 鼓泡塔（R1、R2）并联做重复，连续运行 187 天；Period A（0–81 d）为启动优化，Period B（81–187 d）为变量测试。
  • 反应器 30 ± 1 ℃，HRT 2.5 d，进气流量 10 L/d，CH₄:O₂ 比固定为 2:3。
  • 合成生物甲烷（仅 CH₄）时生物量 677.8 ± 45.6 mgVSS/L、产率 0.050 ± 0.008 mgVSS/mgCH₄-COD、 volumetric productivity 271.1 ± 17.4 mgVSS/L·d。
  • 加入 CO₂ 模拟沼气后生物量降至 559.2 ± 13.3 mgVSS/L（−17.4%），产率降至 0.042 ± 0.004，产量降 17.1%。
  • CH₄:CO₂ 由 70:30 降到 50:50 使生物量由 560.0 降至 483.6 mgVSS/L、产量降幅明显，但生物量产率反而升高 15.1%。
  • H₂S 由 1500 增至 3000 与 4000 ppm 时生物量降至 394.2 与 324.1 mgVSS/L（较 1500 ppm 降约 40%），产率分别低 29.6% 与 42.1%。
  • 真实沼气（平均 51.1% CH₄、48.9% CO₂、2008 ppm H₂S、205 ppm NH₃）使生物量较上期提升 37.6%；去除 MgSO₄ 后生物量骤降至 397.7 mgVSS/L；完全无硫时降至 266.4 mgVSS/L（较上期 −22%）。
  • 蛋白含量全程稳定在 51.9%–59.2% g protein/g VSS；总氨基酸均值 49.5% gAA/gVSS，随硫浓度由 473.9 微升至 508.9 mgAA/gVSS。
  • 硫氨基酸随硫剂量升高：蛋氨酸 21.1（0 ppm）→61.3 mg/g（4000 ppm eq.）；半胱氨酸 20.2→58.3 mg/g；牛磺酸在 1500 与 2000 ppm 时受促进。

研究背景与要解决的问题

蛋白质需求预计到 2050 年翻倍，传统饲料蛋白受资源与气候制约。微生物蛋白（MP）可由细菌、真菌、微藻或酵母合成，蛋白含量可达干重 80%，但第一代 MP 依赖专用底物或化石原料，仍属一次资源消耗。

用有机废物与残余物流生产 MP 更符合循环经济，但存在组分多变与病原污染风险；先把废物厌氧消化成沼气再由沼气产 MP，可规避污染问题。

沼气含 50–70% CH₄、30–50% CO₂ 及 H₂S、NH₃ 等微量气体；H₂S 会抑制甲烷氧化菌（MOB）——例如 500 ppm H₂S 即可造成 Methylocystis sp. 85% 生长抑制——因此传统工艺需昂贵的脱硫预处理。

把 MOB 与能氧化硫化物的硫氧化菌（SOB）组合，可帮助 MOB 耐受更高 H₂S，从而直接转化原生沼气、省去预处理；同时硫化物可能促进菌体中硫氨基酸的积累。已有批次筛选研究，但缺乏反应器尺度的连续验证。

概念与技术边界

MOB（甲烷氧化菌）
以甲烷为唯一碳源和能源的细菌；其关键酶甲烷单加氧酶（MMO）的颗粒型 pMMO 含铜位点，易被硫化物沉淀失活。
SOB（硫氧化菌）
能把硫化物氧化为硫酸盐的细菌，与 MOB 共生时可降低硫化物的抑制。
等效 H₂S
实验中用 Na₂S·9H₂O 向液相加入硫化物，其浓度换算成气相等价 H₂S 的 ppm 值。
CH₄-COD
以 COD 表示的甲烷量，换算系数 64 gCOD/mol CH₄，用于统一生物量产率的分母。
AMS 培养基
铵盐矿物盐培养基，配微量营养液与磷酸盐缓冲液，缓冲液浓度 0.004→0.020 M 用于稳定 pH 7.0。
生物量浓度换算
按 (tCOD − sCOD)/1.42 由 COD 差值推算挥发性悬浮固体 VSS。

体系与方法

环节做法与参数
菌种与培养基MOB-SOB 富集混培（依 Areniello 等富集）接种 10%（v/v）；AMS 培养基加 0.01% v/v 微量营养液与磷酸盐缓冲液，pH 7.0 ± 0.2，必要时以 1 M NaOH 调整；硫化物以 Na₂S·9H₂O 提供。
反应器两座 1.05 L 鼓泡塔（R1、R2，工作体积 1 L）并联运行，外置加热夹套维持 30 ± 1 ℃；气体经 0.5 µm 不锈钢分布器进入，顶空（50 mL）连续回流以增强溶解与混合。
运行模式前 69 天批次运行（每天采样并补新鲜培养基，HRT 递减）；69–187 天连续进液、HRT 2.5 d。
进气Period A 用 87.7% 空气 + 12.3% 甲烷（CH₄:O₂=2:3）；Period B 起改用纯氧；合成沼气以钢瓶 CH₄ 与 CO₂ 配制，CH₄:CO₂ 比 70:30 或 50:50；真实沼气取自爱尔兰 Glenmore AD 厂（农业残余+食品废物）。
氨基酸分析在 B3–B6、B9 期收集生物量，离心、70 ℃ 干燥 24 h、研磨混合；Teagasc 用过甲酸氧化+微波水解（6 M HCl、160 ℃、15 min），Jeol JLC-500/V 氨基酸分析仪测定。
群落分析在启动、Period A 结束与各 B 子期结束取样，16S rRNA V3–V4 区测序，Silva138 数据库注释。
质量平衡对 Period B 各阶段做碳、硫质量平衡，重点核算生物量含硫量。

主要结果（原文图表逐条解读）

Fig. 1 发酵过程性能：(a) Period A（运行条件优化）与 (b) Period B（不同运行条件测试）的生物量与铵氮浓度。
Fig. 1 发酵过程性能：(a) Period A（运行条件优化）与 (b) Period B（不同运行条件测试）的生物量与铵氮浓度。
图示信息：两个上下堆叠的时间序列，分别覆盖 0–80 d 与 81–186 d，纵轴为生物量（mgVSS/L）与铵氮（mg/L），并标注 A1–A8、B1–B9 各子期与逐级缩短的 HRT。
论文结果：启动期生物量低（平均 44.2 ± 5.0 mgVSS/L），加入气体回流后升至 547.7 ± 14.5，第 55 天达 2111.8 ± 24.3 mgVSS/L；随后 HRT 逐步降至 2.5 d，生物量回落。Period B 生物量整体随时间缓降，B1 起始约 700 mgVSS/L，B5 降至 324.1 ± 10.2 mgVSS/L，B6 部分回升，B9 结束时约 250–300 mgVSS/L。
研究意义：气体回流与氮源、缓冲能力优化是启动期稳定生物量的关键；高硫与无硫条件都造成生物量下降。
Fig. 2 沼气制微生物蛋白过程性能：(a) 生物量产率与体积产率，(b) 甲烷吸收效率，(c) 进出水硫酸盐与硫化物浓度。
Fig. 2 沼气制微生物蛋白过程性能：(a) 生物量产率与体积产率，(b) 甲烷吸收效率，(c) 进出水硫酸盐与硫化物浓度。
图示信息：三张时间序列（约 81–186 d），分别展示生物量产率（左轴 gVSS/gCH₄-COD）与体积产率（右轴）、甲烷吸收效率（%）、以及硫酸盐（左轴）与硫化物（右轴）浓度，并用虚线划分 B1–B9。
论文结果：(a) 体积产率由 275–300 mgVSS/L·d 逐步降至 110–125，生物量产率多在 0.02–0.06；(b) 甲烷吸收效率在 35%–70% 间波动，各子期均值 64%、56%、56%；(c) 硫酸盐维持在 450–520 mg/L，B7 去除 MgSO₄ 后骤降至约 300 mg/L，B8 后恢复；反应器内硫酸盐高于进水，差值随硫浓度由 12.2 增至 31.6 mgSO₄²⁻/L，出水中残余硫化物仅 3.7–29.8 mgS²⁻/L。
研究意义：生物量与产率随硫浓度升高而下降，但甲烷吸收受影响较小；硫酸盐增量与 SOB 将硫化物氧化为硫酸盐一致。
Fig. 3 过程性能：(a) Period B 生物量蛋白含量，(b) 不同 H₂S 浓度下生物量氨基酸组成（红色虚线框标出含硫氨基酸）。
Fig. 3 过程性能：(a) Period B 生物量蛋白含量，(b) 不同 H₂S 浓度下生物量氨基酸组成（红色虚线框标出含硫氨基酸）。
图示信息：(a) 81–186 d 蛋白含量时间序列（R1/R2）；(b) 18 种氨基酸在 0、1500、2000、3000、4000 ppm 五组处理下的分组柱状图。
论文结果：(a) 蛋白含量全程稳定在 51.9%–59.2%，无明确趋势；(b) 蛋氨酸由约 21 mg/g（0 ppm）升至约 61（4000 ppm），半胱氨酸由约 20 升至约 58；丙氨酸、甘氨酸、亮氨酸等含量高且随硫变化不大；精氨酸在无硫时最高（约 45 mg/g），加硫后降至 34–38 mg/g。
研究意义：硫化氢不改变总蛋白与总氨基酸水平，但选择性地显著提高含硫氨基酸丰度，提升蛋白营养与附加值。
Table 2 不同 H₂S 浓度下 MOB-SOB 混培的含硫氨基酸含量（mgAA/gVSS，括号内为相对 0 ppm 的差异）（表格，无独立图片）。
图示信息：表格列出蛋氨酸、半胱氨酸、牛磺酸、蛋氨酸砜在 0、1500、3000、4000 ppm eq. 与沼气中 2000 ppm 下的含量及变化。
论文结果：蛋氨酸 21.1→31.5（+49.3%）→52.7（+150.0%）→61.3（+190.7%）→37.9（+79.7%）；半胱氨酸 20.2→39.7（+96.5%）→51.9（+157.1%）→58.3（+188.8%）→44.6（+120.8%）；牛磺酸 15.8→22.2→18.5→16.2→23.6；蛋氨酸砜 9.5→6.4→15.7→21.0→11.9 mgAA/gVSS。
研究意义：蛋氨酸与半胱氨酸随 H₂S 增加近线性升高，4000 ppm 时达到最高值；牛磺酸在 1500 与 2000 ppm 时受明显促进。
Fig. 4 混培群落组成随实验进程的变化：(a) 科水平，(b) 属水平（含启动与 Period A 结束时的组成）。
Fig. 4 混培群落组成随实验进程的变化：(a) 科水平，(b) 属水平（含启动与 Period A 结束时的组成）。
图示信息：两组堆叠柱状图（各柱合计 100%），样本为启动、Period B 起始及 B1–B9 各子期结束；仅显示相对丰度 >1% 的类群。
论文结果：科水平由 Beijerinckiaceae 与 Weeksellaceae 主导；属水平以 Methylocystis spp.（起始 50.0%）与 Chryseobacterium spp.（起始 39.05%）为主导，Methylophilus spp. 起始仅 1.5%、Period A 升至 6.1%，但在 B4 后几乎消失；Pseudomonas spp. 丰度 1.3%–8.5%，B2 达峰；Acinetobacter spp. 与 Rhodococcus spp. 自 B4 起增多（B6 达 6.0%），Alkanindiges spp. 在 B5 达 4.7%；真实沼气期 B6 新增 Azospira spp.（5.6%）、Propionispora spp.（3.8%）等。
研究意义：不同运行条件未显著改变优势属，但影响次要属群的兴衰，反映混培体系对硫与底物变化的适应性调整。

机制小结

  • MOB 以甲烷单加氧酶（MMO）氧化 CH₄ 获得能量与碳；H₂S 通过限制 MMO 活性抑制细胞呼吸，其中 pMMO 的铜位点可被硫化铜沉淀失活。
  • SOB 将硫化物氧化为硫酸盐，从而缓解硫化物对 MOB 的抑制；反应器内硫酸盐高于进水、残余硫化物极低，印证了这一协同作用。
  • H₂S 参与半胱氨酸与蛋氨酸的硫同化合成，故硫供给增加时这两种硫氨基酸含量显著升高；这也使得生物量含硫量由常见约 1% 提高到 1.9%–4.6% gS/gVSS。
  • 同化型硫代谢与氮代谢耦合：额外铵源（真实沼气中的 NH₃ 使可溶铵氮 +35.7%）可提升生物量。

工程与产业含义

  • 可直接利用未经脱硫的原始沼气生产微生物蛋白，省去昂贵的 H₂S 预处理步骤，同时产出富含硫氨基酸的高价值蛋白。
  • 系统对 4000 ppm 等效 H₂S 仍可耐受，远高于文献中 MOB 单独培养的抑制阈值（如 500 ppm），说明 MOB-SOB 混培具较强的硫耐受边界。
  • 去除培养基中的硫酸盐/镁会迅速导致生物量崩塌（B7 降至 397.7 mgVSS/L），运行中需保证硫酸盐与镁的供应。
  • 无硫运行同样不利（生物量 −22%），说明硫化物对维持 SOB 及相关共生菌的生长是必要的。
  • 真实沼气的组成波动（CH₄:CO₂ 与 NH₃）会同时影响碳供给与氮供给，放大设计需考虑缓冲与在线调控。

适用与不适用场景

✅ 适用场景
  • 厌氧消化厂产出的含硫沼气直接产蛋白，尤其适合 H₂S 含量高（可达数百至数千 ppm）而脱硫成本高的场合。
  • 需要富含蛋氨酸、半胱氨酸等功能性氨基酸蛋白的生产场景（如水产与畜禽饲料添加剂）。
  • 以农业残余、食品废物为原料的沼气厂，可形成沼气—蛋白联产。
⚠️ 不适用 / 需谨慎
  • 生物量产率仍偏低（0.042–0.050 gVSS/gCH₄-COD），达到高蛋白产出需进一步优化产率。
  • 气态底物传质受限（CH₄ 与 O₂ 溶解度低）是瓶颈，需强化气液传质。
  • 严格灭菌或纯培养场景不适用——本体系依赖开放混培的协同关系。
  • 高硫条件下的生物量下降意味着不能靠无限制提高 H₂S 来换取更多硫氨基酸。

局限与不确定性

作者未解决 / 需要读者注意的问题
  • 运行时间 187 天，真实沼气仅用于 B6、B7 两个子期，长期稳定性数据有限。
  • 生物量下降与镁/硫酸盐缺失的各自贡献未拆分，B7 现象归因尚不确定。
  • 部分次要菌属（如 Pseudomonas、Acinetobacter）的功能角色未阐明，其对硫氧化的贡献仅为推测。
  • 蛋白与氨基酸含量稳定但产率未达经济可行性，作者明确表示仍需优化。
  • 硫平衡与氨基酸换算部分数据列于补充材料，主文未完全展开。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

基金支持：爱尔兰科学基金会（SFI）MaREI 中心（12/RC/2302_P2、16/SP/3829）、SFI 研究教授项目 IETSBIO3（15/RP/2763）及研究基础设施平台 Biofuel Analysis（16/RI/3401）。作者声明无已知竞争性经济利益或个人关系。数据按请求提供（Data will be made available on request），补充材料见 https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151648。

来源与链接

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