混培养紫色光合细菌整体替代鱼粉：亚洲鲈鱼（尖吻鲈）47 天投喂试验与 1 m³ 附着生物膜光生物反应器产蛋白

文献信息

一图不看也要知道的几件事

• 用 1 m³（工作体积 800 L）红外 LED 内照式附着生物膜光厌氧反应器（PAnB）培养混培养紫色光合细菌（purple phototrophic bacteria, PPB），峰值面产率 6.0 g m⁻² d⁻¹（折合 22 t ha⁻¹ yr⁻¹），能耗 22 kWh kg⁻¹，累计收获 2.2 kg 干菌粉用于制饲料。
• 合成废水与市政废水培养出的菌粉成分几乎一致（粗蛋白 58% 对 57.7%，总氨基酸 466.1 对 474.7 g kg⁻¹，总类胡萝卜素 6.8 对 6.5 g kg⁻¹），两种生物膜中 PPB 均占测序序列的 70%，说明产品品质对进水基质相对不敏感。
• 以 30% 鱼粉的商业配方为对照，按 0%／33%／66%／100% 替代鱼粉配成等氮（约 56.3% 粗蛋白）等能（约 17.2 MJ kg⁻¹）四种饲料，投喂 540 尾尖吻鲈幼鱼 47 天：存活率 94%–100%，组间无显著差异，摄食量不受影响，说明适口性与安全性没有问题。
• 生长与饲料效率随替代率单调下降但幅度有限：末重从 33.7 ± 5.2 降到 25.7 ± 3.5 g/尾，增重率从 712 ± 90% 降到 544 ± 75%，特定生长率从 4.2 ± 0.3 降到 3.6 ± 0.3% d⁻¹；饲料仅解释末重方差的 4.1%（鱼龄 80%、初始规格 12%）。
• 关键代价出现在后期饲料转化率：前 28 天替代率对日增重无显著影响（p = 0.3），第 29–47 天才显著恶化（p = 5.94 × 10⁻⁵）；末期 FCR 在 100% 替代组升到约 1.5，而 33%／66% 组全程维持在 1 左右，作者由此判定 33% 与 66% 替代具备商业可行性。

研究背景与要解决的问题

水产养殖是五十多年来增长最快的动物食品生产行业，自 1961 年起年均扩张约 8.0%，目前全球 47% 的食用鱼来自养殖。但饲料仍严重依赖来自捕捞渔业的鱼粉与鱼油，而这是配额极严的有限资源。2013 年鱼粉生产消耗了捕捞渔业所产饵料鱼的 73%，且近期数据表明其中大部分鱼本身达到食用级别。联合国粮农组织（FAO）已把「寻找更环保、更低成本、并可能带来额外营养健康效益的替代蛋白源」列为科研界任务。

微生物菌体蛋白（single cell protein, SCP）具有几项结构性优势：把有机物、氮、磷转化为蛋白的效率显著高于植物路线；不含纤维素、甲壳素、植酸这类抗营养因子；蛋白含量与氨基酸谱接近鱼粉。细菌菌体蛋白含量通常在 50%–65%，这对鲑、鳟、尖吻鲈这类最终日粮蛋白需求可能超过 50% 的品种尤为关键。问题在于绝大多数微生物 SCP 依赖好氧异养菌，分解代谢过程耗散掉相当一部分能量，把生物产率与转化率压到 50% 以下。

紫色光合细菌（purple phototrophic bacteria, PPB）——包含红假单胞菌属（Rhodopseudomonas sp.）与红细菌属（Rhodobacter sp.）——是一类系统发育上高度多样的不产氧光合厌氧微生物，靠光营养生长绕开了上述能量耗散，产率接近 1。它们用红外辐射（IR）作为分解代谢驱动力，实现对有机物、氮、磷的直接、非破坏性同化吸收。由于无法吸收 750 nm 以上波长的其它细菌和藻类基本不与之竞争，IR 选择性富集使 PPB 能在非灭菌混培养体系中占优势，从而给出稳定的产品质量。PPB 粗蛋白含量 >60%，还含类胡萝卜素、聚羟基烷酸酯（PHA）等潜在增值组分，细胞壁易消化。

此前关于 PPB 作鱼饲料的研究全部是极低添加量的益生类研究：在尼罗罗非鱼、云斑尖塘鳢、尖吻鲈、马来倒刺鲃上添加率低至 0.3%，甚至在鲫鱼上只有 0.1%（占总摄食量的万分之一），且用的都是人工培养基上的纯培养（Rhodovulum、Marichromatium、Rhodopseudomonas 等）。这些工作证明了 PPB 作补充剂能改善早期生活史阶段的存活与生长，但完全没有回答「能否作为鱼粉的整体（bulk）替代物」。

体系与方法

四种试验饲料按等氮等能原则配制（约 56.3% 粗蛋白、约 17.2 MJ kg⁻¹），用商业尖吻鲈饲料的常规原料，把 30% 的鱼粉分别替代 0%、33%、66%、100%，并同步调整其它组分以维持粗蛋白、磷与脂肪水平及氨基酸平衡。原料先粉碎至 <0.7 mm，在 20 L Hobart 行星搅拌机中混合 10 min，边搅拌边缓慢加入油脂（鱼油 25%／禽油 75%），加水调至最佳面团稠度，经 2 mm 锥形模板绞出条状，105 ℃、100% 湿度蒸 2 min，65 ℃ 过夜干燥，破碎筛分为 1.5–2 mm 颗粒。

统计上，由于主解释变量（PPB 掺入率）是连续变量而非分类变量，作者采用混合模式（分类—连续）线性建模，用 MATLAB 的 ANOVAN 做 n 因素方差分析，把缸号作为分类因子，鱼龄（时间）、初始规格（中／大）与 PPB 比例作为主要连续因子，并检验残差正态性与异方差性；线性无交互模型与交互模型都测试过，结果相当时取更简约的无交互模型，两组间比较另用 t 检验。所有临界范围以 p < 0.05（95% 置信区间，3 个平行缸）为界。

主要结果（含原文图解读）

接种后 7 d 形成 PPB 生物膜，此后每 3 d 收获一次，并保留 10%（v/v）反应器液作为下一批接种物。生物膜目视厚度可达 3.0 mm，完整覆盖受照表面且易于从管壁剥离；每次收获约 1000 g 湿菌体，干固体含量 80–120 g L⁻¹。峰值可持续面产率（附着态）为 6.0 g m⁻²(受照) d⁻¹，折合 22 t ha⁻¹ yr⁻¹，对应能耗 22 kWh kg⁻¹。

Fig. 1 Cross section of the PAB assembly with light tubes (A) and a picture of the reactor with PPB biofilm attached to the submerged tubes (B), fully covered tube (C), and tube with coverage only around the actual LED due to limited IR output (D).

图示信息横向排列的四联图，无坐标轴与数值。(A) 为工程线框轴测图：矩形支架上下各一块开有规则圆孔阵列的法兰板，之间垂直插入密集排列的细长灯管束，左上角为顶空气体／介质接口箱，底部锥形段带流向箭头，展示了「100 根浸没式光管由内向外照射」的内部构造。(B) 为运行中的反应器实拍：正面可见成排竖直透明管，管内附着物呈均匀的红棕／铁锈橙色，形成深浅相间的条纹；顶部为螺栓密封的金属盖板，引出成束白色软管与橙红色气管、传感器导线。(C) 为单管特写，从上到下被均匀致密的深红橙色生物膜完全包裹，看不到裸管区。(D) 为对照单管：管体大部分呈灰白半透明，只有若干离散的暗红色斑块与竖向条痕零星附着。

论文结果(B)(C) 证实生物膜在受照表面完整覆盖、厚度可达 3.0 mm 且易手工刮取，支撑了 6.0 g m⁻² d⁻¹ 的峰值面产率与每次约 1000 g 湿菌体（干固体 80–120 g L⁻¹）的收获量。(D) 是关键的阴性对照：由于个别 LED 失效导致该管红外输出不足，菌体只在仍在工作的 LED 周围生长，未受照区域完全没有生长。作者据此判定附着生长受光照直接控制。同时反应器的 COD 与氨氮去除量在合成培养基与市政废水间相当（每批各约 300 mgSCOD L⁻¹ 与 14 mgNH₄-N L⁻¹），但 TCOD、NH₄-N、PO₄-P 的去除速率仅为最高 120、8.0、1.0 mg L⁻¹ d⁻¹，偏低，作者归因于扩散限制。

研究意义这张图给出了附着式 PPB 生产的两条工程判据。第一，红外光照是唯一的生长开关：灯坏则该段完全不长，说明产率与「有效受照面积」严格线性挂钩，而不是与反应器体积挂钩，因此工艺放大的核心变量是受照面积／体积比（本文仅 14 m² m⁻³）。第二，附着生长带来的是收获简化——手工刮取即可得到 80–120 g L⁻¹ 的高固含浆料，避开了悬浮培养必须的离心或膜浓缩环节，这是 PPB 做饲料原料时最实际的成本优势。代价是扩散限制压低了去除速率，因此这套构型对「以处理为目的」的场景并不理想。

产品一致性是本文另一条主线结论。合成废水与市政废水两种生物膜中，PPB 都占测序序列的 70%（Bradyrhizobiaceae、Rhodobacteraceae），其中红假单胞菌属与红细菌属在人工培养基中分别高达 32% 与 15%，在市政废水中为 44% 与 39%。成分上，蛋白、氨基酸、总类胡萝卜素与细菌叶绿素几乎相同，仅脂肪与碳水化合物略有波动。

饲料加工层面，掺入量最高的饲料 3 与饲料 4 气味明显、颜色深得多；2 mm 筛下部分占全部粒径的 >93%；所有饲料颗粒在水中浸泡 10 min 后仍保持结构稳定；投喂饲料 3、4 的缸水在投喂后 10–15 min 内略比饲料 1、2 浑浊。值得注意的是，色素在蒸制与过夜干燥后依然稳定，饲料中检出的色素水平与配方中 PPB 掺入量相符。

Fig. 2 Performance parameters of Lates calcarifer juveniles fed different diets formulated with varying inclusions of fishmeal (FM) and purple phototrophic bacteria (PPB) (diet 1: 30%FM-0%PPB, diet 2: 20%FM-10%PPB, diet 3: 10%FM-20%PPB, diet 4: 0%FM-30%PPB). A. Fish daily growth rate (g fish⁻¹ day⁻¹) determined for the three periods investigated: day 1–18, 19 to 28, and 29 to 47. B. Food conversion ratio (FCR) determined for those same periods. The dot line indicates a FCR of 1. All data are given as the means with 95% CI from three replicate tanks.

图示信息上下两联分组柱状图，共用横轴的三个时间段分组（day 1–18、day 19–28、day 29–47），每组四根柱按饲料 1（蓝）、2（红）、3（绿）、4（紫）顺序排列，柱顶带 95% 置信区间误差棒，每组上方有跨越饲料 1 至饲料 4 的方括号并标注 p 值。(A) 纵轴为日增重（g fish⁻¹ day⁻¹），刻度 0.2–1.2（每 0.2 一格，轴起点被截断于 0.2）；三段的 p 值依次为 0.3、0.008、5.94E-05。(B) 纵轴为 FCR（无量纲），刻度 0–2.0，图中有一条贯穿全宽的虚线标于 FCR = 1.0；三段 p 值依次为 0.01、0.0002、2.92E-05。读图重点是：(A) 中同组内柱高从饲料 1 到饲料 4 单调下降、且组间差距随时间拉大；(B) 中恰好相反，柱高单调上升，末期只有饲料 1 仍在虚线之下。

论文结果(A) 日增重受时间正向影响（鱼越大长得越快，p = 4 × 10⁻⁵）、受初始规格正向影响（p = 0.0029）、受 PPB 掺入率负向影响（p = 0.0001），线性模型 R² = 0.62。分时段看：前 28 天 PPB 对日增重无显著影响（p = 0.3）；第 19–28 天开始出现负相关（p = 0.008）；第 29–47 天负相关极显著（p = 5.94 × 10⁻⁵）。试验末期饲料 1 组日增重略有上升，饲料 2、3 组持平，饲料 4 组下降。(B) FCR 随时间（p = 6 × 10⁻⁹）与饲料（p = 6 × 10⁻⁷）显著变化，而缸位与初始规格无影响；最优模型为「饲料 + 时间×饲料」双因素模型（R² = 0.89），优于「时间 + 饲料」线性模型（R² = 0.75），与三参数全交互模型（R² = 0.90）无实质差别。其中 PPB 比例的一次项对 FCR 略呈负向（即有利，p = 4 × 10⁻⁷，方差占比 0.12），但被时间×饲料交互项主导（p = 7 × 10⁻¹⁵，方差占比 0.6），后者是不利影响。结果是：早期饲料对 FCR 无关紧要，后期饲料影响强烈且使 FCR 抬高——末期 100% 替代组 FCR 升至约 1.5，部分替代组约 1.0，对照约 0.8。摄食量本身不受缸位与饲料影响（限量配对投喂设计所致），仅受初始规格（p = 6 × 10⁻⁶）与时间（p = 4 × 10⁻¹⁵）影响。

研究意义这张图是全文最关键的一张，它把「PPB 能否替代鱼粉」这个是非题改写成了替代率与投喂时长的二维问题。前 28 天四组几乎无差别（p = 0.3），意味着在幼鱼阶段或短周期投喂窗口内，即使 66% 甚至 100% 替代也看不出代价；差异只在第 28 天以后随鱼体增大而逐步显现，且 FCR 的恶化比日增重更敏感（末期 FCR 从 0.8 抬到 1.5，相当于饲料成本增加近一倍）。统计上「PPB 一次项有利、时间×饲料交互不利」这一分解尤为重要：它排除了「PPB 天生更差」的简单解释，指向随鱼龄增长而放大的消化／代谢限制（作者推测为细胞壁未预裂解、核酸负荷、复杂碳水化合物刺激肠道），也就是可以通过预处理与配方再优化来缓解的那一类问题。工程上给出的直接结论是：33% 与 66% 替代在商业上可行，100% 替代需付出 FCR 代价。

整个 47 天试验中，各组鱼体重均增长五倍以上：对照饲料 1 组 7.1 ± 0.9 倍，饲料 2（33% 替代）6.1 ± 0.6 倍，饲料 3（66% 替代）5.8 ± 0.3 倍，饲料 4（100% 替代）5.4 ± 0.8 倍。以鱼龄、初始规格、饲料为解释因子的简单线性模型（R² = 0.96）与更复杂的交互模型（R² = 0.98）效果相当，故取简单模型：体重主要由鱼龄驱动（p = 5 × 10⁻²³，占方差 80%），其次是初始规格（p = 8 × 10⁻¹²，占 12%），最后才是饲料（p = 1 × 10⁻⁶，占 4.1%）。试验结束时增重与体长增长均与 PPB 水平负相关（p = 0.0037 与 0.0003）。存活率 94%–100%，饲料及其它因子均无显著影响；初期一缸死亡 3 尾，此后全程另有 1 尾死亡，所有死鱼体重都明显低于群体均值且有被攻击迹象。此外，对日摄食量与末期体重、PPB 比例做回归后发现，除与体重强相关（p = 1 × 10⁻¹⁸）外，摄食量与 PPB 掺入率还呈显著正相关（p = 0.005，R² = 0.9）。

全鱼体成分（每处理 3 个样，每样 5 尾）方面：PPB 水平与鱼体蛋白含量负相关（p = 0.0220，饲料 4 组最低），与灰分正相关（p < 0.0032，饲料 4 组最高）；饲料 3（66% 替代）组鱼体脂肪在所有组中最高但回归未达显著；水分与碳水化合物不受影响（p > 0.05）。元素分析显示，从对照到完全替代，钾、磷、镁、钙分别升高 7%、21%、12%、27%，硫与钠则下降 12% 与 22%；鱼体钙（p = 1.20 × 10⁻⁴）、镁（p = 7.06 × 10⁻³）、磷（p = 1.61 × 10⁻⁴）随 PPB 提高显著上升，而钠（p = 6.88 × 10⁻⁴）与硫（p = 5.25 × 10⁻⁵）显著下降——尽管饲料中钠随替代率最多升高 43%、硫最多升高 33%。饲料铁含量在 66% 与 100% PPB 组升高 37%，但鱼体铁保持恒定；铜、铁、铅、锌在所有鱼体中均无变化。

机制解释与可能的改进抓手

由于四种饲料在粗蛋白、总能、17 种氨基酸与金属谱上都已配平（氨基酸与 PPB 比例无显著相关，p > 0.05），后期性能下滑不能归因于宏量营养素失衡。作者提出并讨论了三条候选机制。

• 细胞完整性／消化率限制。北极红点鲑用 40% 鱼粉被完整贝克酵母（S. cerevisiae）或丝状真菌（Rhizopus oryzae）菌体替代时出现同样的生长与饲料转化恶化；而把酵母细胞预裂解后这种负面效应即被消除，蛋白与氨基酸的表观消化率随之改善。据此推断对 PPB 菌体做预裂解（水解）可能提升高替代率下的表现，代价是增加加工成本。
• 核酸负荷。PPB 菌体中的核酸含量偏高会抬高尖吻鲈代谢它们的能量成本：核酸须先经补救途径（salvage pathway）处理才能用于新遗传物质合成，过量核苷酸还必须排出，均产生代谢开销。核苷酸虽是鱼虾的半必需营养素，但需求随年龄下降，因此必须按物种和阶段优化剂量——这与「差异只在 28 天后随鱼体增大而出现」的时间模式相符。
• 复杂碳水化合物。菌体中的复杂多糖可能刺激肠道、降低消化率，作者将其列入后续消化率试验的检验对象。

对照文献看，本文结果并不异常：尖吻鲈用大豆与禽肉粉替代鱼粉时，在 66% 与 100% 替代档同样出现显著的增重下降与饲料转化上升。相比之下微藻的表现更差——硅藻 Phaeodactylum tricornutum 在总掺入量仅 12%（相当于 14.2% 鱼粉替代）时即报告出现对生长、摄食与饲料转化的不利影响，脱脂 Nannochloropsis 的临界总掺入量为 20%。PPB 能做到 66% 替代仍维持 FCR 约 1，在替代蛋白源中属于上游水平。

工程与产业含义

把 PPB 菌体用于鱼粉替代，实质是给废水处理端增加一条产品收入线。原文给出的价格锚点是：过去五年鱼粉价格从 2013 年 1 月的 1,919 US$/t 到 2017 年 4 月的 1,296.00 US$/t，2018 年 3 月记录为 1,604 US$/t，按 65% 粗蛋白折算约 2.5–3 US$/kg 粗蛋白；且受过度捕捞、配额限制以及厄尔尼诺等气候事件导致的渔场关闭影响，未来价格预期上行。对废水处理行业——尤其是食品加工、屠宰场这类农工业排放源——PPB 生产意味着在降低排放费用的同时把有机物、氮、磷转成蛋白，产率约 0.8 gCOD⁻¹。

作者对自己的反应器构型给出了坦率的评价：去除速率低、能耗高（主要花在照明上），但「红外照明浸没管上培养附着生物膜以获得稳定生物量品质」这一概念在技术上是可行的。管式绝非最终设计——改用更小管径或平板式反应器可以轻易把受照面积／体积比提上去（平板可达 67 m² m⁻³），进而改善混合与去除速率，并可能通过加快生长、提高收获频次（而非提高单位面积密度）来提升附着态面产率。最合乎逻辑的下一步是户外培养：直接利用自然光可大幅提高光照强度并把照明成本降到零，代价是因昼夜循环损失每天 12 小时的受照运行时间。

在饲料端，作者列出的后续研究优先级同样明确：一是用相对廉价简单的原料预处理（如水解）来化解高掺入量下的 FCR 与生长惩罚；二是量化维生素、类胡萝卜素、细菌叶绿素与 PHB 等活性成分的收益，以重新确定商业配方的最优点；三是从本文的手工小批量制粒升级到商业挤压机制备更大批量饲料的更大规模试验；四是把目标动物从肉食性快长鱼种扩展到能利用类胡萝卜素的高价甲壳类（如斑节对虾 P. monodon）、以碎屑食性为主的虾类，以及杂食性的罗非鱼——后两类很可能更适应微生物菌体；五是评估在早期生活史阶段把 PPB 作为全饲料（直接投入养殖水体或经轮虫、卤虫传递）对存活与生长的作用。最根本的一条则是降低 PPB 生产成本，途径仍是户外培养与提高受照面积比。

适用场景

• 农工业废水（食品加工、屠宰场、猪场冲洗水、禽类与红肉加工废水）现场配套的 PPB 生产，把排污费用转为饲料原料收入，同时同化去除有机物、氮、磷。
• 水产饲料配方中以 33%–66% 比例替代鱼粉（对应总掺入量 10%–20%），用于肉食性高蛋白需求鱼种；本文数据显示此区间 FCR 可维持在 1 左右。
• 幼鱼阶段或短周期（约 4 周内）的投喂窗口，此时即使高替代率也未见显著日增重差异（p = 0.3）。
• 需要稳定原料品质、希望降低对季节性鱼粉价格波动依赖的饲料生产商——PPB 成分在不同基质间高度一致。
• 以类胡萝卜素着色为附加目标的场景（如可利用类胡萝卜素的高价甲壳类），因色素在蒸制与干燥过程中稳定。

不适用 / 需谨慎的场景

• 追求 100% 鱼粉替代的商业配方：末期 FCR 升至约 1.5（对照约 0.8），饲料成本代价明显。
• 以高速率脱除废水中 COD／氮／磷为首要目标的处理工艺：本文构型受扩散限制，去除速率偏低。
• 电价高且只能依赖人工照明的场景：22 kWh kg⁻¹ 的照明能耗会主导生产成本，需转向户外自然光或大幅提高受照面积／体积比。
• 尚未做投喂安全验证的真实废水（尤其含重金属或病原风险的市政／工业废水）菌体直接入料——本文仅用合成废水菌体喂鱼。
• 长周期育成或大规格鱼阶段的高替代率投喂：负面效应随鱼龄与试验时长放大，本文仅覆盖 47 天。

局限与不确定性

• 喂鱼用的菌粉全部来自合成废水（改良 Ormerod 培养基，乙酸 + NH₄Cl），仅作为非灭菌真实废水的代理；市政废水菌体只做了成分与菌群比对，未进入饲料。真实废水菌体的安全性（重金属、病原、卫生控制）在本文未做投喂验证。
• 试验为 47 天、单一鱼种（尖吻鲈幼鱼，初重约 4.8–5.0 g）、每处理 3 缸的概念验证，规模与周期都远小于商业养殖周期；由于差异恰恰在第 28 天后才显现，更长周期下的性能衰减幅度无法从本数据外推。
• 配方未针对 PPB 与鱼粉的差异重新优化，只做了等氮等能等氨基酸的被动配平；为补偿 PPB 蛋白与脂肪偏低，高替代组不得不加大血粉、油脂与磷酸一钠用量，这本身会改变饲料属性，与「纯 PPB 效应」难以完全解耦。
• 消化率试验、菌体核酸含量测定、细胞预裂解效果均未在本文完成，因此三条候选机制（细胞壁完整性、核酸负荷、复杂碳水化合物）都停留在推断层面。
• 反应器 TCOD／NH₄-N／PO₄-P 去除速率最高仅 120、8.0、1.0 mg L⁻¹ d⁻¹，受扩散限制，对高速率处理不利；单位能耗 22 kWh kg⁻¹ 全部来自人工红外照明，本文未给出完整的 PPB 生产成本核算与与鱼粉价格的经济性对比模型。
• 鱼体成分与元素分析每处理仅 3 个混合样（每样 5 尾），样本量小；饲料中钠、硫升高而鱼体内下降这一反向现象原文未给出机制解释。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

图片来源：本文为 Elsevier 旗下 Water Research X 的开放获取论文，原文明确标注许可为 CC BY-NC-ND 4.0（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。因此原文 Figure 1 与 Figure 2 可在署名前提下自由复制与传播，但不得用于商业用途、不得基于其制作演绎作品。来源见 DOI: 10.1016/j.wroa.2019.100031。