户外平板光生物反应器里的紫色光合细菌：贴壁生物膜与悬浮培养的产品品质分野

文献信息

一图不看也要知道的几件事

• 在 953 L 户外平板光生物反应器（FPPBR）中用真实预发酵家禽加工废水连续运行 78 天，前 36 天每 30 min 机械重悬生物膜维持悬浮生长（Period I），后 39 天不刮壁、任其形成贴壁生物膜并每 3–4 天刮收一次（Period II）。
• 贴壁生长的处理性能与产率基本没有损失：估算生物量产率 16 ± 2.2 对 18 ± 2.4 gCOD·m⁻²·d⁻¹（统计上无差异），SCOD 去除率甚至更高（74 ± 5.9% 对 65 ± 7.0%），TCOD 去除率由 −2.7% 转为 29 ± 9.7%。
• 唯一明确的代价是 VFA 去除率从 95 ± 2.7% 降到 84 ± 6.4%（p = 0.002），原因被归为底物向生物膜内的扩散速率限制与生物膜遮光导致主体液相光照不足，两者可能同时起作用。
• 产品品质的差距极大：生物膜灰分 6.9(0.6)% 对悬浮 43(19)%、VS/TS 93(1.0)% 对 57(16)%、固含量 90.5(1.3) 对 1.80(0.60) g/kg、PPB 相对丰度 0.48–0.68 对 0.30–0.45。生物膜粗蛋白 57.5(3.95)%（干重）。
• 工程结论是双产品分流：生物膜占总生物量的 20%–50%、灰分低于鱼粉替代的 20% 上限，可直接作饲料（1.5–1.6 USD/kg）；悬浮部分只能作肥料（0.42–0.47 USD/kg），两者合并可改善整体经济性。

研究背景与要解决的问题

用紫色光合细菌（purple phototrophic bacteria, PPB）从废水中回收资源正在快速推进：近年该技术已从实验室概念验证装置走向运行真实废水的中试/示范规模反应器。以光异养方式生长的 PPB 具有很高的 COD 产率（最高可达 1 g COD_biomass/g COD_removed），在同步去除 COD 与营养物的同时生成高附加值产品，其中最重要的是单细胞蛋白（single-cell protein, SCP）。

PPB 需要近红外（near-infrared, NIR）光才能高效光异养生长，而人工照明的经济约束迫使这类系统必须走户外培养路线。已有研究考察了处理真实工业废水的户外 PPB 平板光生物反应器（flat plate photobioreactor, FPPBR）的性能，确认了技术可行性：连续反应器中 VFA 去除率超过 90%，在 HRT 2.1–2.4 d 下生物量产率达 25–84 g VS·m⁻²·d⁻¹（由 COD 去除速率估算则为 6.0–24 g VS·m⁻²·d⁻¹），所产生物量粗蛋白含量 58%、氨基酸谱适合饲料应用。

但悬浮培养体系有一个普遍被忽视的问题：不需要的组分会在生物量中累积。这些组分包括颗粒态惰性物、重金属、外源污染物或悬浮态病原体。它们随生物量一起被收获，降低产品品质。这一点至关重要，因为任何 PPB 介导的废水处理工艺，其经济可行性的基础都在于产出有价值的产品。

克服生物量污染的一个办法是让 PPB 以生物膜形式生长——做成颗粒，或附着在浸没表面上。由于污染物倾向于留在悬浮相，这是提升生物量品质的简单方案。原文列举了三条前期证据：人工照明下 PPB 颗粒的沉降速率高于 30 m/h（与既有颗粒技术相当）、去除速率可达 1.1 kg COD·m⁻³·d⁻¹；在人工照明的有机玻璃管上培养 PPB 生物膜可回收超过 60% 的生物量为生物膜、产率达 15–20 g VS·m⁻²·d⁻¹、收获浓度 160 g TS/L（悬浮生物量仅 2–3 g TS/L）、灰分低至 4.0%（进水为 30%）；户外批式 FPPBR 中也已实现从工业废水在反应器壁上培养 PPB，收获浓度稳定在 90 g TS/L、粗蛋白 50%–65%、灰分低于 10%、产率最高 14 g TS·m⁻²·d⁻¹，而处理同一废水的悬浮系统生物量稀得多（1.2–2.5 g TS/L）、灰分高得多（约 30%）。

体系与方法

处理链条是完整的三级：格栅沉砂池的原水泵入均衡池，以保证向预发酵反应器的稳定连续流；预发酵反应器 HRT 1.0 d，产出的预发酵废水（FWW）进入 FPPBR。FPPBR 总长 9.8 m、工作体积 953 L、受光面积体积比 21 m²·m⁻³、内部厚度 8 cm；反应器壁与底部覆 UV–VIS 吸收膜，顶部覆泡沫板；混合与刮膜（需要时）由一套水力机械装置提供。反应器仅在白天 6:30–18:30 进料，HRT 为 2.1 d（若仅计有光时段则为 1.0 d）。

78 天运行分为两期。Period I（36 d）为悬浮生长模式，每 30 min 机械重悬一次生物膜。Period II（39 d）混合方式与 Period I 相同，但不再刮除反应器壁上的 PPB 生物膜，而是每 3–4 天通过刮壁收获一次生物膜——这一间隔被认为足以让生物膜充分发育。由于 FWW 本身有波动，有机、氮、磷负荷率（OLR、NLR、PLR）随之变化。

采样与分析：原水、FWW、FPPBR 出水与贴壁生物膜每周取样两次，取样时间为正午（zenith time）；生物膜样品用塑料刮板收集。分析项目包括 TCOD、SCOD、VFA、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N、NH₄⁺-N、PO₄³⁻-P、总凯氏氮（TKN，可溶态与总量）、总磷（TP，可溶态与总量）、TS 与 VS。每期结束时（第 36–37 天与第 71–72 天）各做一次 24 h 昼夜周期研究，以评估自然昼夜循环下的动态。粗蛋白按 Eding et al. (2006) 的方法估算。微生物群落由澳大利亚生态基因组学中心完成 DNA 提取与 16S 扩增子测序（Illumina MiSeq 平台），样品保存于 −80 ℃。

光衰减测定是本文方法上的一个亮点。Period II 期间测定光通量密度（photon flux density, PFD，单位 µmol·m⁻²·s⁻¹）以确定生物膜层的光衰减效应。测定在刮除壁面生物膜前后各做一次；传感器浸入 50 cm 深（约反应器深度一半）并朝向反应器内壁。三个测点分别是：小心地把传感器直接贴在未刮除的生物膜上、生物膜刮除后的同一位置、以及把传感器靠在对侧内壁（与壁面相距 8 cm）。生物膜厚度 1–3 mm 在距离计算中被视为可忽略。

主要结果（含原文图表数据）

Period I（悬浮生长）的表现符合既有认知：没有有机物或营养物的净去除，因为同化进悬浮生物量的过程占主导。VFA 去除几近完全，平均效率 95 ± 2.7%。出水中残留了一部分不可降解的 SCOD（300–600 mg/L），限制了 SCOD 去除（65 ± 7.0%）。营养物去除受可生物降解 COD 的可获得性限制（TN 与 TP 去除率分别为 56% 与 42%），这解释了出水中较高的 NH₄⁺-N 与 PO₄³⁻-P 水平（25–80 mg N/L 与 4–30 mg P/L）。

Period II（第 37 天开始贴壁生长）启动后，出水中 TCOD、TKN 与 TP 的水平因生物膜生长与附着而下降（尽管进水固体在增加）。结果是 Period II 出现了 TCOD 的去除（平均 29 ± 9.7%），而 Period I 的 TCOD 去除可以忽略（−2.7 ± 10%）。两期之间几乎瞬时的变化说明是操作方式的改变（不再刮壁）而非生物学位移导致了观察到的变化；活性生物膜在 3–4 d 内即形成。

氮磷去除率两期相近，但 VFA 去除率在 Period II 略低（84 ± 6.4%，p = 0.002），尽管该期的 OLR 更低。时间趋势确认 Period II 全程维持了较低的 VFA 去除。性能的轻微下降还可从 SCOD、TKN 与 TP 的去除速率得到印证——三者都低于 Period I。作者指出 Period II 较低的 OLR 可以部分解释较低的去除速率与产率，但不能解释较低的 VFA 去除率。对此提出三种假说：(i) 可溶性底物向生物膜内的扩散速率限制了 VFA 的可获得性，并降低了整体吸收速率——由于施加的 HRT 很低（白天 1.0 d），这些速率已接近最优值；(ii) 生物膜的形成降低了主体液相中的光可获得性，因悬浮相缺光而降低 VFA 去除速率；(iii) (i) 与 (ii) 的组合。

昼夜周期研究确认了贴壁生长期间 VFA 去除受限：Period I 夜间 VFA 几乎检测不到，而 Period II 即使在白天也维持着 50–60 mg COD·L⁻¹·d⁻¹ 的 VFA 基线，导致夜间因残余有机物的水解与发酵而出现更高的 VFA 浓度。VFA 的累积影响了 pH——Period I 最高达 7.9，Period II 低于 7.7。

关于产率的计量，原文的讨论相当克制，值得完整转述。Period II 的产率是通过刮膜后测定液相生物量浓度来计算的，而实际操作中的限制（生物膜未被完全刮除、残留生物量留在刮膜系统上、漂浮的生物膜聚集体造成取样不均）导致对生成生物膜的低估——按质量衡算，实际产率可能比报告值高 10%–30%。另一方面，实测值无法区分哪些固体属于生物量、哪些属于进水中未降解的固体，因此实测值又高估了真实的 PPB 产率。为解决这一矛盾，作者按 1 g COD_biomass/g COD_removed 的生物量产率从 SCOD 去除量估算产率，结果两期在统计上同样相近。即使是这个只考虑 SCOD 吸收的低估值（18 ± 2.4 与 16 ± 2.2 g COD·m⁻²·d⁻¹），也确认了 PPB 能在户外反应器中实现高产率；估算值的相对一致趋势（最高达 25 g COD·m⁻²·d⁻¹）也证实了系统在进水特性与环境条件多变的情况下仍能保持稳定性能。

Fig. 2 Photon flux densities (PFDs) measured on the inner reactor wall and on the opposite side during Period II at days 57 (A) and 61 (B). The biofilm thickness (1–3 mm) was considered to be negligible for distance calculations.

图示信息上下两个柱状图面板（A 为第 57 天、B 为第 61 天），坐标与图例相同。纵轴为 PFD (µmol·m⁻²·s⁻¹)，量程 0–150、刻度间隔 25；横轴为 Distance from reactor side (cm)，两个分组分别是 0 cm（紧贴内壁）与 8 cm（对侧内壁）。图例：橙色为 With biofilm（未刮膜）、蓝色为 No biofilm（刮膜后）。面板 A 中 0 cm 处橙柱明显低于蓝柱，蓝柱误差棒为全图最大；8 cm 处两色柱高接近且都很低。面板 B 中 0 cm 处橙柱略低于蓝柱、差距远小于 A；8 cm 处两色柱同样都很低且几乎无差别。

论文结果壁面 PFD 在刮膜前后的对比显示，生物膜平均吸收了入射近红外光的 61 ± 40%，具体幅度随入射 PFD 变化。对侧（8 cm 处）的 PFD 在刮膜前后相近：9.7–12 对 11–12 µmol·m⁻²·s⁻¹（按近红外平均波长 900 nm 换算约为 1.3–1.6 对 1.6–1.7 W·m⁻²）。两种光强都会限制 PPB 的有效生长、降低生长动力学——富集 PPB 培养物的光半饱和常数 K_I（动力学减半时的值）为 4.6 W·m⁻²；已有报道称适应低光的培养物在 1.4–3.0 W·m⁻² 的近红外水平下仍可高效生长，但生长动力学较慢。两期真正的差别在紧贴壁面之后的光强：以最极端的情形（第 57 天，面板 A）为例，刮膜前 PFD 为 23 µmol·m⁻²·s⁻¹（3.8 W·m⁻²），刮膜后为 81 µmol·m⁻²·s⁻¹（11 W·m⁻²）。3.8 W·m⁻² 已经低于 K_I，意味着生物膜正后方的可用光就已经在限制 PPB 的吸收速率。

研究意义这张图给出了 VFA 去除率下降的物理解释，也划出了平板反应器设计的硬边界。由于水与悬浮生物量本身也在衰减光，遮光效应在距壁更远处更加明显；因此贴壁生长期间主体液相中的暗体积比例更高，在所施加的 HRT 下限制了悬浮相的吸收动力学，导致 VFA 消耗不完全与去除速率下降。工程含义直接而明确：反应器宽度（内部厚度 8 cm）、刮膜频率（决定生物膜厚度）与 HRT 三者是耦合的——生物膜越厚，产品越多但主体液相越暗；要维持处理性能，贴壁系统的 HRT 可能需要比悬浮系统更长。同时注意 8 cm 处的 PFD 在两种情况下都只有 10–12 µmol·m⁻²·s⁻¹，说明即使没有生物膜，8 cm 厚度的另一侧本身已经接近光限制，这解释了为什么 61% 的壁面遮光并未导致对侧光强的进一步明显下降。

生物量特性是本文最具决定性的结果。生物膜中的生物量浓度是悬浮态的 50 倍（90.5(1.3) 对 1.80(0.60) g TS/L），灰分则低得多（6.9% 对 43%）。后者对饲料应用至关重要：作者根据与鱼饲料制造商的沟通指出，用于鱼粉替代时灰分必须低于 20%。因此收获的生物膜可以直接用作饲料，而悬浮生物量只能用作肥料——两者价值差距明显（1.5–1.6 对 0.42–0.47 USD/kg）。质量衡算显示生物膜占总 COD 的 20%–50%，与前期研究一致。

微生物群落的结果支持“贴壁筛选 PPB”这一判断：PPB 相对丰度在 Period I 样品中为 0.30–0.45，在 Period II 的生物膜中为 0.48–0.68。PPB 优先附着，而发酵菌等伴生群落留在悬浮相。因此生物膜生长可以用来提高产品中的 PPB 比例。Period II 悬浮样中的 PPB 比例（0.30–0.32）低于 Period I，原因是部分 PPB 长成了生物膜，以及贴壁生长期间主体液相中更显著的光限制。优势 PPB 属（Blastochloris sp.、Rhodopseudomonas sp. 与 Rhodobacter sp.）在 Period I 与 II、以及悬浮与贴壁两组分中都是相同的，这进一步确认了性能差异由非生物因素（即机械刮膜）造成。

机制：光、扩散与两个相互竞争的限制

把三组数据（性能、光、群落）串起来，本文的机制图景是两个限制的竞争。

1. 生物膜内的传质限制。 可溶性底物向生物膜内部的扩散速率限制了 VFA 的可获得性。这一限制之所以显现，是因为所施加的 HRT 很低（白天仅 1.0 d），使吸收速率本已接近最优值，没有余量吸收扩散阻力。
2. 主体液相的光限制。 生物膜吸收了入射近红外光的 61 ± 40%，使紧贴生物膜之后的光强降到 3.8 W·m⁻²（低于 K_I = 4.6 W·m⁻²），叠加水与悬浮生物量的衰减后，主体液相的暗体积比例上升，悬浮相 PPB 的吸收动力学被压低。
3. 两者的组合。 作者并未在三种假说中选定其一，而是明确保留“(i) 与 (ii) 的组合”这一可能。昼夜周期研究提供的旁证是：Period II 白天仍残留 50–60 mg COD·L⁻¹·d⁻¹ 的 VFA 基线，夜间因残余有机物的水解发酵而升高——这与“白天光/传质不足、无法把 VFA 吃干”的图景一致。

一个容易被忽略但很重要的观察是：贴壁并不是简单地“少了一部分菌在液相”。TCOD 去除率从 −2.7% 变成 29%，说明生物膜同时起到了截留固体的作用（尽管进水固体在增加，出水 TCOD、TKN、TP 都下降了）；SCOD 去除率甚至从 65% 升到 74%。也就是说，在“出水水质”这个维度上贴壁是更优的，只在“VFA 吃得干不干净”这个维度上更差。而 VFA 残留会带来 pH 的变化（Period I 最高 7.9，Period II 低于 7.7），这是一个可在线监测的运行信号。

另一个机制层面的洞察来自 Fig. 2 中 8 cm 处的数据：无论有无生物膜，对侧 PFD 都只有 9.7–12 µmol·m⁻²·s⁻¹（1.3–1.7 W·m⁻²），都低于 K_I。这意味着 8 cm 内部厚度的平板反应器在这批运行条件下本身就已经处于光限制状态，生物膜的遮光只是让近壁区也跟着变暗。因此“加厚反应器换取更大处理量”这条路在 PPB 系统里是行不通的——反应器宽度既影响光可获得性又影响占地面积，必须与 HRT、刮膜频率、OLR 一起优化。

工程与产业含义

基于生物膜的户外 PPB 反应器可以高效运行，性能与悬浮生长相近。生物膜（占总生物量的 20%–50%）品质的提升带来了可直接应用的更高附加值产品，例如作为散装鱼饲料。这一点由三项条件共同支撑：低灰分、足够的蛋白含量（58% 粗蛋白）以及合适的氨基酸谱。

• 产品一致性是生物膜的主要优势。 生物膜的品质不依赖进水中（悬浮态的）不需要物质，因此产品质量的波动大幅收窄。这一点在处理组成波动的真实工业废水时价值极高。
• 免去浓缩步骤。 生物膜的固含量为 90 g/kg，悬浮生物量为 1.8 g/kg，两者相差 50 倍，收获后不再需要离心/膜浓缩这类高能耗单元。
• 连续运行是可行的。 定期刮膜没有影响处理性能，意味着可以采用连续运行加每 3–4 天顺序回收生物膜的模式。所得产率相当高，高于室内 PPB 生物膜反应器（7.0–10 g VS·m⁻²·d⁻¹）与藻类生物膜工艺（最高 7.6 g TS·m⁻²·d⁻¹）。
• 省掉剪切/混合能耗。 形成光驱动的生物膜本身就是一项优势，避免了为剪切与混合所需的能量投入。
• 双产品分流改善经济性。 生物膜作饲料（1.5–1.6 USD/kg）、悬浮部分作缓释肥料（0.42–0.47 USD/kg）。由于生物膜只实现部分污染物去除，收获悬浮生物量是必需的，这个必需动作恰好被转化成了第二个产品。

作者同时明确列出了需要优化的参数清单，这对后续工程设计极具参考价值：HRT（生物膜系统可能需要更长）、刮膜频率（与生物膜厚度相关）、反应器宽度（影响光可获得性与占地需求）、OLR。主体液相的光可获得性差是本路线的核心挑战，它降低去除速率与 VFA 去除效率，而后者还同时受底物穿膜扩散速率的影响。

把本文放在专题里对照阅读会更有意思。同一研究组的颗粒污泥工作（Stegman et al., 2021）与本文的贴壁生物膜工作解决的是同一个问题——把 PPB 从稀悬浮液变成可分离的固相以提升产品品质与降低收获成本——但技术路径不同：颗粒路线靠上升流速做选择压力，产品是可流动的离散颗粒，粗蛋白约 590 mg CP/g VS 但无机组分曾高达约 40%；贴壁路线靠不刮壁让菌自然成膜、每 3–4 天刮收，产品灰分低至 6.9%、粗蛋白 57.5%，且已经在户外真实废水上跑通。从工程成熟度看，本文更接近可实施状态；从产品形态看，颗粒更接近饲料成品。两条路线的共同结论是一致的：污染物留在悬浮相，让 PPB 长成固相就能天然提纯产品。

适用场景

• 户外、自然光条件下用真实工业废水（尤其是家禽/畜禽加工等高有机高氮磷废水）生产 PPB 单细胞蛋白的示范或工程项目。
• 以饲料级产品品质（低灰分、高粗蛋白、稳定一致）为首要目标、可接受 VFA 去除率略降的场景。
• 希望免去离心/膜浓缩与剪切混合能耗的工艺设计：生物膜固含量 90 g/kg，可直接刮收。
• 计划采用“生物膜作饲料 + 悬浮相作缓释肥料”双产品分流以改善整体经济性的项目。
• 需要在“最大化处理效率”与“最大化产品品质”之间灵活切换的运行策略设计：两期切换几乎瞬时且优势菌属不变。

不适用 / 需谨慎的场景

• 以 VFA 或 SCOD 完全去除、严格达标排放为唯一目标的场景：贴壁生长下白天仍残留 50–60 mg COD·L⁻¹·d⁻¹ 的 VFA 基线。
• 仅靠生物膜完成污染物去除、不打算收获悬浮生物量的流程：生物膜只实现部分污染物去除，原文明确指出必须同时收获悬浮部分。
• 试图通过加大反应器内部厚度提高处理量的设计：8 cm 厚度下对侧 PFD 已只有 1.3–1.7 W·m⁻²，低于 K_I = 4.6 W·m⁻²，本身即处于光限制。
• 日照条件明显弱于布里斯班（两期平均日辐照 23 与 20 MJ·m⁻²）或季节波动剧烈的地区，直接照搬产率数据。
• 对灰分要求极严或需要完整安全性数据（重金属、病原体、外源污染物）的饲料注册场景：本文虽指出污染物倾向留在悬浮相、生物膜灰分仅 6.9%，但未提供这些污染物在生物膜中的实测数据。

局限与不确定性

• VFA 去除率明确下降：84 ± 6.4% 对 95 ± 2.7%（p = 0.002），且这一下降不能由 Period II 更低的 OLR 解释。原因是生物膜遮光与底物扩散限制，两者的相对贡献未被区分。
• 产率数据存在双向偏差且无法完全校正：实测生物量产率含进水未降解固体因而高估，估算产率仅按 SCOD 去除量反算因而低估；Period II 的产率还因生物膜刮除不完全、残留在刮膜系统上、漂浮聚集体造成取样不均而被低估约 10%–30%。Period II 的 SRT 因生物膜回收不完全而未能测定。
• 两期的 OLR 与日照并不完全一致：OLR 为 1.5 ± 0.2 对 1.2 ± 0.2 g COD·L⁻¹·d⁻¹，平均日辐照为 23 (4.0) 对 20 (4.3) MJ·m⁻²，因此两期比较并非严格的单变量对照，尽管作者据此论证性能差异主要来自操作方式改变。
• 运行时长仅 78 天、单一废水、单一季节：使用布里斯班某厂的预发酵家禽加工废水，户外自然光，气象数据取自 2.0 km 外的气象站。长期生物膜稳定性、季节性日照波动、其他废水基质的适配性均未验证。
• 悬浮生物量的产品指标缺失：原文 Table 2 中悬浮样的 TKN、TP 与粗蛋白含量均为空缺，因此“悬浮部分只能作肥料”这一结论主要基于灰分（43%）与浓度（1.8 g/kg），缺少蛋白与养分数值支撑。
• 关键装置为受保护知识产权：混合与刮膜由一套“protected intellectual property”的水力机械装置提供，且通讯作者之一声明所在公司拟就该混合/刮膜技术申请专利并有商业化意图，这在复现与独立评估上构成障碍。
• 图像可提取性受限：原文 Fig. 1（TCOD、SCOD/VFA、TKN/TP 去除率时间序列）在 PDF 中未能稳定定位图像区域，只能通过 Table 1 的数值与正文描述间接复原时间趋势。

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 Fig. 2 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.2023.128709。