文献信息
一图不看也要知道的几件事
- 光异养是升级利用农食废弃物（agri-food waste, AFW）的关键代谢型：底物到菌体的 COD 转化率达 0.9–1.1 g CODbiomass/g CODnutrient，而化能异养仅 0.6；转化率超过 1 的原因是紫色非硫细菌依赖碳酸氢根离子，在还原态碳源存在时会同时同化碳酸氢盐。
- 四类底物的代谢清晰度差异极大：果糖同化路径最明确（PTS^Fru 转运 + EMP 途径），葡萄糖在 Rp. palustris 中是否可利用仍有争议且呈菌株依赖，而木糖、阿拉伯糖、半乳糖的转运与同化机制基本空白。
- 挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）的回补途径已较清楚，但混合 VFA 行为按菌株分两类：icl⁻ 菌株（Rs. rubrum、Ce. sphaeroides）顺序同化、乙酸/丙酸抑制丁酸；icl⁺ 菌株（Rh. capsulatus）可同时同化多种 VFA。
- 菌株选择直接决定预处理成本：Rh. capsulatus 与 Rp. palustris 能把蔗糖转化为葡萄糖与果糖，Rs. rubrum 不能、必须外加转化酶；乳糖至今未在任何 PNSB 中发现乳糖酶/半乳糖苷酶活性，必须外源加酶。
- 食品级应用的真正瓶颈不是代谢而是合规与工艺：欧盟新食品法规要求菌种到株水平、培养与下游工艺一并明确，因此共培养难以合规，只能走单菌株路线 + 封闭式光生物反应器 + 无菌操作。
研究背景与要解决的问题
农食废弃物（agri-food waste, AFW）是农食工业物质流中的一大部分，而农食工业本身约占全球年度人为温室气体（GHG）排放的近三分之一。2013 年联合国粮农组织（FAO）估计，每年供人类消费的食物中有三分之一（13 亿吨）在整个供应链上被损失或浪费；除了每年约 7500 亿美元（不含鱼类与海产）的经济损失外，处置这些废物还浪费土地与水资源、并推高温室气体排放。当前市政固废年产量已超 20 亿吨，预计到 2050 年再增长约 70%。
分布结构值得注意：工业化国家与发展中国家的食物损失总量惊人地相似，但发展中国家有超过 40% 发生在收获后与加工环节，工业化国家则有超过 40% 发生在零售与消费端。在欧洲，家庭是最大贡献者，占食物浪费总量的 54%，其次是工业加工 19%，余下 27% 分布在餐饮服务（11%）、生产（8%）与批发零售（8%）。目前 AFW 中有 40%–50% 被堆肥或填埋，或可作动物饲料，以及用于生物燃料（沼气、生物氢、生物乙醇、生物柴油）与大宗化学品生产。
紫色非硫细菌（purple non-sulfur bacteria, PNSB）是一群革兰氏阴性变形菌，可维持光合有机异养（photo-organo-heterotrophy）、光合无机自养、暗发酵与（厌）好氧呼吸等多种代谢模式，最佳生长通常出现在光合有机异养（下称光异养）条件下——有机分子同时作电子供体与碳源。光异养的关键优势在于底物到菌体的 COD 转化率接近于 1：光异养为 0.9–1.1 g CODbiomass/g CODnutrient，而化能异养只有 0.6。比值高于 1 的原因是紫色细菌依赖碳酸氢根离子，在还原态碳源存在时会同时同化碳酸氢盐。
在食品应用上还有一条硬指标支撑：PNSB 菌体的氨基酸谱与人类膳食需求匹配，多数必需氨基酸的膳食匹配度 >100、必需氨基酸指数 >1。综述的目标因此定为——把选定 AFW 的组成与 PNSB 的代谢能力对接，识别出“代谢已清楚因而最有前景”的废物流，以及“基础理解不足因而妨碍大宗资源利用”的代谢途径缺口。四株被聚焦的模式菌是 Rhodospirillum rubrum（Rs. rubrum）、Rhodobacter capsulatus（Rh. capsulatus）、Cereibacter sphaeroides（Ce. sphaeroides，原 Rhodobacter sphaeroides）与 Rhodopseudomonas palustris（Rp. palustris）。
分类框架：按底物类别 × 按代谢途径 × 按菌株
全文按底物类别切成四大章：糖类（第 2 节）、挥发性脂肪酸（第 3 节）、CO₂（第 4 节）、醇类（第 5 节）。每一章内部都是同一套三段结构：代谢途径 → 对应的农食副产物流 → 挑战与机会。这个矩阵式框架的作用在于把“能不能做”拆成两个独立判断：底物侧是否量大、廉价、食品级；菌株侧的代谢途径是否被表征清楚、是否需要额外酶。
含糖农食副产物：量、组成与预处理需求
| 副产物 | 产量规模 | 关键组成 | 现状 / 处理需求 |
|---|---|---|---|
| 糖蜜（甘蔗/甜菜） | 全球近 64 Mt；每吨原料产约 40 kg | 糖占干物质约 70.0%；蔗糖占糖分的 95%（甜菜）/78%（甘蔗）；粗蛋白 10.7%–15.6%（甜菜）/2.22%–9.31%（甘蔗） | 全球约 90% 甘蔗糖蜜与欧盟 70% 甜菜糖蜜用于产生物乙醇（属降级利用）；PNSB 培养时 pH 下降是已报道的显著难点 |
| 乳清 / 乳清渗透液 | 全球年加工原奶 >800 Mt（欧洲占 22%，约 160 Mt）；干酪乳清约 185 Mt/年（占原奶体积 85%–90%） | 甜乳清乳糖 70%–80% DW、蛋白 9%；酸乳清碳水占干重近 60%（几乎 100% 为乳糖），干物质为甜乳清的 60%、盐度为其 3 倍；乳清 pH 5（酸乳清）–7（甜乳清），电导率接近 8 mS/cm | 至今未在 PNSB 中报道乳糖酶/半乳糖苷酶（EC 3.2.1.23），必须外源加酶；高盐与酸性需稀释和/或缓冲 |
| 果蔬加工副产物 | 占全部食品加工副产物的 16%；世界苹果产量 2017 年超 80 Mt；葡萄约 70 Mt/年，2019 年葡萄渣约 10 Mt | 水热处理后每 100 g 干物质可释放还原糖：水果最高 50 g、蔬菜约 10 g（主要为葡萄糖、果糖、木糖）；苹果渣简单糖占干重 10.8%–15% | 多数被填埋或焚烧；固体基质需水热预处理 |
| 啤酒糟（BSG） | 约 39 Mt/年（欧洲占 10%）；每 100 L 啤酒产约 20 kg，占酿造全过程残渣的 85% | 非淀粉多糖（半纤维素 + 纤维素）32%–50% w/w，蛋白 19%–30% w/w；单糖以葡萄糖、阿拉伯糖、木糖为主 | 市场价仅 35–40 €/吨；需 Celluclast、Econase、Spezyme、Depol 740 或 Alcalase 等酶解，多糖复杂度高且为固态是主要挑战 |
| 大麦（原料基数） | 2020 年收获约 156 Mt 谷物 | — | 供人食用与动物饲料，啤酒生产是主要转化路径 |
糖类路线的三个真实障碍在原文中被明确列出。第一是分解代谢阻遏（catabolite repression）：多碳源共存时会出现顺序同化。在 Ce. sphaeroides S10 以含混合有机分子（主要为木糖、葡萄糖、乙酸）的餐厨垃圾产氢的研究中，葡萄糖被优先同化，且葡萄糖高效转化为生物氢、而木糖与乙酸主要用于生成菌体——这意味着碳源顺序会同时改变产物分配。第二是污染风险：糖是高能化合物，厌氧下可被广谱环境嗜温菌快速发酵，若终端应用为食品/饲料，工艺必须保持无菌，资本与运行支出因此上升。第三是二糖水解：蔗糖方面 Rh. capsulatus 与 Rp. palustris 能将其转化为葡萄糖与果糖，Rs. rubrum 不能，用它就必须先加转化酶；乳糖方面至今只有 Rp. palustris P4 被证明可在发酵条件下自行同化乳糖，且属孤例，其它报道多需先用肠杆菌把乳糖转成有机酸或使用基因改造株。
挥发性脂肪酸：回补途径、菌株分型与氧化还原平衡
挥发性脂肪酸（VFAs）是含 1–6 个碳的脂肪族一元羧酸：甲酸（C1）、乙酸（C2）、丙酸（C3）、（异）丁酸（C4）、（异）戊酸（C5）与己酸（C6）。甲酸虽属此列，但在产 VFA 过程中因迅速转化为甲烷与 CO₂ 而丰度很低，因此综述聚焦 C2–C6。乙酸通常是发酵过程中最丰富的 VFA，而两碳化合物的同化在光异养条件下正是难点：TCA 循环含两步脱羧（异柠檬酸脱氢酶 EC 1.1.1.42 与 α-酮戊二酸脱氢酶 EC 1.2.4.2），导致从乙酸出发无法实现净碳同化，必须靠回补途径（anaplerotic pathway）绕过这两步并补充被合成代谢消耗的 TCA 中间物。
| 代谢途径 | Ce. sphaeroides (icl⁻) | Rh. capsulatus (icl⁺) | Rs. rubrum (icl⁻) | Rp. palustris (icl⁺) |
|---|---|---|---|---|
| TCA 循环 | + | + | + | + |
| 乙醛酸支路 | − | + | − | + |
| 乙基丙二酰辅酶 A（EMC）途径 | + | + | + | ? |
| 甲基丙二酰辅酶 A（MMC）途径 | + | + | + | + |
| 甲基柠檬酸途径 | ? | +（理论上，仅依据基因存在） | + | + 菌株特异 |
| 丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶（PFOR） | ? | + | + | + |
| 甲基丁酰辅酶 A（MBC）途径 | + | + | + | + |
氧化还原平衡是这一章的另一条主线。光合有机异养条件下同化 VFA 这类高度还原的化合物会带来氧化还原胁迫，光强突增时 NADH 脱氢酶反向作用产生的额外 NADH 会进一步加剧（原文称之为光胁迫）。PNSB 主要依赖两条机制应对：经 CBB 循环固定 CO₂（每固定 1 分子 CO₂ 消耗 2 分子 NADPH）与经固氮酶产氢。缺失关键 CBB 酶的突变体在苹果酸、琥珀酸与乙酸等还原态底物上生长受损，说明 CBB 循环在处置过剩还原力上不可替代；CO₂ 对 PNSB 在丁酸、丙酸、戊酸与己酸上的光异养生长都是必需的。在 Rs. rubrum 与 Ce. sphaeroides 中，EMC 途径可降低对 CBB 的需求并在乙酸同化期间带来耐光胁迫能力。
| 化合物 | 分子式 | 电子含量（mol e⁻ / mol C） |
|---|---|---|
| 乙酸 | C₂H₄O₂ | 4.0 |
| PNSB 菌体 | CH₁.₇O₀.₄N₀.₂P₀.₀₁ | 4.3 |
| 丙酸 | C₃H₆O₂ | 4.7 |
| 丁酸 | C₄H₈O₂ | 5.0 |
| 戊酸 | C₅H₁₀O₂ | 5.2 |
| 己酸 | C₆H₁₂O₂ | 5.6 |
底物侧，AFW 经产酸发酵转 VFA 的数据也被系统列出：厌氧消化分四阶段（水解、产酸、产乙酸、产甲烷），暗发酵在产酸后即停止，只关注 VFA 与 H₂。菌菇废料堆肥（中国年产约 800 万吨）产 VFA 最高浓度 2781 mg/L，乙酸与丙酸合计占 71%，且因基质组成稳定而 VFA 组成也特别稳定；稻壳（年产超 1.13 亿吨）经碱处理可抑制产甲烷菌并使 VFA 积累到约 1200 mg/L；马铃薯废料发酵产 VFA 可达 22 gCOD/L，其中丁酸约 12 gCOD/L、乙酸约 8 gCOD/L；黄瓜、番茄、生菜的 VFA 谱相似（丁酸与乙酸最多），生物转化效率分别为 58.0%、49.5%、55.2%。家庭厨余的固体停留时间与 pH 会改变 VFA 链长——短链（乙酸、丙酸）在前 15 天占优，之后长链开始累积。最直接的产蛋白证据是：餐厨垃圾经热预处理与厌氧消化后，消化液用于培养 PNSB 得到富蛋白菌体，蛋白含量达干重 67%。
CO₂ 流与醇类流：两条被低估的入口
PNSB 的碳捕集与利用（CCU）能力来自围绕 CBB 循环的代谢多能性。光自养下经 RuBP 羧化酶/加氧酶（RuBisCO）羧化 1,5-二磷酸核酮糖，多步后生成 3-磷酸甘油醛（G3P）参与生物合成，每同化 1 mol CO₂ 需耗 3 mol ATP 与 2 mol NADPH。除 CBB 外，EMC、MMC、PFOR 途径与逆向 TCA 循环也能同化 CO₂。
沼气是最大的 CO₂ 流：欧洲沼气使用量在 2005–2017 年间增长逾五倍，沼气设施数从 2010 年约 10500 座增至 2020 年约 19000 座。沼气组成为 CO₂ 最高 50%、甲烷最高 75%。用微藻或蓝细菌做生物提质的主要缺点是产氧、需从生物甲烷中脱除；PNSB 因不产氧成为更合适的候选。已有研究显示紫色光合细菌（PPB）可在同时利用猪场废水中 VFA 的条件下把沼气提质到 93.3% CH₄，顶空 CO₂ 从 28.6% 降至 3.3%，而同期对照的藻-菌共生体系只从 28.6% 降到 24.1%。原文同时提示一条更聪明的组合思路：用消化液中残余 VFA 作电子供体来提质沼气——VFA 比菌体更还原，其同化产生的氧化还原胁迫会推高 CO₂ 固定，从而一举同时消除残余 VFA 并把沼气提质为生物甲烷。
另一类 CO₂ 来源是酒精饮料发酵尾气。啤酒生产的直接 CO₂ 排放理论上达每百升 4 kg（按 4% v/v 酒精度），葡萄酒生产可高出约三倍，且这类生源 CO₂ 洁净无污染物，在小型厂中大多未被回用。以 H₂ 电子固定 CO₂ 的光氢营养条件下，Rh. capsulatus、Ce. sphaeroides 与 Rp. palustris 纯培养的微生物蛋白产率达 2.6–2.9 g protein/g H₂，高于好氧氢氧化细菌，生产力也超过光自养微藻。生物电化学路线中，Rhodopseudomonas sp. 在混培养中承担接受胞外电子的关键角色，以含 40 mM 乙酸的啤酒废水为碳源与电子供体的概念验证优于传统体系。
醇类是被研究得最早、却近乎停滞的一条线：PNSB 代谢醇类的能力在 80 多年前就被识别（Foster 1944、van Niel 1944）。机制上由醇脱氢酶把醇氧化为醛或酮，再由醛/酮脱氢酶氧化为羧酸。乙醇先被乙醇脱氢酶转为乙醛、再由醛脱氢酶转为乙酸，随后活化为乙酰-CoA 进入中心代谢——由于乙醇比菌体更还原，其同化需要氧化，会带来氧化还原不平衡。甲醇一般经甲醇脱氢酶转为甲醛，再经谷胱甘肽依赖型醛脱氢酶转为甲酸，最终由水解酶转为 CO₂ 并由 CBB 自养同化，因此培养基需额外补充碳酸氢盐。甘油通常由甘油激酶（EC 2.7.1.30）磷酸化为甘油-3-磷酸，再由甘油-3-磷酸脱氢酶（EC 1.1.1.94 或 1.1.5.3）脱氢，随后经 EMP 或 PPP 代谢。
| 醇类 | Rs. rubrum（文献 / KEGG） | Rh. capsulatus（文献 / KEGG） | Ce. sphaeroides（文献 / KEGG） | Rp. palustris（文献 / KEGG） |
|---|---|---|---|---|
| 乙醇 | + / +（2 株） | − 与 + 并存、− / +（4 株） | + / — | +、± 并存 / +（7 株） |
| 甲醇 | ± / −（2 株） | 0（尚未研究）、− / — | − 、0 / +（4 株） | − / −（2 株） |
| 甘油 | − / +（2 株） | − / ~（突变体）、+ | + / +（4 株） | +、±、+ / +（7 株） |
酒厂废水的组成给出了实际浓度量级：一项分析中乙醇 1–5 g/L、甘油 0.14–0.32 g/L、甲醇 0–15 mg/L、2-苯乙醇与异戊醇各 0–5 mg/L、丙醇 0–2 mg/L、正丁醇与 1-丁醇各 0–1 mg/L；另一项分析给出乙醇 4.9 g/L、葡萄糖与果糖合计 0.87 g/L、甘油 0.32 g/L。醇类路线的硬约束是耐受度与速率：多数研究在约 0.2% 醇浓度下培养，Rh. capsulatus B-10 光营养下乙醇最高耐受 4% v/v 但最优生长仅在 0.2% v/v；生长速率也低——光异养最高可达 7.2 d⁻¹，光氢营养下 Rh. capsulatus 达 2.70 d⁻¹，而 0.2% 乙醇下仅 0.5 d⁻¹。相关文献大多可追溯到约 40 年前，使这一领域整体呈现欠发展状态。但反过来，正因为醇存在下的培养条件苛刻，厌氧下工艺高度抗污染，有利于维持食品级质量标准；而醇类废物流往往还含有未发酵的碳水化合物与蛋白，PNSB 凭代谢多能性可一并利用。
工程与产业含义：储存、变异性、反应器与法规
综述在结论部分把工程约束拆成五条，每条都直接影响产蛋白项目的可行性判断。第一条是季节性与储存。所选 AFW 大多只在特定季节或间断产生，而一座 PNSB 生产装置若一年只运行一部分时间，很难在经济上成立；因此原料必须可储存且组成足够稳定。糖蜜靠高浓度抑制微生物生长而稳定；浓度较低的含糖流必须立即处理；含 VFA 的消化液因是低能量分子而稳定，但必须妥善密闭以防挥发逸散；醇类与 CO₂ 流本身性质稳定。
第二条是组成变异性。糖蜜、消化液或沼气的组成很大程度取决于生产工艺与原料品质。原文的判断是：至少在产业化初期，只有较大规模的生产装置才能产出组成可重复、可与 PNSB 价值化相容的 AFW；小规模生产带来的废物流波动会构成又一重大挑战。
第三条是预处理与反应器选择。AFW 用于 PNSB 培养很可能伴随一步或多步预处理（机械、热或生物），这些步骤虽是生物工业常规，但需针对 PNSB 的碳源组成需求优化。物理预处理（超声、微波）有效但能耗与成本高；化学预处理（酸、碱、臭氧、过氧化氢）可能引入抑制微生物活性的毒性化合物；生物预处理（水解酶、特定菌株或真菌）不产毒副产物、能耗也不高，但成本较高且通常慢于化学与物理方法。反应器方面结论明确：食品/饲料级升级利用要求全流程无菌，因此开放式光生物反应器（如跑道池）虽便宜但不适用，只能依赖封闭式光生物反应器，即便运行成本更高；不过与其它光营养微生物一样，封闭体系也能带来更高的菌体生产力。
第四条是下游处理的知识缺口。原文指出，尽管培养参数优化方面已有大量研究，在采收与菌体稳定化等下游环节仍存在明显知识空白，现有做法是把已有技术直接移植到 PNSB 装置，得到的是未经优化的方案、因而生产力偏低。
第五条也是最刚性的一条：法规。今天限制 PNSB 用于食品/饲料的主要是法规层面——需要新食品（novel food）或饲料添加剂批准。EFSA 与欧盟新食品条例要求对候选物种做到严格鉴定（到株水平）；即便假设共培养获批，也必须描述组成（各菌株比例），且上市产品不得显著偏离该组成。共培养虽能带来更高鲁棒性与更广代谢能力，但很可能不符合现行欧盟法规。现行的新食品批准都是针对特定生物、特定培养与下游工艺发放的；此外，要吸引获得新食品批准所需的巨额投入，通常还需要对菌株与生产工艺提供配套保护。结论是：食品与饲料应用应优先瞄准单一 PNSB 菌株工艺而非菌群，这进一步凸显了选株的重要性。
最后一条正面结论也需要如实记录：PNSB 已被研究用于多种农食副产物，但既有研究大多把这些物料价值化为能源（生物氢）或生物塑料（PHA），这属于降级利用、造成食品级物料损失。凭借代谢多能性、独特的碳转化率，以及优质蛋白、抗氧化物、有价值的脂质谱、辅酶 Q10 与维生素等特性，PNSB 是设计未来“光生物精炼厂（photorefinery）”的有希望候选；水生动物饲料组成与抗胆固醇功能方面现行有效的专利，也从侧面说明其对食品饲料工业的相关性。
适用场景
- 为 PNSB 产蛋白项目做底物-菌株配对决策：按进水主要碳组分（果糖/葡萄糖/蔗糖/乳糖/混合 VFA/醇/CO₂）查 Table 1、Table 3 与 Fig. 1–2，判断需选哪株菌、是否必须外加转化酶或乳糖酶。
- 评估农食废弃物流的可行性与规模：糖蜜、乳清与乳清渗透液、苹果渣、葡萄渣、啤酒糟的产量、糖含量与市场价数据可直接用于原料筛选与成本估算。
- 设计厌氧消化液（VFA + 铵 + 磷）为基质的产蛋白工艺：可参考 VFA 电子含量表判断氧化还原胁迫强度、铵浓度区间（1500–7200 mg/kg DM）判断稀释需求、pH 6.5–7.5 判断缓冲需求。
- 沼气/发酵尾气提质与产蛋白耦合方案的可行性论证：PPB 把顶空 CO₂ 从 28.6% 降至 3.3%、CH₄ 达 93.3% 的数据，以及“用残余 VFA 驱动 CO₂ 固定”的思路可作技术路线依据。
- 食品/饲料级项目的合规路径规划：欧盟新食品与饲料添加剂对菌种到株水平、培养与下游工艺的要求，决定了应走单菌株 + 封闭式反应器 + 无菌工艺，而非混培养 + 开放跑道池。
不适用 / 需谨慎的场景
- 不能作为工艺参数手册：全文不提供光强、HRT、接种量、蛋白产率等可直接套用的培养参数，也没有中试或放大运行数据。
- 不适用于把基因组预测当作能力证明：Table 3 已展示 KEGG 有酶而文献不生长的多个反例，任何选株结论都需实验验证。
- 非食品级废物流的价值化不适用其结论框架：原文明确指出用非食品级副产物产沼气或 VFA，会使所产 PNSB 菌体失去饲料/食品应用资格。
- 共培养/混培养体系的产蛋白方案不建议照此推进食品应用：原文判断共培养很可能不符合现行欧盟法规。
- 醇类为主的废物流需谨慎：耐受度约 0.2%（最高约 4% v/v）与低至 0.5 d⁻¹ 的生长速率意味着处理通量受严格限制，且相关文献陈旧。
局限与不确定性
- 综述性质、无原创数据；且原文明确承认所引基础研究绝大多数在含有限种类碳源的合成培养基中完成，PNSB 在真实、高度复杂 AFW 中的行为仍缺乏系统认识。
- Table 1 的途径判定混合了实验证据与仅基于基因存在的推断（Rh. capsulatus 甲基柠檬酸途径注明“理论上、仅依据基因存在”；多处标 ? 表示基因尚未鉴定），不能当作确证的代谢能力清单使用。
- Table 3 的醇类生长能力中，文献结果与 KEGG 基因组预测多处矛盾（如甘油：Rs. rubrum 文献为不生长而 KEGG 显示有酶；Rh. capsulatus 缺甘油代谢酶但自发突变体可在 0.5% 甘油下组成型代谢），说明基因组存在酶并不等于可利用底物。
- 混合碳源条件研究极少：糖类与 VFA 的代谢研究基本都用纯底物或二元混合物，而 AFW 必然是复杂混合物，分解代谢阻遏与顺序同化会同时改变生长与产物分配，难以预测。
- 多个关键机制仍属空白：木糖/阿拉伯糖/半乳糖的转运与同化机制未查明；Rp. palustris 是否具备 EMC 途径标为 ?；戊酸与己酸在 Rp. palustris、Rh. capsulatus、Ce. sphaeroides 中的确切途径仅部分理解；下游采收与菌体稳定化缺乏针对 PNSB 的优化研究。
- 醇类章节所依赖的文献多数可追溯到约 40 年前，缺乏近期数据支撑，原文自评该方向呈“欠发展”状态。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
来源与链接
图片来源：Frontiers 开放获取，本文按 Creative Commons Attribution License (CC BY) 发布：CC BY 许可，署名后可自由复用。原文 Figure 1–2 由 BioRender 绘制，复用已标注作者与出版来源（DOI: 10.3389/fbioe.2025.1529032）。