紫色非硫细菌的生物技术应用谱系：产氢产甲烷、废水处理、生物肥料、PHA 生物塑料、单细胞蛋白与微生物电合成

文献信息

一图不看也要知道的几件事

• PNSB 的核心资产是代谢多样性：作为混养生物可在光异养、光自养、化能异养、化能自养四种主代谢间切换，全部物种都是固氮菌（固定 1 mol N₂ 需 16 mol ATP 并必然副产 1 mol H₂），并且能双向进行胞外电子传递，因此在碳源与光照不稳定的废水与水体环境中比专性代谢物种更有竞争力。
• 废水处理是所有应用的共同入口：PPB 富集培养在咸水废水中可达 0.8 g COD/g COD 投加的生物量产率，在合成废水中实现 96% COD 去除（容积速率 1.1 kg COD d⁻¹ m⁻³），在鸡屠宰废水中去除 88% 溶解性 COD，在缺乏固定氮的费托合成工艺水中仍达 70% COD 去除。
• SCP 方向的量化边界很清楚：粗蛋白最高约 60% 干重，热值 22 MJ/kg VSS（约为肉骨粉的两倍）；R. faecalis 在 15% 鸡粪培养基中产蛋白 525 mg/L（粗蛋白 62.7%），在未稀释处理塘废水中蛋白 64.8%、脂质 10.6%；白虾投喂含 10% PNSB 蛋白的饲料体重比对照大 25%，但至今无人尝试或实现以 PNSB SCP 作为唯一营养源。
• 产物之间存在明确的代谢竞争：类胡萝卜素与辅酶 Q10 都经甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径取用异戊二烯前体，因此菌体通常只被优化为产其中之一；同理光照条件对蛋白与色素的最优点不同——红外光下总类胡萝卜素达 22 mg/L，而白炽光给出最高蛋白含量。
• PHA 与电合成仍处在产率不足的阶段：R. sphaeroides 以乙酸为底物达 500 mg PHA/L（65% 细胞干重），海洋种 Rhodovulum visakhapatnamense 达 300 mg/L，未研究过的 Rhodomicrobium sp. 仅 44 mg/L；改性阴极（磁铁矿纳米颗粒 + 还原氧化石墨烯复合物）可使电营养下的 PHB 产量提高 4 倍以上。

研究背景：循环经济为什么需要 PNSB

2022 年全球人口突破 80 亿。按现有趋势，废弃物产量到 2050 年将增长 70% 至 34 亿吨（含合成塑料等不可回收物、食物与园林废弃物、金属、纸、玻璃等，且不计入产生温室气体的能源与商业过程）；同期全球食品总需求预计增加 30% 以上，最多有 8% 的全球人口面临饥饿风险。循环经济（circular economy, CE）主张以可再生投入实现再利用、减量与再循环，取代石油这类终端资源；作者的落点是：要让 CE 真正有效，必须把“损失掉的废弃组分”重新转化为增值产品或过程，而能同时完成固碳、脱除温室气体、生产高值化合物与修复有毒废物的微生物是关键角色。

紫色光合细菌（purple phototrophic bacteria, PPB）因光营养条件下产生的色素与类胡萝卜素而呈红紫色，1932 年据其能否耐受硫并在胞内储硫被分为紫色硫细菌（PSB）与紫色非硫细菌（PNSB）；后来发现 PNSB 主要通过外排氧化态硫而非储存来耐受 < 0.5 mM 的硫浓度。历史上 PPB 的主要价值在于作为无氧光合作用的生理生化模型，近年重心转向生物技术应用，尤其是电子供体/受体更多样、实验室培养比需硫的 PSB 更容易的 PNSB。研究高度集中在几个模式种：R. palustris、R. rubrum、R. capsulatus（旧属名 Rhodopseudomonas，现 Rhodobacter）与 R. sphaeroides（现 Cereibacter）。

PNSB 的吸引力被归纳为三点：耐受高盐、重金属与 H₂S 等有毒污染物；在好氧与厌氧条件下均可利用多种碳源与电子源生长，包括原始废水流；天然生产多种有经济价值的产品（生物燃料、生物塑料、精细化学品），且高效脱除废水中有机物后的菌体本身可作肥料与饲料。相比现有的化学法或纯酶法——后者缺乏自修复能力、适用面窄、需要高度特定的操作条件——PNSB 作为“活的催化剂”具有结构性优势。

分类框架一：四种主代谢 + 固氮 + 电营养

作者按“能量源—电子源—碳源”三要素把 PNSB 的主代谢划为四类，并指出多数 PNSB 作为混养生物可在其间切换，只是效率与利用能力有种间差异；氮源与氧气存在与否也会影响偏好模式，但在有光的厌氧条件下 PNSB 通常执行光异养。

Fig. 1 The four primary metabolisms of PNSB: (A) Photoheterotrophy utilizing organic sources for electrons and carbon, and light for energy, (B) Photoautotrophy utilizing inorganic electron sources, carbon dioxide for carbon, light for energy, (C) Chemoheterotrophy ... (D) Chemoautotrophy ... In A and B, a simplified photosynthetic electron transport chain (ETC) cycles electrons though the reaction centers (orange) and a cytochrome bc1 complex (yellow). In C and D, a simplified respiratory ETC directs electrons through NADH dehydrogenase (dark green), a cytochrome bc1 complex (purple) and a cytochrome cbb3 oxidase (blue). ATP synthase (light green) uses the proton gradient generated by the ETC to make ATP.

图示信息四个粉色细胞示意图排成 2 × 2。四格内部结构相同：左上为环形箭头标注的 Central Metabolism，向下经 CO₂ 进入粗黑环形箭头标注的 CBB（卡尔文-本森-巴斯汉循环），再指向 Cell Growth；右侧为黄色星形 ATP 与浅绿 ADP + P，最右侧膜上贯穿浅绿色 ATP 合酶，膜外标 H⁺，箭头向下指向 ATP。差异只在膜上机器与左侧底物：(a) 光异养与 (b) 光自养上方有太阳，光箭头指向膜上两个橙色椭圆（反应中心），黑色虚线箭头在橙色椭圆与金黄色蛋白（细胞色素 bc₁）之间循环并标 e⁻ 与 H⁺；(a) 左侧大括号写 Organics（• Butyrate • Acetate • etc.）以实线箭头进入中央代谢，(b) 左侧大括号写 Inorganics（• H₂ • Fe²⁺ • etc.）以虚线箭头汇入胞内 e⁻ 池，另有一条独立的 CO₂ 实线箭头进入 CBB。(c) 化能异养与 (d) 化能自养无太阳，膜上换成呼吸链：青绿色椭圆（NADH 脱氢酶）、紫色蛋白（细胞色素 bc₁，带向上粗箭头与 H⁺）、浅蓝空心椭圆（细胞色素 cbb₃ 氧化酶），并有灰色虚线箭头指向膜外的 e⁻ acceptor；(c) 左侧为 Organics，(d) 左侧为 Inorganics 加独立 CO₂ 箭头。

论文结果图把四种代谢的差异精确定位到两处：膜上电子传递链的类型（光合环式 vs. 呼吸链式）与左侧碳/电子输入的性质（有机物 vs. 无机物 + CO₂）。四格共有 CBB 循环，对应正文所述 PNSB 具备功能性 CBB，既用于固碳供细胞使用，也作为消耗过量还原力的出口。光异养中电子循环回到初级供体细菌叶绿素，因此不消耗水、不产氧；有机酸（苹果酸、乙酸、琥珀酸、延胡索酸、丙酮酸）因在三羧酸循环上有直接入口而成为多数情形下的首选碳源；当酸的还原度高于生物量（4 mol e⁻ mol⁻¹ C）时，需要 CO₂ 或二甲基亚砜（DMSO）等电子受体才能生长。

研究意义这张图解释了为什么 PNSB 能在废水这种碳源与光照都不稳定的环境里保持优势：切换代谢模式不需要更换菌株，只需切换膜上已有的两套电子传递装置。同时它也预示了后续所有应用的共同约束——ATP 与还原力的产出被同一条质子梯度绑定，产氢、产 PHA、固碳与产蛋白之间必然争夺电子。

分类框架二：废水处理与资源回收——所有应用的共同入口

2015 年美国一国每日用水 3220 亿加仑，其中 87% 为淡水，由此产生数十亿加仑废水；许多国家的市政与工业处理厂几乎未经处理即直接排入水体，既损害环境与人类健康，又阻断了淡水回用与“把有机物与有毒污染物转成有价产品”的资源回收路径。生物处理相比物理化学法更廉价、毒性更低、处理更完全，且能回收磷、碳等有机组分。相较候选者，微藻受高光需求限制，化能异养菌常需曝气，而 PNSB 在光受限条件下仍能生长且无需氧气，还能把废有机物转成生物燃料或生物塑料；其同化有机物、磷与氮的能力使菌体本身成为浓缩的营养源（蛋白或肥料），同时阻止这些输入进入环境引发有害藻华。

开放跑道池那一行值得单独看：与天然生长于开放水池的好氧微藻不同，PNSB 常需厌氧环境才能维持优势——好氧条件会让其它异养菌起势。作者引用的策略是把有机物投加量限制到仅够光期消耗，再配合夜间停止搅拌（即停止曝气），从而在抑制非 PNSB 生长的同时维持蛋白生产。

分类框架三：按产物划分的五条应用线

（一）生物能源。 过去十年全球生物能源装机接近翻倍至 144 GW，约占可再生能源总装机的 5%。PNSB 走的是光发酵路线：借固氮酶与部分氢酶在厌氧条件下产氢，不同于微藻与蓝细菌的产氧光解。氢酶功能在无 N₂ 时依然保留——R. palustris CGA009 在缺氮条件下产氢比有氮时提高 3.5 倍。底物侧的重点是暗发酵出水（dark fermentation effluent, DFE），即有机物在无光条件下发酵后富含挥发性脂肪酸的残余：DFE 支持 R. sphaeroides 产氢达 256 mL H₂/g COD；在 1.5 L 生物反应器中以 R. capsulatus 产氢约 100 mL（需补加乳糖促进发酵）。采用纯培养 DFE 的组合包括超嗜热菌 Thermotoga neapolitana（9.4 mol H₂/mol 葡萄糖）、发酵能手 Lactobacillus amylovorus（3.1 mol H₂/mol 葡萄糖）与 Clostridium butyricum（11.6 mol H₂/mol 蔗糖）。电营养路线中，以苹果酸加阴极电子供体培养废水富集 PPB，可在固定全部可得 CO₂ 的同时达到与非阴极培养相当的产氢量（产率 0.11 L H₂/g 苹果酸，仍低于其它 PNSB 研究）。作者也直言：许多暗发酵体系在单位生物量总产氢上无需重大改造即可超过最好的中试自养体系。

沼气方向，PNSB 生物量作为厌氧消化（AD）底物有吸引力，但因蛋白含量高且本身耐厌氧，通常需要预处理：废水富集的 PPB 混培养在 180 ℃、15 min 热处理后投加消化器，在 20 天水力停留时间下甲烷产量与挥发性固体降解率分别为 307 vs. 177 L CH₄/kg VS 与 75% vs. 34%（对照为不处理）；但作者指出，把“培养生物量—消化—回收能量”整链算下来，至今仍达不到正的能量回收。R. palustris、R. rubrum 与 R. capsulatus 还能经铁固氮酶在固氮时直接产生少量 CH₄，其量足以支撑与专性甲烷消耗菌 Methylomonas sp. 的共培养，但不足以作为燃料级甲烷来源。液体燃料方向：向 R. palustris CGA009 导入来自 Clostridium acetobutylicum ATCC 824 的密码子优化醛脱氢酶 adhE2₈₂₄ 可把丁酸转为 n-丁醇，最高 1.5 mM；把大肠杆菌用的五基因盒导入 R. palustris TIE-1 并敲除 nifA 以阻断固氮这一竞争性耗电子途径后，光异养下 n-丁醇达 4.98 ± 0.87 mg/L，为仅导入基因盒时的两倍以上，但仍远低于工程化大肠杆菌的 > 500 mg/L。

（二）生物肥料。 常规肥料以尿素（含氮 46%）或磷酸二铵（18% N、46% P₂O₅）等易得无机物形式提供氮磷钾（NPK），常超出植物吸收上限而流失致富营养化；粪肥与合成氮肥的生产使用合计约占全球温室气体排放的 5%。PNSB 可在三条路径上充当生物肥料：以死亡或降解菌体直接提供 NPK（Rhodobacter sp. 干重 N/P/K 为 8.5/2.4/0.5%，因能积累多聚磷酸盐而磷含量远高于微藻的 1.3%，但钾低需补充）；以活菌固氮并螯合磷；以提取的植物生长促进物质形式使用。实证包括：干燥 Rhodobacter sp. 施于欧芹，株高与鲜重与参照有机肥相当；裂解干燥的 R. sulfidophilum 施于日本芥菜菠菜，生长与干重与矿质肥相当但用量需为矿质肥的两倍；水稻田接种 R. capsulatus 后，在推荐氮量 50% 的化学氮肥条件下，生物量产量与稻谷产量与全量施肥相当（4.11 vs. 4.0 t/ha、10.565 vs. 10.233 t/ha），即化肥用量可减半而不影响产量；以接种 R. palustris 的稻草施肥使稻谷产量最高提高 21%；接种 Rhodopseudomonas sp. KL9 的番茄果重、果径与番茄红素含量提高；接种 R. palustris ISP-1 的花生五年平均产量比常规施肥高 12.5%。植物激素方面，一株来自稻田的 R. palustris 在微氧条件下产吲哚-3-乙酸（IAA）3.62 mg/L、5-氨基乙酰丙酸（ALA）4.11 mg/L；但高浓度 IAA 会抑制根系发育与生长，因此低产 IAA 菌株可能更受青睐。储运侧存在明显空白：活体 PNSB 货架期“据作者所知无可用数据”，仅一项研究显示 Rhodobacter sp. 干燥生物量在 20 ℃ 储存 91 天后总固体与氮含量无净下降。

Fig. 2 Generic chemical structure of poly-hydroxyalkanoate (PHA) and example PHA types with their respective side groups (R). For a comprehensive list of PHA types, refer to Choi et al. (2020).

图示信息上方标题 Poly(3-hydroxyalkanoates) (PHA)，下方画出重复单元 [–O–CH(R)–CH₂–C(=O)–]ₙ，方括号右下角标 n，带 R 的碳以虚线立体键表示确定构型的手性中心。下方两列表头为 R group 与 PHA Type，列出四组对应：甲基 –CH₃ → Poly(3-hydroxybutyrate)；乙基 –CH₂CH₃ → Poly(3-hydroxyvalerate)；丙基 –CH₂CH₂CH₃ → Poly(3-hydroxyhexanoate)；含苯环的苄基侧链 → Poly(3-hydroxyphenylvalerate)。

论文结果该图给出了 PHA 材料性能可调的结构基础：侧链 R 的长度直接决定归类与力学性质——C3–C5 的短链长（SCL）PHA 偏刚硬，C4–C16 的中链长（MCL）PHA 更具弹性；由多种单体构成的共聚物则可改善脆性、刚度与熔点。聚羟基丁酸酯（PHB）是易于生产的代表性 SCL-PHA，热学与力学性质与聚丙烯相当。

研究意义对 PNSB 工程化的含义是：底物中脂肪酸的谱型直接决定产物型号，因此候选生产菌必须能利用多种烷酸底物——这正是有机废水（脂肪酸混合物）与 PNSB 组合的价值所在，也解释了为何共聚物形成能力被作为菌株筛选指标（R. rubrum 在共聚物灵活性上优于 R. sphaeroides）。

（三）PHA 生物塑料。 PHA 天然作为碳储存分子在过量碳或能量、且通常氮或磷受限时生成，由乙酰辅酶 A 与不同长度脂肪酸前体经至少硫解酶、还原酶与合成酶三类酶合成；PHB 由 PhaA（β-酮硫解酶）、PhaB（乙酰乙酰辅酶 A 还原酶）、PhaC（PHB 合成酶）三个酶完成。化学法需金属催化剂与醇引发剂开环聚合，试剂苛刻、成本高难放大；纯酶法需大量合成酶与立构专一的活性单体，且聚合释放的辅酶 A 在体外不被回收时对酶有正反馈抑制——因此工业上主要采用生物法。PNSB 的差异化优势在于可同时利用光与废有机物，而非其它物种所需的昂贵纯碳源。代表性数据：R. rubrum 在光营养下以全部 n-烷酸为唯一碳源均可产 PHA，在 60 mM 丁酸上达 20% 细胞干重；R. sphaeroides 以乙酸培养达 500 mg PHA/L、65% 细胞干重；Rhodovulum sulfidophilum 在乳酸与明暗周期下产共聚物 PHB-co-3-羟基戊酸酯最高 330 mg/L（作为海洋细菌还可在灭菌海水等高盐底物上生长以进一步降本）；九种海洋 PNSB 均可产 PHA 与共聚物，其中 Rhodovulum visakhapatnamense 达 300 mg PHA/L、R. sulfidophilum 250 mg/L（乙酸 + 限氮培养基）；PPB 富集培养在热预处理木质纤维素废物水解液上产 PHB 达 20% 细胞干重。优化手段包括保持高 C/N 与限制营养、利用独特代谢（R. palustris TIE-1 在光异养之外还能在氢营养、铁营养与电营养等自养条件下产 PHA）、以及遗传改造：全基因组突变筛选得到的 R. sulfidophilum 突变体比野生型提前 2 天达到最大 PHA 产量；R. palustris TIE-1 敲除 phaR 后在丁酸光异养下 PHB 显著增加，而以组成型启动子表达 RuBisCO I 型与 II 型则在 H₂ 加丁酸的自养条件下显著提高 PHB。新底盘方面，此前未被研究的 Rhodomicrobium sp. 在光异养下产 PHA 达 44 mg/L。作者的判断是：目前的生物量产率与生产速率仍过低，不足以实用。

（四）单细胞蛋白。 地球可耕地估计仅占 24%，其中约一半在实际耕种，且正因不当农业实践与气候变化而退化，逆转可能需数十年。“单细胞蛋白”一词 1968 年被提出，指源自微生物细胞的富蛋白食品；细菌在生长速率与底物利用范围上优于真菌、酵母与藻类，而 PNSB 在细菌中又属突出者：粗蛋白最高 60% 干重且氨基酸谱均衡，同时产出细菌叶绿素、类胡萝卜素与泛醌等有用添加物，并合成硫胺素（B₁）、核黄素（B₂）、生物素（B₆）、钴胺素（B₁₂）、生育酚（E）、烟酸、叶酸与泛酸等多种维生素。其强健代谢使其能在未灭菌废水流上生长、易用红外光富集、并在厌氧条件下压制常见的摄食者与捕食者。量化证据：在多种废水上生长的 PPB 富集混培养平均热值达 22 MJ/kg 挥发性悬浮固体，接近肉骨粉等常规蛋白源的两倍；在营养严重受限的费托合成废水中（N、P、Mg、Ca 均缺）PNSB 混培养蛋白含量仍 > 35%；R. faecalis 在 15% 鸡粪培养基中产蛋白 525 mg/L、粗蛋白 62.7%；R. faecalis PA2 直接在未稀释的处理塘废水上生长，蛋白 64.8%、脂质 10.6%，且必需氨基酸谱接近对虾膳食需求。

PNSB 在水产上的附加价值不止蛋白：作为光合细菌产生的类胡萝卜素可让鲑鱼与虾体色更鲜亮；部分 PNSB 能产胞外蛋白水解酶，有助清除多余鱼饵、保持养殖池清洁；PNSB 还被发现能抑制流行的虾病原 Vibrio parahaemolyticus，既降低虾的死亡率，也减少预防性抗生素的使用（后者会推动抗生素耐药菌的产生）。

Fig. 3 Simplified metabolic pathways for Coenzyme Q10 production in PNSB. The shikimate pathway (left) is used to produce the quinone core, p-hydroxybenzoic acid, to be synthesized with long chain fatty acid decaprenyl diphosphate from the methylerythritol 4-phosphate (MEP) pathway (right) via the ubiquinone pathway to produce Coenzyme Q10 (bottom). Italicized gene names indicate the cluster utilized for that production step.

图示信息图为两支汇一的代谢路线。左侧绿色框标 Shikimate Pathway：磷酸烯醇式丙酮酸 + 4-磷酸赤藓糖，经斜体基因 aroB、Q、E、K、A、C 生成分支酸（Chorismic acid），再经 ubiC 生成对羟基苯甲酸（p-Hydroxybenzoic acid，旁附结构式）。右侧黄橙色框标 MEP Pathway：丙酮酸 + 3-磷酸甘油醛，经 ispE、D、F、G、H、I、A 生成法尼基二磷酸（Farnesyl diphosphate），再经 crtE 生成十聚异戊二烯基二磷酸（Decaprenyl diphosphate，旁附多聚异戊二烯二磷酸结构）。两支分别以绿色与黄色箭头汇入中央的 Ubiquinone Pathway 节点，再由一条标注 ubiA、D、G、H、E、F 的蓝色箭头指向底部产物 Coenzyme Q10，并画出其二甲氧基甲基苯醌环加十个异戊二烯单元尾链的结构。

论文结果图明确了辅酶 Q10 的两个前体分工：莽草酸途径提供醌核（对羟基苯甲酸），MEP 途径提供 C₅₀ 异戊二烯侧链，最后由泛醌途径的 ubi 基因簇完成缩合、脱羧/羟化与 O-甲基化。关键的工程含义写在正文：类胡萝卜素合成同样使用 MEP 途径生成番茄红素，因此辅酶 Q10 与类胡萝卜素处于直接的资源竞争关系，菌体通常只被优化为生产其中之一。

研究意义这条竞争关系是把“多产物联产”落到工程上时的硬约束：同一株 PNSB 不能同时把异戊二烯前体最大化地导向色素与泛醌两端。它也解释了 PNSB 精细化学品改造的两类思路——要么删除竞争支路（如敲除 crtC 与 crtD 阻断番茄红素向螺菌黄素等下游类胡萝卜素转化以高产番茄红素），要么改动电子传递链关键酶（如删除把电子从琥珀酸转给辅酶 Q10 的琥珀酸脱氢酶催化亚基）。

（五）精细化学品。 类胡萝卜素是吸收 400–550 nm 光的亲脂性色素，由八个异戊二烯单元构成，按侧基是否含氧分为叶黄素类与胡萝卜素类，广泛用于食品、化妆品与药品；虽可化学合成，但即使低浓度的合成类胡萝卜素也具毒性，因此微生物来源更安全。真核生物与古菌走甲羟戊酸途径，细菌走 MEP 途径，两者均生成 5 碳的异戊烯基焦磷酸与二甲基烯丙基二磷酸，经 10C 香叶基焦磷酸延长至 40C 八氢番茄红素后转为番茄红素，再由环化酶、羟化酶与酮化酶修饰基础骨架以产生不同颜色与相互作用性质。PNSB 天然在光合区室中大量富集类胡萝卜素，其 crt 基因簇编码八氢番茄红素脱饱和（CrtI）、C-3,4 脱饱和（CrtE）、C-1,2 水合（CrtC）等功能；两条主途径为螺菌黄素途径与酮基类胡萝卜素（okenone）途径，此外许多种还会生成途径外的硫酸酯、糖苷与酸类化合物。产量数据：红树林生境分离的 Afifella marina 达 > 0.75 mg/gDCW；来自生活污水处理塘的 R. faecalis PA2 达 7.2 mg/gDCW；优化光源后 R. sphaeroides 在红外光下总类胡萝卜素达 22 mg/L，同一研究还显示白炽光给出最高蛋白含量；敲除 R. rubrum 的 crtC 与 crtD 可高产番茄红素。光照条件的影响被两组数据界定：R. palustris 在 150 µmol-photons m⁻² s⁻¹、16 h/8 h 明暗周期下类胡萝卜素约 2 mg/g 生物量、细菌叶绿素约 1.2 mg/g；另一株 R. palustris 在 30 µmol-photons m⁻² s⁻¹ 连续光照并补充氮碳源时达 8.8 mg/g 生物量——说明最优布光取决于菌株、底物与反应器，且必须在长时高光的光抑制与黑暗中降解闲置光合机器之间取平衡。

辅酶 Q10（CoQ10）属泛醌家族，是 5,6-二甲氧基甲基苯醌在苯环 6 位带不同长度多聚异戊二烯侧链的化合物，既作电子传递链的电子载体参与产 ATP，也是强抗氧化剂，用于保护含脂产品（化妆品、药品）免于氧化，并对心肌病与肌肉萎缩症有确证的治疗益处。相比之下提取法产率比微生物生产低 4–2000 倍，化学合成需昂贵催化剂。光合微生物产量通常高于非光合微生物，PNSB 更高：天然可产至 80 mg/L，多数菌株在光异养或混养模式下表现最佳；R. sphaeroides 被认为是最佳生产者——诱变得到的 AR01 产 CoQ10 约 330 mg/L，比亲本提高近 25%；删除 R. sphaeroides 2.4.1 中电子传递链关键酶催化亚基（琥珀酸脱氢酶，负责把电子从琥珀酸转给 CoQ10）并配合变化的曝气方案，可比野生型提高 40%。两类精细化学品的共同成本瓶颈在提取纯化：类胡萝卜素因极性与结构差异没有通用溶剂或方法（胡萝卜素类需非极性溶剂、叶黄素类需极性溶剂，还需破壁与表征步骤）；CoQ10 提取目前使用有害有机溶剂，柱层析等方法虽在实验室成功但对商业应用仍过于昂贵。

分类框架四：前沿方向——微生物电合成与共培养

电活性微生物按能力分为电营养型（从还原态矿物或阴极等胞外源取电子）与外源产电型（向氧化态矿物或阳极释放电子），部分可双向传递。策略分直接与间接两类：直接依靠微生物与导电表面的接触（如蛋白纳米线或胞外基质），间接借醌类与 H₂ 等电子穿梭体。基因层面已有若干可用于预测的标记——大量证据表明孔蛋白-细胞色素复合物参与革兰阴性菌向外膜表面的电子传递，宏基因组中多血红素 c 型细胞色素的存在已被成功用于预测 EET 参与度。在 PNSB 中，R. palustris TIE-1 经 pioABC 操纵子实现胞外电子摄取（EEU）：PioA（十血红素细胞色素 c）与 PioB（外膜孔蛋白）形成复合物使电子跨越外膜；该机制最初在光铁营养条件下研究，但同样可经阴极发生。

Fig. 4 Mechanisms of extracellular electron uptake (EEU) from a cathode in PNSB. (Top) PNSB fix CO2 to form bioproducts using electrons from (left to right) indirect uptake using H2 produced from water hydrolysis, indirect uptake using reduced metals or other redox carriers, direct uptake using a conductive material matrix, and direct uptake via cell surface-to-electrode surface contact. (Top, far right) An example of photoautotrophic generation of poly-hydroxybutyrate (PHB) using electrons from the cathode. (Bottom) For R. palustris TIE-1 at potentials below −0.6 V, indirect EEU is favored to occur via hydrolyzed H2; above −0.6 V direct attachment to the cathode is observed. Adapted with permission from Karthikeyan et al. 2019.

图示信息上部为灰色扇形阴极（标注 Cathode (electron donor)），其穹顶上排列五个粉色杆状菌体，五条标 e⁻ 的虚线箭头由阴极指向各菌体；每种情形都有 CO₂ 弧形箭头进入、Products 箭头输出。自左至右依次为：① 水解产 H₂ 的间接摄取（下方 H₂O → e⁻ → H₂）；② 氧化态/还原态介体 M_ox 与 M_rd 经 e⁻ 循环穿梭；③ 菌体位于黑色分支状导电基质（含 e⁻）之上的直接摄取；④ 菌体直接接触阴极表面；⑤ 最右侧菌体内含白色椭圆标 PHB 并伴黄色太阳符号，示意用阴极电子进行光自养产 PHB。下方两组大括号把宽度分为 Indirect EEU（左）与 Direct EEU（右），中间虚线约在 −0.57 V 处。底部两幅示意图：左（间接）灰色 Cathode 条上 e⁻ 分出两条蓝箭头连向 H₂O 与 H₂，右侧为不接触电极的浮游粉色菌群，粗蓝箭头标 Organics 输出、CO₂ 输入；右（直接）菌体成膜紧贴电极，无 H₂O/H₂ 箭头，同样有 Organics 与 CO₂ 箭头。最下为电位轴 −1.2、−1、−0.8、−0.6、−0.4、−0.2、0，轴标题 PCP vs. SHE。

论文结果图把 EEU 机制与阴极电位定量对应：对 R. palustris TIE-1 而言，低于 −0.6 V 时以水解产生的 H₂ 为介体的间接 EEU 占优，高于 −0.6 V 则观察到直接附着于阴极。相应的应用证据在正文：以 Rhodopseudomonas 为主的非灭菌 PPB 混培养能以阴极（−0.6 V vs. Ag/AgCl）为唯一电子供体进行光自养生长，并在啤酒废水的流态化电极中比无电极对照获得更高的生物量；R. palustris 在阴极光自养生长时消耗的电子多数用于固碳与随后的生物量生成，且该固碳在光异养条件下于 −0.2 至 −0.8 V 区间同样发生（作者提示除 CBB 外还可能有其它电子汇）；R. palustris TIE-1 在阴极或还原态铁上自养生长均可产 PHB，而以磁铁矿纳米颗粒与还原氧化石墨烯纳米复合物改性的阴极使 PHB 产量比未改性碳毡阴极提高 4 倍以上。

研究意义把电极当成“可调的电子供体”，意味着还原力供给不再只能来自有机底物，这对高还原度产物（PHB、丁醇、H₂）尤其重要；而 −0.6 V 这条界线给出了工程设计的直接判据——想要生物膜型直接取电子就把电位控制在更正侧，想要借 H₂ 介导则需更负电位并接受水解能耗。

共培养是另一条前沿路线，其逻辑是降低单一物种的代谢负担，同时保留特化产物生产与可再生投入的利用。四类代表性组合：互补底物——好氧异养菌（AH）与 PNSB 在顺序光营养与化能营养反应器中共培养，蛋白含量提高 > 45%、氨基酸与脂肪酸谱更优，且因用于培养 PNSB 的光生物反应器体积缩小，生产成本比分开培养低 30%；跨界供碳——Rubrivivax gelatinosus 可利用以 CH₄ 为唯一碳源生长的甲烷氧化菌 Methylosinus sporium 的副产物实现显著生长；改造环境——本不能在有氧时固氮的 R. palustris 与消耗氧的 Bacillus subtilis 共培养后，可在约 21 vol.% 氧气下固氮；降解难降解底物——R. palustris CGA009 与 Clostridium cellulovorans 743B 以纤维素为唯一碳源共培养，纤维素降解与产氢均高于各自单培养。作者同时给出警示：共培养是双刃剑，虽可消耗更廉价资源或更完整地完成过程（如以菌群处理废水），但使用者失去对群落的精细控制，对变化的响应更难预测，因此即便只有两个物种也值得充分考量其代谢相互作用。

工程与产业含义

• 把目标产物与代谢模式绑定选择：光异养适合以有机废水最大化生物量与蛋白；需要高还原度产物（PHB、丁醇、H₂）时应考虑引入 CO₂/DMSO 等电子受体或阴极电子供体来平衡还原力，这是四种代谢共享同一质子梯度所决定的。
• MEP 途径是精细化学品的瓶颈节点：类胡萝卜素与辅酶 Q10 争夺同一批异戊二烯前体，工程上应二选一并删除竞争支路；同一逻辑也适用于光照选型——红外光利于色素（22 mg/L）与培养纯度，白炽光利于蛋白。
• 选择性富集有成熟手段：红外辐射与厌氧生长条件可用于压制竞争性污染菌；在开放跑道池中把有机物投加限制到仅够光期消耗、并在夜间停止搅拌，可把 PNSB 丰度从 50% 推到 > 88%，同时维持 0.2 g protein L⁻¹ day⁻¹。
• 共培养可同时改善品质与成本：AH + PNSB 顺序反应器提蛋白 > 45% 且降本 30%，代价是失去群落精细控制；引入耗氧伙伴还能解锁有氧固氮等原本不可行的功能。
• 电极是可调的还原力接口：−0.6 V（vs. SHE）是 R. palustris TIE-1 间接与直接 EEU 的分界；阴极改性（磁铁矿纳米颗粒 + 还原氧化石墨烯）可把电营养 PHB 产量提高 4 倍以上，说明界面材料而非仅菌株是产率杠杆。
• 下游提取成本需与产物选择一起决策：类胡萝卜素无通用溶剂、CoQ10 现用有害有机溶剂且柱层析对商业规模过贵；把生产耦合到废水处理并使用无毒废物输入是作者给出的降本方向，但尚未在工业规模落地。

适用场景

• 为 PNSB 项目做技术路线选型时用作应用谱系地图：在废水处理、SCP、肥料、PHA、精细化学品、生物能源之间比较成熟度与产率数据。
• 判断产物组合是否存在代谢冲突（如类胡萝卜素与辅酶 Q10 共用 MEP 途径），以及据此设定基因改造与光照策略。
• 非灭菌与开放式培养的选择性富集设计：红外光谱、厌氧/微氧条件、有机物按光期投加、夜间停搅拌。
• 以生物电化学系统补充还原力的探索性设计：按 −0.6 V 分界选择间接（H₂ 介导）或直接（生物膜附着）取电子方案，并考虑阴极改性。
• 生物肥料方向的初步可行性判断：以 N/P/K = 8.5/2.4/0.5% 与“减半化肥不减产”的水稻数据评估替代比例，并把钾补充与储运成本计入。

不适用 / 需谨慎的场景

• 作为工艺放大或经济性测算的一次数据源：文中数值来自条件不一的第三方研究，需回溯原始文献核对反应器、规模与测定方法。
• 把 PNSB SCP 作为唯一营养源的饲料配方设计：原文明确指出至今无人尝试或实现，仅有 33%、66% 鱼粉替代与 10% 蛋白添加水平的证据。
• 面向人类食品或哺乳动物、禽类的高比例蛋白替代：PNSB 核酸 < 5% 虽低于细菌均值，但远高于传统蛋白源 < 0.06%，且人类 RNA 推荐限量为 2 g/d。
• 以现有 PHA 或产氢产率论证 PNSB 相对其它底盘的竞争力：作者本人指出这些数值明显低于工程化大肠杆菌与常规暗发酵体系。
• 把四个模式种的结论外推到未表征的 PNSB 属种，或把 Fig. 4 的 −0.6 V 分界直接套用到非 R. palustris TIE-1 的菌株。

局限与不确定性

• 综述型论文，作者声明未生成或分析新数据；所引研究在规模（摇瓶至户外跑道池）、菌株（纯培养 vs. 废水富集混培养）与测定方法上高度异质，数值不宜直接横向比较。
• 研究对象集中于 R. palustris、R. rubrum、R. capsulatus、R. sphaeroides 四个模式种，PNSB 约二十属中的多数缺乏应用数据；作者亦指出探索新底盘（如此前未研究的 Rhodomicrobium sp.）才刚开始。
• 多条应用线的产率仍不足以实用：PHA 的生物量产率与生产速率过低；PNSB 生物量厌氧消化即便经 180 ℃ 热预处理，整链算下来仍未实现正的能量回收；n-丁醇（4.98 mg/L）与产氢（0.11 L H₂/g 苹果酸）显著低于非 PNSB 底盘或暗发酵体系。
• 共性瓶颈未解：光需求是当前最昂贵的问题且自然光研究极少；浮游细胞收获缺乏最优解；PNSB 生长速率低于好氧异养菌，尤其在自养条件下。
• 关键工程数据缺口明确：活体 PNSB 接种剂的货架期无可用数据，干燥生物量仅有 91 天/20 ℃ 一项；SCP 方向从未有人尝试或实现以 PNSB 为唯一营养源；PNSB 精细化学品与电合成均未在工业规模实施。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

图片来源：原文标注 © The Author(s) 2024，由牛津大学出版社代表 Society of Industrial Microbiology and Biotechnology 出版，并明确声明依 Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs（CC BY-NC-ND 4.0）许可分发：允许在正确引用原作、且不对作品作任何改动或转换的前提下进行非商业性复制与分发；商业性再利用需联系 journals.permissions@oup.com。需注意 Fig. 4 原文注明“Adapted with permission from Karthikeyan et al. 2019”，属第三方素材再授权，复用时应另行核对其权利人。图片来源见 DOI: 10.1093/jimb/kuae052。