文献信息
英文题名
Production of coenzyme Q10 by purple non-sulfur bacteria: Current development and future prospect
作者
Shichao He, Haifeng Lu, Guangming Zhang, Zhijun Ren
期刊 / 年份
Journal of Cleaner Production 2021
DOI
10.1016/j.jclepro.2021.127326
卷期 / 页码
307 (2021) 127326
单位
中国农业大学水利与土木工程学院；河北工业大学能源与环境工程学院
一句话概括：系统梳理PNSB产CoQ10的三条合成支路与光、氧、碳源、C/N比等调控策略，并首次提出并经济评价“非毒性废水培养PNSB—依次提取CoQ10与多种增值产物—出水回用”的耦合路线。
一图不看也要知道的几件事
- 全球CoQ10市场规模2017年超过8.9亿美元，预计2018–2024年年增长9%；年需求量约988–1369吨。
- 微生物合成CoQ10含量0.56–88.8 mg/g；PNSB天然菌株CoQ10含量13.34–88.8 mg/g。
- PNSB发酵培养基成本约36.9–154.9 USD/kg-CoQ10，占生产总成本比例大。
- R. sphaeroides是唯一实现工业规模产CoQ10的微生物，总产量770 mg/L；PNSB产CoQ10已在150 L中试与80,000 L工业规模运行。
- 混养模式（光-微氧，DO 0.5–1.0 mg/L）下PNSB生物量4020 mg/L，比化能异养模式高25.7%；CoQ10含量30.0–45.2 mg/g。
- 青贮废水/啤酒废水路线：240 L中试连续稳定运行440天，COD去除>96%，生物量产率483.5 mg/L/d，CoQ10含量38.6 mg/g。
- 非毒性废水路线CoQ10产量23.1–141.95 mg/L，低于商业生产需求>500 mg/L；对应生物量仅1.40–2.07 g/L，而标准培养基可达8–10 g/L。
- 代谢工程提升幅度：R. palustris J001两阶段溶氧调控使CoQ10含量提升435%、产量提升585%；R. sphaeroides共表达gapA-1与vgb使产量提高2.36倍。
- 经济测算：该路线总成本53.50–57.57 USD/kg-生物量，增值产物总价值42.38–115.95 USD/kg-生物量，最终利润−11.12至+58.38 USD/kg-生物量。
- 相较于传统活性污泥法，非毒性废水耦合路线74.2%的C与93.7%的N被合成进入生物量，CO2排放减少62.6%。
研究背景与要解决的问题
CoQ10（泛醌）广泛存在于动物、植物和微生物的细胞膜中，作为呼吸链电子载体促进ATP合成，还原型CoQ10可清除氧自由基、保护细胞免受氧化损伤，因而在医药、保健品、食品添加剂与化妆品领域广泛使用。市场需求的持续扩张使提高CoQ10产量成为现实需求。
CoQ10的生产方法包括动植物组织提取、化学合成与微生物合成三类。动植物组织提取受原料含量低（15.5–172.6 μg/g）与季节性供应限制；化学合成步骤长、立体选择性差、收率低（26–64%）且使用昂贵原料与大量化学溶剂。微生物合成因含量高、原料便宜易得、易放大而被视为更具商业可行性的方向。
在可产CoQ10的微生物中，PNSB兼具从废水中回收资源的能力、较高CoQ10含量与良好的放大潜力。但PNSB通常通过高密度发酵生产CoQ10，培养基成本占比高，因此寻找廉价替代基质（如非毒性食品加工废水）成为降低成本的路径。
已有综述多聚焦于诱变、代谢工程与异源宿主，对发酵条件优化策略的总结较少，且尚无综述系统讨论PNSB废水处理与CoQ10生产耦合。本综述基于134篇文献（76篇CoQ10相关、68篇PNSB相关，其中65篇PNSB文献中9篇涉及废水处理系统产CoQ10）进行归纳与路线设计。
概念与技术边界
CoQ10（泛醌）
一种脂溶性醌类化合物，由醌环核心与10个异戊二烯单元组成的侧链构成；在呼吸链中传递电子，还原态可清除自由基。
PNSB（紫色非硫细菌）
一类不产氧光合细菌，能利用多种有机碳源，可在光异养、化能异养与混养三种代谢模式下生长。
光异养模式
在光照-厌氧条件（光强9.5–76 μmol/m²·s，DO<0 mg/L）下，以光为能源、有机物为电子供体与碳源。
混养模式
光照与氧气并存（微氧，光强7–56 μmol/m²/s，DO 0.5–1.0 mg/L），光与有机物同时供能。
MEP途径
甲基赤藓醇磷酸途径，合成聚异戊二烯侧链（十异戊二烯焦磷酸）；其限速酶为DXP合成酶与DXP还原异构酶。
莽草酸途径
由磷酸烯醇式丙酮酸与赤藓糖-4-磷酸合成醌环核心，生成对羟基苯甲酸（CoQ10的直接前体）。
泛醌途径
对羟基苯甲酸与十异戊二烯焦磷酸经脱羧、羟化、甲基化等反应缩合成CoQ10。
牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP）
CoQ10与类胡萝卜素合成的共同前体，因此类胡萝卜素合成途径与CoQ10合成途径存在底物竞争。
两阶段溶氧调控
在发酵不同阶段设定不同溶氧水平（如第一阶段45%、第二阶段15%空气饱和度），以先促生长后促积累。
C/N比
碳氮比，PNSB产CoQ10发酵培养基常用范围约为100:5.2–100:2.5。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 文献筛选 | 以CoQ10生产方法、PNSB产CoQ10的影响因素与调控策略、非毒性废水产CoQ10潜力为主题进行系统性文献调查，最终纳入134篇文献（76篇关于CoQ10、68篇关于PNSB，其中65篇PNSB文献有9篇涉及废水处理系统产CoQ10）。 |
| 产法比较 | 从原料来源、原料价格、CoQ10含量或收率、分离纯化流程、优缺点等维度，对动植物组织提取、化学合成、微生物合成三类方法进行对比（Table 1）。 |
| 途径解析 | 解析PNSB的物质与能量代谢途径（EMP、TCA、GAC、ED途径；底物水平磷酸化、光合磷酸化、氧化磷酸化）与CoQ10合成的莽草酸、MEP、泛醌三条支路，定位关键基因与酶。 |
| 调控策略归纳 | 分别归纳“提高生物量”与“提高CoQ10含量”两类策略：碳氮源与C/N比、溶氧、光源/光强/光周期、pH与温度、补料策略、HRT与有机负荷，以及代谢工程改造。 |
| 废水路线设计与经济评价 | 提出非毒性废水培养PNSB并依次提取CoQ10、类胡萝卜素、细菌叶绿素、5-氨基乙酰丙酸与蛋白的路线；依据文献数据计算成本、增值产物价值与利润。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：左侧为还原型CoQ10（泛醇，醌环上两个羟基）与氧化型CoQ10（泛醌，两个羰基）的化学结构，均含醌环及10个异戊二烯单元侧链；右侧为圆形应用分类图，分为补充医学（心血管疾病、肝炎、肿瘤综合治疗、神经系统疾病、抗癌、延缓帕金森与阿尔茨海默进展）、保健品与食品添加剂（提高免疫、抗疲劳、改善精子质量、抗氧化、心血管保护）与化妆品（抗氧化、延缓皮肤衰老）三大板块。
论文结果：论文指出CoQ10的还原型与氧化型之间可相互转换，还原型用于清除氧自由基；其应用覆盖医药、保健品/食品添加剂与化妆品三类场景。
研究意义：该图界定CoQ10的生理功能与下游市场结构，说明其需求横跨医疗与消费品，是后续产量提升研究的价值前提。
图示信息：以周质/膜/细胞质三层结构绘制的PNSB代谢示意图：光能激发P870反应中心，电子经QA→QB→醌池→Cyt bc1→Cyt c2循环传递；CO2经Calvin循环固定；糖与氨基酸经EMP途径代谢，挥发性脂肪酸与醇类经GAC（乙醛酸）循环代谢；质子经ATP合成酶生成ATP；N2经固氮酶还原为NH4+-N；各途径经乙酰辅酶A、3-PG、G-3-P、OAA、苹果酸等中间体汇入中心TCA循环。
论文结果：PNSB同时具备光合电子传递、碳固定与多种有机物代谢通路，其物质代谢包括EMP、TCA、GAC与ED途径，能量代谢包括底物水平磷酸化、光合磷酸化与氧化磷酸化。
研究意义：该图说明PNSB代谢模式的多样性是其在废水处理中兼具污染物降解与生物量合成能力的机制基础；氧与光的可及性决定了各通路活跃程度。
图示信息：三条汇合途径：莽草酸途径（由磷酸烯醇式丙酮酸与赤藓糖-4-磷酸出发，经AroB/Q/E/K/A/C与UbiC等生成对羟基苯甲酸）；MEP途径（由丙酮酸与3-磷酸甘油醛出发，经IspE/D/F/G/H、IdI、IspA、CrtE等生成十异戊二烯焦磷酸）；泛醌途径（两个前体经UbiA/D/G/H/E/F/G修饰生成CoQ10）。
论文结果：CoQ10合成由莽草酸、MEP、泛醌三条支路构成；莽草酸途径的关键酶为分支酸裂解酶（基因UbiC），MEP途径的限速酶为1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶与还原异构酶，泛醌途径中UbiA、UbiE、UbiG为关键基因，氧直接参与中间体2-癸异戊二烯基-3-甲基-6-甲氧基-1,4-苯醌的形成。
研究意义：该图为代谢工程改造提供靶点：可通过增强前体供给、敲除竞争支路或过表达关键基因提升CoQ10含量；同时提示氧是CoQ10合成的必需底物。
图示信息：对比动物组织提取、植物组织提取、全化学合成、半化学合成、微生物合成（天然菌株与异源宿主）六类方式的原料、原料价格、CoQ10含量或收率、分离纯化流程与优缺点。
论文结果：动物组织提取CoQ10含量15.5–172.6 μg/g、原料价0.8–5 USD/kg；植物组织提取5.6–34.5 μg/g、原料价0.47–14 USD/kg；全化学合成收率26%（原料香叶醇5–80 USD/kg），半化学合成收率53–64%（原料茄尼醇20–200 USD/kg）；微生物合成中天然菌株含量0.68–88.8 mg/g、原料价0.5–15 USD/kg，异源宿主0.56–10.7 mg/g。微生物合成法含量比动植物组织提取高约4–2697倍。
研究意义：该表确立微生物合成在含量、原料成本与放大性上的相对优势，同时指出异源宿主终产物纯度低、分离纯化复杂，故含CoQ10的天然菌株仍是首选。
图示信息：Table 2按菌株、基质、C/N比、光氧条件、规模、策略列出PNSB生物量与CoQ10产量及提升幅度；Table 3列出CoQ10含量、产量及提升率。
论文结果：Table 2中：R. sphaeroides HY01在100 L中试、暗-曝气条件下经磷酸盐限制（磷酸二氢钾0 g/L）使CoQ10产量达272 mg/L（+43.1%）；R. sphaeroides KACC 91339P在150 L中试、光-厌氧、30 ℃、200 rpm下生物量6.72 g/L、CoQ10 54.6 mg/L（+184.6%）；R. sphaeroides在80,000 L工业规模、暗-微氧、糖8%(w/v)、铵态氮0.16–0.26%、ORP −200 mV下生物量88.5 g/L、CoQ10 770.0 mg/L；补料培养（糖蜜10±1 g/L）使生物量18.6 g/L、CoQ10 83.8 mg/L（+90.0%）。Table 3中：R. palustris J001两阶段溶氧（45%/15%）使CoQ10含量1.31 mg/g、产量89.1 mg/L（+585.0%）；R. sphaeroides共表达gapA-1与vgb使含量13.34 mg/g、产量163.5 mg/L（+136.0%）；过表达3-脱甲基泛醌-9 3-甲基转移酶使含量4.98 mg/g、产量65.8 mg/L（+38.2%）；加入20%(v/v)烟草生物质水解物使含量9.21 mg/g、产量20.4 mg/L（+108.1%）。
研究意义：两类策略分别作用于生物量与胞内含量，同一菌株在不同策略下提升幅度差异明显；工业规模数据（88.5 g/L生物量、770 mg/L CoQ10）表明高密度发酵是当前的真实产量上限。
图示信息：按菌株、废水类型及特征、C/N比、规模、操作参数、最优参数、污染物去除率、CoQ10含量与产量列出废水体系结果。
论文结果：Rhodopseudomonas处理人工糖废水（COD 9313 mg/L、NH4+ 424 mg/L、TP 91 mg/L，C/N 100:4.5，0.5 L，3 h光/3 h暗）时CoQ10含量88.8 mg/g、产量124.72 mg/L，COD去除60%、NH4+去除25%；Rhodopseudomonas处理人工糖废水（COD 6650 mg/L，DO 4–8 mg/L）CoQ10 23.5 mg/g、38.6 mg/L，COD去除93%、NH4+去除83%；R. sphaeroides CQ-09-1以甜高粱汁酸解液为基质（总糖80.0 g/L、CSP 12.00 g/L、30.0 ℃、pH 7.00）CoQ10产量141.95 mg/L；混合菌株200 L室内中试啤酒废水（pH 7.0、光强24 W/m²、DO 0.2–0.5 mg/L、接种330 mg/L）CoQ10含量42.7 mg/g、产量75.9 mg/L，COD去除>90%；同体系室外中试含量30.0–45.2 mg/g、产量23.1–125.8 mg/L；240 L中试膜生物反应器（光-微氧、HRT 72 h、接种1200 mg/L、OLR 1.0 g/L/d）CoQ10含量38.6 mg/g。
研究意义：废水体系可获得与纯培养相当的CoQ10含量（最高88.8 mg/g），但产量受生物量限制普遍偏低；中试规模与长期运行数据支持放大可行性。
图示信息：流程图：食品加工厂非毒性废水→平板光生物反应器（人工光25.2–110.2或太阳光81.8–811.6 μmol/m²/s；微氧DO 0.5–1 mg/L；C/N 100:5.7–100:2.2；COD 220–9313 mg/L；NH4+ 50–424 mg/L；TP 5–91 mg/L）→PNSB分离→清水/再生水用于灌溉；收获的PNSB细胞依次提取蛋白、CoQ10、类胡萝卜素、细菌叶绿素与5-氨基乙酰丙酸，残余菌体作肥料。
论文结果：该路线在培养条件上采用微氧（DO 0.5–1 mg/L）与C/N 100:5.7–100:2.2，与PNSB产CoQ10发酵的适宜C/N比范围内（100:5.2–100:2.5）相符，因此理论上非毒性废水可替代发酵培养基。
研究意义：该图给出将废水处理、CoQ10生产与多产物联产耦合的工艺框架；其核心可行性依据是废水C/N比与发酵培养基的重合，以及PNSB在非毒性废水中可正常生长。
图示信息：上下两块对比：上方传统发酵路线（培养基→PNSB发酵→CoQ10与发酵残液），优势为PNSB纯度高、生物量高、技术成熟，局限为培养基成本高、CoQ10含量低、产生发酵残液、需人工光源与温控；下方废水路线（食品厂废水→PNSB处理→分离→清水与细胞用于产物提取及肥料），优势为无培养基成本、CoQ10含量高、可获得清洁水、降低光照与温控成本，局限为PNSB生物量低、存在其他微生物、安全性需验证、公众接受度未知。
论文结果：论文指出两条路线的主要差异在于培养基与光照供给：废水路线使用免费废水并可利用日间太阳光降低照明成本，且不产生多余发酵液、避免二次污染；但生物量与菌纯度是其主要短板。
研究意义：该图把两条路线的优劣并置，明确了废水路线在成本与环境上的收益以及在生物量、安全性与公众接受度上的待解问题。
图示信息：分三部分：(a)各处理环节成本（PNSB培养、收获、干燥、依次提取CoQ10/类胡萝卜素/细菌叶绿素/5-ALA/蛋白/残余菌体）；(b)增值产物潜在价值；(c)路线利润与节省的废水处理成本。
论文结果：总成本53.50–57.57 USD/kg-生物量（其中培养基0、照明0–1.9、曝气0.06–0.13、收获0.3–2.2、干燥0.1–0.3、依次提取环节43.63、0.12、0.11、5.08、4.10、残余菌体0）；增值产物总价值42.38–115.95 USD/kg-生物量（CoQ10 21.15–79.92、类胡萝卜素9.25–19.61、细菌叶绿素0.16–0.18、5-ALA 3.35–5.90、蛋白0.47–1.14、肥料8–9.2）；最终利润−11.12至+58.38 USD/kg-生物量，折合−15.57至+81.74 USD/t-废水，另可节省废水处理成本0.7–3.0 USD/t-废水。
研究意义：按CoQ10含量23.5–88.8 mg/g测算，当PNSB生物量与CoQ10含量分别高于1.4 g/L与49.65 mg/g时路线可盈利；成本的绝对主体是增值产物依次提取环节（43.63 USD/kg-生物量），而非培养环节。
机制小结
- CoQ10合成由莽草酸（醌环核心）、MEP（异戊二烯侧链）与泛醌（缩合修饰）三条支路组成，前体磷酸烯醇式丙酮酸、3-磷酸甘油醛与丙酮酸来自EMP或ED途径，因此糖代谢强弱直接影响前体供给。
- GGPP是CoQ10与类胡萝卜素的共同前体，类胡萝卜素高积累会分流底物、降低CoQ10积累；抑制crt基因或过表达ppsR可缓解竞争。
- 氧既参与泛醌途径中中间体的形成（直接底物），又通过影响TCA循环与氧化磷酸化决定生物量；低溶氧（<1.0 mg/L）时PNSB细胞膜增厚，为CoQ10提供更多合成与承载空间。
- 光通过光合电子传递链提供能量并维持PNSB在混合菌群中的优势；光异养与混养模式下CoQ10积累优于化能异养模式。
- CoQ10含量与电子传递链活性及NADH/NAD+比值相关，改造电子传递链（如敲除sdhB、共表达gapA-1与vgb）可提高含量与产量。
- 溶氧与光照共同决定PNSB的代谢模式（光异养/化能异养/混养），进而同时决定生物量产量、污染物去除效率与CoQ10积累水平。
工程与产业含义
- 反应器选择：PNSB生物量生产常用透明光生物反应器（摇瓶、平板、管式、圆柱式）；CoQ10生产常用摇瓶、搅拌罐发酵器与气升式生物反应器，后两者配备温度、DO、ORP、pH实时监测与智能调控。
- 平板光生物反应器光程短、受光面积/体积比高、结构简单且可用廉价透明塑料袋作材料，被认为最可能成为未来PNSB培养的主流反应器。
- 管式反应器受光面积大但投资与运行成本高，阻碍其放大应用；圆柱式反应器传质效率高、混合均匀，但直径增大后光照供给下降，需通过曝气与机械旋转优化流体动力学。
- 分离纯化：PNSB细胞先离心、冻干、破碎得干菌粉，再用溶剂提取；从1 mL发酵液提取CoQ10可消耗9 mL乙醇、4 mL乙酸乙酯-乙醇（5:3）混合液或2 mL含12种有机溶剂的混合液；粗提物纯度83%可经乙醇洗脱结晶提升至约97.0%。
- 乙醇因价格低于乙酸乙酯、丙酮、己烷与乙醚且环境危害更小，被推荐为PNSB中CoQ10分离纯化的溶剂。
- 运行参数参考：pH 6.0–9.0、温度23–39 ℃、连续废水处理系统最优HRT 60 h与OLR 2.48 g/L/d；光生物反应器常用pH 6.8–8.5、ORP −300至+50 mV、DO≤2.0 mg/L、温度4–35 ℃。
- 成本优化重点在于分离纯化环节（估计占CoQ10生产成本50%以上）与培养基替代，而非反应器本身；现有分离纯化方法尚无工业规模经济性数据。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 以食品加工类非毒性废水（制糖、大豆、啤酒等）为基质培养PNSB并联产CoQ10与其他增值产物。
- 以R. sphaeroides等天然菌株进行高密度发酵生产CoQ10，尤其是已在中试（150 L）与工业（80,000 L）规模验证的工艺。
- 需要同时实现污染物去除、生物量回收与多产物联产的废水处理场景。
- 以代谢工程手段（过表达MEP途径关键酶、改造电子传递链、缓解类胡萝卜素竞争）提升胞内CoQ10含量的菌株改造研究。
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 以CoQ10为唯一目标产物、要求产量>500 mg/L的商业化生产场景——当前废水路线产量仅23.1–141.95 mg/L。
- 含毒性组分或高色度、高浊度的废水，可能影响光穿透与菌体生长。
- 对产物纯度与食品安全要求高但缺少毒理学与菌纯度保障的场合。
- 缺少可靠光照或温度控制条件、无法维持微氧环境的开放场景。
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 废水路线CoQ10产量（23.1–141.95 mg/L）难以满足商业需求（>500 mg/L），根因是废水体系生物量偏低（1.40–2.07 g/L，标准培养基可达8–10 g/L）。
- 低生物量可能与废水C/N比或pH不当、组分复杂、高色度影响光穿透、浊度以及光生物反应器构型有关，尚未系统厘清。
- 废水中PNSB菌株纯度难以保证，多菌与混菌体系均需有效措施以降低下游成本、简化分离。
- 废水所产CoQ10的安全性评价不足，仅有对鱼类的急性毒性阴性结果与光合细菌替代鱼粉的报道，尚需系统毒理学研究。
- 分离纯化成本估计占CoQ10生产成本的50%以上，但缺乏工业规模经济性数据；现有方法依赖有机溶剂且新型柱层析难以放大。
- 经济测算依赖文献数据推算，利润区间宽（−11.12至+58.38 USD/kg-生物量），存在不确定性。
- 不同PNSB菌株的最适策略不同，代谢工程高产优势能否在发酵或废水过程中维持尚未明确。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
原文致谢国家自然科学基金（52070067、518611255103）；补充数据见 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127326；作者声明无已知竞争性财务利益或个人关系。