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pH 与自然昼夜光照循环驱动光合菌混合菌群产蛋白：单细胞蛋白与高浓度工艺水 | 彭博士工具屋

以非无菌紫色非硫细菌（PNSB）混合菌群处理高浓度费托合成工艺水（FSPW，COD 5-10 g/L、COD:N 最高 59:1），在微氧与自然昼夜光循环、不同 pH 条件（7.5、8.0、8.5 及不调 pH）下进行 72 h 批次与补料分批试验。生物量达 1.1-1.4 gVSS/L，COD 去除 771-1526 mg/L/d、氨氮去除 16-56 mg/L/d，Rhodopseudomonas sp. 占比最高 52%。蛋白占总生物量 41%-56%（pH 波动组 56% 最高），脂质 23%-37%，碳水 10%-13%，色素 <2.5%。

紫色非硫细菌单细胞蛋白混合菌群光周期高浓度工业废水
💡 核心结论：非无菌 PNSB 混合菌群可在自然昼夜光循环与 pH 波动（直至约 8.5）下处理 COD 5-10 g/L 的高浓度工艺水，生物量 1.1-1.4 gVSS/L、蛋白含量 41%-56%，且蛋白与脂质在光照循环/波动条件下不降反升。
📑 目录
文献信息要点速览背景与问题概念边界体系与方法结果逐条解读机制小结工程含义适用场景局限声明来源

文献信息

英文题名
Harnessing pH and light cycles to boost microbial protein production in mixed culture purple non-sulfur bacteria wastewater bioremediation
作者
Ojima Zechariah Wada, Annette Shoba Vincent, Gordon Mckay, Hamish Robert Mackey
期刊 / 年份
Journal of Water Process Engineering 2025
DOI
10.1016/j.jwpe.2024.106785
卷期 / 页码
Vol. 69, 106785
单位
Hamad Bin Khalifa University (Qatar Foundation)；Carnegie Mellon University in Qatar；University of Canterbury, New Zealand
一句话概括：在 1 L 微氧光生物反应器中用适应高浓度废水的 PNSB 混合菌群开展 5 天 pH 批次、3 天光周期批次及三轮补料分批试验，系统比较恒定 pH（7.5/8.0/8.5）与不调 pH、连续光照与 12 h 昼夜循环对污染物去除、生物量组成（蛋白/脂质/碳水/色素）与 PNSB 选择性的影响。

一图不看也要知道的几件事

  • 原料费托合成工艺水（FSPW）COD 5-10 g/L，pH 约 3.5，几乎不含 N、P；进料为 84% 未稀释 FSPW 加 1.7%（v/v）ATCC 微量元素与维生素，补加至 220 mg-NH4+/L、70 mg-PO4/L、500 mg-HCO3-/L，COD:N:P 为 100:1.72:0.22 至 100:3.45:0.45。
  • 全试验生物量浓度 1.1-1.4 gVSS/L；COD 去除率 771-1526 mg-COD/L/d，氨氮去除 16-56 mg-NH4/L/d（综述范围 17.5-56 mg/L/d）。
  • 恒定 pH 组 pH 7.5 生物量最高（1.4 ± 0.4 g/L），产率 0.48 ± 0.09 gCOD/gCOD，优于 pH 8.5（0.43 ± 0.04）与 pH 8.0（0.41 ± 0.02）。
  • 光周期组 24 h 连续光表现最佳：OD620 3.9 ± 0.4、倍增时间 7.1 ± 0.7 h、比生长速率 0.1 ± 0.01 h-1、生物量 1.4 ± 0.2 gVSS/L、产率 0.4 ± 0.1 gVSS/gCOD（折 0.57 gCOD/gCOD）。
  • 不调 pH 的 24 h-Lno pH 组生物量增长略低（p > 0.05）但可维持运行，pH 在试验末升至约 8.5，残余氮 30-60 mg/L，氨挥发被认为可忽略（挥发通常需 pH > 9.5）。
  • 蛋白是生物量主体（41%-56%）：pH 组间无显著差异（43%-44%），而不调 pH 组最高（55 ± 0.9%）、12 h 光周期组 48%，连续光恒定 pH 组最低（41 ± 0.04%）。
  • 脂质 19%-37%（干重），12 h-D/L 组最高（>36.6 ± 7.8%），不调 pH 与 12 h-L/D 组最低（23%）；主要为 C16-C18 不饱和脂肪酸。
  • 碳水 10%-13%、类胡萝卜素 3-6 mg/g、细菌叶绿素 7-23 mg/g（占干重 <2.5%）。
  • Rhodopseudomonas sp. 为优势属，24 h-L 组 52%、pH 7.5 组 44.9 ± 11.9%；其丰度与污染物去除率、生物量、色素含量正相关。
  • 补料分批（30%、40%、50% 换料）中 24 h-Lno pH 组适应性最好、末轮生物量提升 47%；24 h-L 组蛋白由第 1 轮 41% 升至第 4 轮 52%。
  • VFA 偏好顺序为乙酸 > 丙酸 > 戊酸 > 丁酸，异丁酸与甲酸几乎不降解。

研究背景与要解决的问题

紫色非硫细菌（PNSB）依靠光异养代谢可高效同化废水中的碳、氮、磷，生物量产率接近 1 g 生物量/g 有机碳，且生物量蛋白含量常报告 >50%，是极具潜力的单细胞蛋白来源。

现有 PNSB 资源化研究多使用纯菌（axenic）培养与人工恒定光照、严格调控 pH/DL 等条件，人工照明能源成本可达 1.9 USD/kg 生物量，超过产物潜在收益，且灭菌与预处理限制其规模化。

已有混合菌群研究多处理农业与市政废水（SCOD < 2 g/L），缺乏对高浓度工业废水（惰性固体、重金属、难降解有机物风险）的验证，也缺乏对 pH 波动的系统评估。

本研究选取加氢裂化/气转液（GTL）装置的费托合成工艺水（FSPW）：因源自纯合成过程而无常规污染物，水质温和且在海湾地区量大（全球 40% GTL 装置在此），COD 5-10 g/L、几乎不含 N/P，适合检验 PNSB 在无预处理、非无菌、自然光照条件下的可行性与资源化潜力。

概念与技术边界

PNSB（紫色非硫细菌）
一类能进行光合作用的细菌，偏好以光为能源、有机物为碳源的光异养代谢；可在厌氧/微氧下生长，对高浓度有机物耐受性强。
FSPW（费托合成工艺水）
气转液工艺中产生的废水，COD 5-10 g/L，主要为挥发性脂肪酸（51%）与醇类（45%），pH 约 3.5、缺氮磷，但无常规污染物。
光周期 / 昼夜循环
模拟自然日照的明暗交替（如 12 h 光/12 h 暗），区别于实验室常用的 24 h 连续光照。
PNSB 选择性（prevalence）
混合菌群中 PNSB 相对丰度占比，用于衡量其相对于好氧异养菌的竞争优势。
光异养 vs 化能异养
光异养以光供能、同化有机物为生物量（PNSB 偏好，效率高）；化能异养靠氧化有机物产能（好氧异养菌在暗期占优，产率较低）。
COD:N:P 比
进水碳氮磷质量比，常规活性污泥最优约 100:5:1，本研究刻意采用 100:1.72:0.22-100:3.45:0.45 的缺营养条件以模拟真实水质。

体系与方法

环节做法与参数
废水与接种FSPW 取自多哈 GTL 厂（日产约 40,000 m3），4 ℃ 保存、不预处理直接使用；接种物为来自本地红树林微生物垫、以 Rhodopseudomonas sp. 为主（16S 相对丰度 >50%）的非无菌菌群，经营养强化 FSPW 驯化逾一年；起始接种浓度 50 mg VSS/L。
反应器与运行4 台 1 L 圆柱形光生物反应器（Multifors, Infors），工作体积 700 mL，30 ℃，搅拌 300 rpm；LED 光源辐照度 22 W/m2（400-500 nm 15.9%、501-600 nm 37.5%、601-700 nm 40.5%、NIR 700-1100 nm 6.1%）；不吹扫除氧，1 h 内 DO 由 100% 降至 <2%，全程 ≤1.5%（均值约 0.8 mg/L）。
试验分组pH 批次（5 天）：R7.5/R8.0/R8.5 连续光照；光周期批次（3 天）：12 h-L/D、12 h-D/L、24 h-L、24 h-Lno pH（起始约 7.5、此后不调）；随后三个补料分批循环，各 72 h，分别更换 30%、40%、50% 进料。
分析与统计DO/pH/温度在线监测；OD620 测生长；COD（重铬酸钾微消解）、TOC/TN（TOC-L）、VFA（离子色谱）；蛋白用改良 Lowry 法、碳水用蒽酮法、脂质用 Bligh & Dyer 法，脂质谱用 GC（Nexis GC-2030）与 NIST 库比对；色素用丙酮/丙酮-甲醇萃取分光测定；16S rRNA（DNeasy PowerBiofilm + Ion 16S 试剂盒 + IonS5 + QIIME2-2021.8 + SILVA）分析菌群；组间比较用单因素 ANOVA、Levene 检验与 Tukey 事后检验（95% 置信区间）。

主要结果（原文图表逐条解读）

Fig. 1.（A）第 2 天 pH 7.5、8.0、8.5 的发酵液外观（Run 2）；（B）pH 试验的生物量浓度；（C）重复试验的 OD620；（D）Run 2 的 OD620 逐日变化。
Fig. 1.（A）第 2 天 pH 7.5、8.0、8.5 的发酵液外观（Run 2）；（B）pH 试验的生物量浓度；（C）重复试验的 OD620；（D）Run 2 的 OD620 逐日变化。
图示信息：A 为三支离心管中 Day 2 发酵液的实拍照片（管上标注 7.5、8、8.5），颜色由 pH 7.5 的深橙红逐渐变为 pH 8 的浅橙、pH 8.5 的苍白；B 为分组柱状图（蓝=7.5、橙=8、灰=8.5），横轴 Day 0/Day 2/Day 5，纵轴生物量浓度 0-1800 mg/L；C 为 OD620 折线图（横轴 Day 0-5，纵轴 0-5）。
论文结果：pH 7.5 与 8.0 组增殖最快，48 h 内生物量超过 600 mgTSS/L，72 h 进入指数生长峰值；pH 8.5 组明显滞后，第 2 天生物量不足 100 mgTSS/L，但到第 5 天生物量与峰值 OD620 与 pH 8.0 相近。试验末 pH 7.5 平均生物量最高（1.4 ± 0.4 g/L），pH 8.0 与 8.5 相近（均 1.2 ± 0.1 g/L）。（具体柱值以正文/表 2 为准）
研究意义：证实 pH 7-8 最利于 PNSB 快速启动（无明显滞后期），而 pH 8.5 存在约 48 h 的适应滞后期、但最终可达到相当生物量，说明碱性条件下系统仍可运行；发酵液颜色随 pH 变浅提示色素（类胡萝卜素/细菌叶绿素）含量下降。
Fig. 2.（A）批次试验组的倍增时间与比生长速率；（B）各批次组的 OD620 生长曲线；（C）各批次组的终生物量浓度与生物量产率。
Fig. 2.（A）批次试验组的倍增时间与比生长速率；（B）各批次组的 OD620 生长曲线；（C）各批次组的终生物量浓度与生物量产率。
图示信息：A 为四组（12 h D/L、12 h L/D、24 h L、24 h L no pH）柱状（倍增时间，左轴 0-18 h）+折线（比生长速率，右轴 0-0.12 h-1）；B 为 OD620 生长曲线（0-72 h，纵轴 0-5）；C 为 VSS 柱状（左轴 0-1800 mg/L）+产率折线（右轴 0-0.6 gVSS/gCOD）。
论文结果：24 h-L 组最优：倍增时间约 7.1 h、比生长速率约 0.1 h-1、72 h OD620 约 3.9、VSS 约 1.4 gVSS/L、产率约 0.4 gVSS/gCOD；24 h-Lno pH 组各项略低（p > 0.05）；12 h D/L 组倍增时间 11.3 ± 0.4 h、生物量 1.1 ± 0.08 gVSS/L；12 h L/D 组最慢（比生长速率 0.04 h-1）。
研究意义：连续光照下的光异养代谢显著优于昼夜循环；不调 pH 仅带来轻微性能损失，说明减少 pH 调控具有可行性；12 h 循环组产率偏低反映更多 COD 经氧化磷酸化用于产能而非生物量合成。
Fig. 3. 72 h 批次 pH 与光周期试验的日均污染物去除率。
Fig. 3. 72 h 批次 pH 与光周期试验的日均污染物去除率。
图示信息：A：（pH 7.5/8/8.5）分组柱（TN、TP 去除，左轴 0-70 mg/L/d）+虚线（COD 去除，右轴 0-1800 mg/L/d）；B：（12 h D/L、12 h L/D、24 h L、24 h L no pH）分组柱（TOC、COD，左轴 0-1400 mg/L/d）+折线（TN，右轴 0-70 mg/L/d）。图中标注数值：pH 7.5 TN 53.9、TP 15.5、COD 1526；pH 8 TN 47.4、TP 16.3、COD 1490；pH 8.5 TN 17.5、TP 15.5、COD 1325。
论文结果：pH 组中 pH 7.5 去除率最高（COD 1526、TN 53.9、TP 15.5 mg/L/d），pH 8.5 的 TN 去除降至 17.5 mg/L/d；光周期组中 24 h-L 最高（COD 1070、TN 56、TOC 308），12 h L/D 最低（COD 771、TN 43、TOC 215），12 h D/L（COD 939、TN 52）优于 12 h L/D。
研究意义：污染物去除与生物量、PNSB 丰度趋势一致，说明 PNSB 富集直接决定处理性能；pH 8.5 的氮去除显著下降，暗示高 pH 对氨氮同化不利（未出现明显氨挥发，因 pH 未超 9.5）。
Fig. 4.（A）光周期批次试验的生物量大分子组成；（B）光周期批次试验的生物量色素浓度；（C）补料分批循环中的生物量蛋白含量；（D）补料分批循环中的生物量碳水含量。
Fig. 4.（A）光周期批次试验的生物量大分子组成；（B）光周期批次试验的生物量色素浓度；（C）补料分批循环中的生物量蛋白含量；（D）补料分批循环中的生物量碳水含量。
图示信息：A 纵轴生物量组成（%）；B 左轴类胡萝卜素（mg/g）、右轴细菌叶绿素（mg/g）；C 纵轴生物量蛋白（%）；D 纵轴生物量碳水（%）。
论文结果：蛋白占 41%-56%，不调 pH 组最高 55 ± 0.9%、12 h 光周期组 48%、连续光恒定 pH 组最低 41 ± 0.04%；脂质 19%-37%（12 h-D/L 最高 >36.6 ± 7.8%，不调 pH 与 12 h-L/D 最低 23%）；碳水 10%-13%；pH 7.5 色素最高（细菌叶绿素 10.7 ± 3.1 mg/g、类胡萝卜素 4.9 ± 2.0 mg/g），pH 8.5 最低（7.1 ± 0.5、3.2 ± 1.1 mg/g）。补料分批中 24 h-L 组蛋白由 41% 升至 52%，不调 pH 组维持 56%。
研究意义：蛋白在条件波动（pH 波动、明暗交替）时反而升高，可能源于周期性代谢切换诱导的酶合成与应激响应；脂质主要受光照循环而非 pH 影响；色素含量与 PNSB 富集程度对应，色素可提升生物量价值（抗氧化、改善畜禽免疫与繁殖）。
Fig. 5. 分类学图，展示（A）pH 组与（B）光周期组中相对丰度 ≥1% 的属水平组成。
Fig. 5. 分类学图，展示（A）pH 组与（B）光周期组中相对丰度 ≥1% 的属水平组成。
图示信息：A 为 pH 7.5/8/8.5 三组的水平条形图（横轴相对丰度 0-60%），含 Rhodopseudomonas、Paludibacter、Acinetobacter、Pseudomonas、Delftia、Aeromonas、Chryseobacterium 等；B 为 24 h Lno pH、24 h L、12 h L/D、12 h D/L 四组的水平条形图，含 Rhodopseudomonas、Paludibacteraceae、Pseudomonas、uncultured Fluviicola、Clostridium sensu stricto、Pleomorphomonas、Acinetobacter 等。
论文结果：恒 pH 组 PNSB 丰度随 pH 升高下降：pH 7.5 为 44.9 ± 11.9%、pH 8.0 为 38.8 ± 4.2%、pH 8.5 为 33.3 ± 4.5%；光周期组依次为 24 h-L 52%、24 h-Lno pH 31%、12 h D/L 26%、12 h L/D 16%。异养菌中 Pseudomonas 在 12 h-L/D 最高（36%）、Paludibacter 在 12 h-D/L 最高（28.3%）；pH 8.5 时 Acinetobacter 升至 22%（低 pH 组 <6%）；不调 pH 组 Paludibacter 15%（24 h-L 仅 2%）、Fluviicola 22%；Clostridium 仅在 12 h-L/D 显著（12%）。
研究意义：PNSB 丰度与去除率、生物量、色素趋势一致，且在 pH 8.5 与光照循环下仍保持约 1/3 以上占比；暗期采样会低估/高估不同组的 PNSB 丰度（12 h-D/L 在光期末采样、12 h-L/D 在暗期末采样）；发酵菌（Paludibacter）产 VFA 与 PNSB 形成互养关系，支撑污染物降解。
Table 1（实验设计）、Table 2（各组关键结果汇总）——原表未能提取为图片，仅文字解读。
图示信息：Table 1 列出 pH 批次（R7.5/R8.0/R8.5，5 天，连续光）、光周期批次（12 h-L/D、12 h-D/L、24 h-L、24 h-Lno pH，3 天）与补料分批（第 1 轮 92 h，随后 2-4 轮各 72 h，分别移除 30%、40%、50% 生物量）的设计；Table 2 汇总比生长速率、生物量、产率、COD/N 去除率、蛋白/脂质/碳水/色素与 PNSB 占比。
论文结果：Table 2 汇总值：比生长速率 0.1/0.09/0.06/0.04 h-1（24 h-L / 24 h-Lno pH / 12 h-D/L / 12 h-L/D）；生物量 1.4/1.2/1.1/1.1/1.4/1.2/1.2 gVSS/L；产率 0.57/0.53/0.47/0.50/0.48/0.41/0.43 gCOD/gCOD；COD 去除 1070/1013/939/771/1526/1490/1325 mg/L/d；N 去除 56/53/52/43/54/47/18 mg/L/d；蛋白 41/55/48/48/44/43/43%；脂质 32/23/23/36/21/19/19%；碳水 13/11/10/11/11/13/13%；类胡萝卜素 6/4/3/4/5/5/3 mg/g；细菌叶绿素 19/23/13/17/11/10/7 mg/g；PNSB 占比 52/31/26/16/45/39/33%。
研究意义：汇总表用于跨条件对比，显示处理性能、生物量与 PNSB 选择性在 pH 7.5 与连续光照下最优，而蛋白/脂质在波动与光照循环条件下更高；同类参数在不同条件下的差异可作为工艺选择的依据。

机制小结

  • PNSB 偏好光异养代谢：以光子供能、将有机碳主要转化为细胞组分，故在光照充足时生物量产率与浓度更高，产率可接近 1 g 生物量/g 有机碳。
  • 暗期好氧异养菌（AHB）易占优，PNSB 选择性下降；光照循环组中大量 COD 经氧化磷酸化用于产能，导致生物量产率降低。
  • PNSB 与发酵菌（如 Paludibacter）形成互养：后者将复杂有机物水解发酵为乙酸、丙酸等 VFA，供 PNSB 直接利用，24 h 连续光下二者达到较平衡的共生关系。
  • pH 波动（不调 pH，升至约 8.5）构成周期性环境胁迫，可能通过应激/适应性机制诱导酶合成，从而提高蛋白含量。
  • PNSB 的类胡萝卜素位于捕光复合物 2，可吸收宽光谱可见光；NIR 光选择性利于 PNSB 抑制其他微生物，但本试验 LED 的 NIR 仅约 6%，限制了选择性上限。
  • 高 pH 下 Acinetobacter、Paludibacter 等异养菌丰度上升并与 PNSB 呈反向关系，间接降低 PNSB 占比与色素含量。

工程与产业含义

  • 无需废水预处理与灭菌，可直接处理高浓度 FSPW，显著提升大规模 PNSB 工艺的可行性与经济性。
  • 不调 pH 条件下仍能维持 >50% 蛋白与约 1/3 以上 PNSB 占比，可省去 pH 调控成本；连续光照性能最好，但昼夜循环下蛋白/脂质更高，利于户外自然光照场景。
  • 生物量同时富含蛋白与脂质（C16-C18 不饱和脂肪酸），可走动物饲料与生物柴油两条价值路径，降低对单一产品的依赖。
  • 补料分批证明系统长期稳定性（30%/40%/50% 换料下去除率维持），不调 pH 组在迭代中适应性增强、生物量提升 47%。
  • 可推广至其他缺营养难处理工业废水（棕榈油厂废水、造纸、啤酒、酿酒废水等）；海湾地区日照长、辐照强，适合自然光照运行。

适用与不适用场景

✅ 适用场景
  • 高浓度、缺氮磷但水质温和的工业工艺废水（如 GTL/FSPW 类）的同步处理与单细胞蛋白/脂质回收
  • 光照充足、气温较高（约 30 ℃ 代表热带与中东）地区的户外或半户外光生物反应器
  • 希望减少灭菌、pH 调控与人工照明成本、追求规模化可行性的混合菌群工艺
  • 需要同时产出饲料蛋白与生物柴油原料的双价值生物炼制场景
⚠️ 不适用 / 需谨慎
  • 含重金属、病原体、难降解有机物等需严格灭菌/安全评估的废水（饲料用途需谨慎）
  • 光照不足或日照时数少的地区（需补充人工照明，增加能耗成本）
  • 追求极高 PNSB 纯度（>70%）的场景——本系统最高仅 52%，需更严格厌氧、NIR 过滤或更长时间优化
  • 强光照地区未加光过滤时可能出现光抑制，需评估

局限与不确定性

作者未解决 / 需要读者注意的问题
  • 试验为 1 L 台架规模、批次与补料分批，未验证连续/半连续运行及大型光生物反应器的光分布与生物量持留问题。
  • LED 光源 NIR 占比低（约 6%），PNSB 选择性最高仅 52%，结果不能直接外推到自然阳光（NIR 更高）或 NIR 强化条件下的表现。
  • 温度固定在 30 ℃，未考察温度波动；对照的纯培养/其他废水数据来自不同来源，横向比较存在条件差异。
  • PNSB 丰度受采样时点（光期/暗期）影响，可能造成组间比较偏差。
  • 未评估生物量作为饲料的安全性（重金属、病原、抗营养因子等）与下游提取、经济性。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

数据按要求可提供（Data will be made available on request）。经费：卡塔尔国家研究基金（QNRF，grant MME01-0910-190029）；壳牌研究与技术中心提供技术与资金支持。利益冲突：作者声明无已知竞争性经济利益或个人关系。文章为 CC BY-NC 开放获取，发表于 Journal of Water Process Engineering 69 (2025) 106785。

来源与链接

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