文献信息
英文题名
Purple non-sulfur bacteria technology: a promising and potential approach for wastewater treatment and bioresources recovery
作者
Haifeng Lu, Guangming Zhang, Shichao He, Ruihan Zhao, Da Zhu
期刊 / 年份
World Journal of Microbiology and Biotechnology 2021
DOI
10.1007/s11274-021-03133-z
卷期 / 页码
37: 161
单位
中国农业大学水利与土木工程学院、农业农村部设施农业工程重点实验室；中国科学院环境生物技术重点实验室；河北工业大学能源与环境工程学院；南通聚益成广生物科技有限公司
一句话概括：系统梳理 PNSB 的代谢特性、废水处理与生物量产率、光/氧/负荷/HRT 等关键影响因素、可回收的高值产物与半个世纪的规模化历程，并指出放大、经济性与安全评估等未来挑战。
一图不看也要知道的几件事
- PNSB 在多数研究中 COD 去除率 >80%、氮去除率 >60%；市政废水 PO₄³⁻ 可由 6.0–10.0 降至 <0.5 mg/L（去除 >94%）。
- 生物量产率典型范围 500–4800 mg/L、日产率 100–1200 mg/L/d、产率 0.15–1.0 g-biomass/g-COD removal；均值分别为 2926.2 mg/L、549.54 mg/L/d、0.56。
- 光微氧条件下 COD 去除与日生物量产率较其他光氧条件分别提高 15.0%–52.0% 与 58.5%–171.8%，氮回收率提升至 70.9%，CO₂ 排放较传统活性污泥法降低 62.6%。
- 红光（850 nm 近红外）使 COD 去除与生物量生产较其他光谱分别提高 6.5%–41.8% 与 7.6%–94.5%，并缩短 HRT 2 天；红光 LED 较白炽灯省电 77.5%。
- 最优光强 2000–5000 lux；光暗周期 2:1 使生物量较其他周期提高 11.1%–114.5%。
- OLR 适用范围 0.03–4.0 g-COD/L/d；高负荷废水 HRT 可延至 10 d，低负荷废水可缩短至 11–22 h。
- C/N 初始比范围 100:0.02–100:12.5，消耗比 100:0.54–100:35（多数为 100:6–100:20）。
- 微量元素：20 mg/L Fe²⁺ 使 HRT 缩短 25%、生物量提高 50%；10% Mg²⁺ 使生物量与产率分别提高 70% 与 60%。
- 高值产物价格：单细胞蛋白液 600、粉 1200 美元/kg；类胡萝卜素 50–150；CoQ10 粉 180–230、胶囊 5000–7000；5-ALA 1000–2500 美元/kg。
研究背景与要解决的问题
全球废水产生量持续增加，废水中富含被浪费的碳、氮、磷。现有处理（>90% 为生物处理）主要目标是净化，COD 被氧化为 CO₂ 并转化为剩余活性污泥，造成资源浪费、二次污染与高处置成本。
新兴资源回收技术包括高速活性污泥（HRAS，侧重碳捕获）、微藻废水处理（吸收氮磷与 CO₂ 产油脂/肥料）和 PNSB 废水资源回收。PNSB 耐高有机负荷、无需预处理，处理后水质与菌体可分别用于净化与资源化。
PNSB 是地球上最早出现的光合生物之一，属红螺菌科（Rhodospirillaceae），含 Rhodospirillum、Rhodopseudomonas、Rhodomicrobium 等；光合时不产氧，具有光自养、光异养、混合营养与异养多种代谢模式，环境适应性强。
PNSB 产出的菌体含蛋白、类胡萝卜素、辅酶 Q10、5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）、PHA 等，可用于农业种植、畜牧、水产、医疗与食品工业，故被视为“变废为宝”的路径。
概念与技术边界
乙醛酸循环（GAC）
PNSB 特有代谢路径，显著影响 VFA 降解与生物量合成，是其耐受高有机负荷与降解污染物的关键。
光异养代谢
以光为能源、有机碳为碳源并氧化有机物的生长方式，是 PNSB 合成菌体的主要途径。
自然生长法 vs 直接接种法
前者靠红外光从废水中富集 PNSB 直接使用（效率高但纯度难保证），后者接种纯菌（纯度可控但易受真菌污染而崩溃）。
5-ALA
5-氨基乙酰丙酸，由 Rhodobacter sphaeroides 等生产的高值化合物，可用于农业与医药。
MLSS
混合液悬浮固体浓度，过高会引起光遮蔽效应、降低处理效率，本综述建议约 400 mg/L。
PNSB-MBR
PNSB 与膜生物反应器耦合，用于进一步净化废水并收集菌体。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 综述范围 | 从 PNSB 特性与代谢、废水处理与资源回收效率、影响因素、高值产物、规模化历史到未来展望进行系统梳理。 |
| 数据汇总 | 汇总不同研究中的 COD/氮去除率、生物量与产率，图 3、图 4 给出按废水类型的对比分布。 |
| 影响因素归纳 | 归纳光照（光谱、光强、光周期）、氧条件（好氧/微氧/厌氧及 ORP）、有机负荷与 HRT、MLSS、C/N 比、微量元素、温度、SRT 与接种方式的影响。 |
| 高值产物整理 | 以表 2 汇总 SCP、叶绿素 a、类胡萝卜素、CoQ10、5-ALA、PHA 与碳水化合物的产量、菌株、废水类型、影响因子与市场价格。 |
| 发展分期 | 以图 5 与表 3 把 1973 年以来的 PNSB 废水处理技术划为小试批次、半连续小规模、连续中试与工业化应用四个阶段。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：四联工艺示意图，展示从传统活性污泥（外出 CO₂、外供能量）到 HRAS（产 CH₄、PHA、生物油）、微藻（产燃料、肥料、清水）再到 PNSB（产清水与肥料、饲料、医疗产品）的流程差异。
论文结果：对比显示传统工艺外耗能量并排放 CO₂；PNSB 路线在膜单元产清水的同时，把菌体转化为肥料、动物饲料与医疗产品等多类产物。
研究意义：确立了 PNSB 路线在资源回收层级上的优势定位，是全文的技术框架起点。
图示信息：细胞代谢示意图，标注 P870 反应中心、光诱导电子传递、Calvin 循环、GAC、EMP/glycolysis、TCA 循环与固氮酶（N-ase），并标出 CO₂、VFA/醇类、糖/氨基酸、N₂ 与光的输入。
论文结果：PNSB 主要代谢通路包括 Calvin–Benson 循环、乙醛酸循环（GAC）、EMP 途径与 TCA 循环，各通路通过 3-磷酸甘油酸、甘油醛-3-磷酸、草酰乙酸、苹果酸等中间体互连；能量代谢包括光磷酸化与氧化磷酸化。
研究意义：代谢通路互连是 PNSB 能灵活切换营养模式、耐受高有机负荷并降解污染物的分子基础。
图示信息：原文以柱状图给出豆制品、啤酒、淀粉/糖、酸性食品、市政、农业、家禽、高盐等废水类型的 COD 与氮去除率。
论文结果：多数研究中 COD 与氮去除率分别 >80% 与 >60%；市政废水 PO₄³⁻ 由 6.0–10.0 降至 <0.5 mg/L（>94%），农业工业废水总磷由 25.4–90 降至 5–20 mg/L（>55%）。
研究意义：去除效率高度依赖废水类型与运行条件，高盐或复杂废水需专门评估。
图示信息：原文按废水类型给出生物量（mg/L）、日产率（mg/L/d）与产率（mg/L biomass per mg/L COD）的分布。
论文结果：生物量 500–4800 mg/L、日产率 100–1200 mg/L/d、产率 0.15–1.0 g-biomass/g-COD removal；均值 2926.2 mg/L、549.54 mg/L/d、0.56。案例：淀粉废水管道溢流型 PBR 产率 0.51 g 干固体/g-BOD；农业废水批次产率 >0.75 gCOD-removed/gCOD-added、蛋白 >0.6 gCP/gVSS；糖废水半连续获得 2400–2800 mg/L 生物量。
研究意义：生物量产率跨研究差异大，废水类型、反应器构型与运行模式是主要来源。
图示信息：1973–2019 年时间轴，分四个阶段配设备照片与规模说明。
论文结果：1973 年起步（批次小试，玻璃瓶/烧瓶，0.07–5 L，3–25 天）；2000 年进入缓慢阶段（半连续，0.15–30 L，40–60 天）；2010 年后快速阶段（连续中试，0.25–600 L，3–552 天，出现 PNSB-MBR）；2019 年起迈向成熟期（工业应用测试、理论探索、蛋白生产）。
研究意义：规模化依赖膜技术与自动控制的进步，反应器体积与运行时间同步放大延长。
图示信息：以 PNSB 培养为中心的循环系统示意，连接作物生产、水产与畜禽养殖、厌氧消化、废水处理与人类，标注肥料、饲料、食物、沼气、热与电的流向。
论文结果：PNSB 系统可向作物提供肥料、向水产与畜禽提供饲料、经厌氧消化回收 C/N/P 并产沼气供热电，形成闭环循环。
研究意义：展示了 PNSB 在可持续农业与生态循环中的定位，并延伸至航天等特殊场景的潜力。
机制小结
- PNSB 以光为主要驱动力，光诱导电子传递与光磷酸化提供能量，Calvin 循环固定 CO₂，EMP/GAC/TCA 通路处理有机物。
- GAC 是 PNSB 特有路径，直接关系 VFA 降解与生物量合成，是其耐受高有机负荷与降解污染物的核心。
- 色素系统需还原性环境，溶解氧过高会破坏色素系统；因此需把 DO 或 ORP 控制在保证 PNSB 优势的还原水平。
- 自然生长法通过红外光富集 PNSB，使其在处理废水中占优；直接接种法则以纯度换稳定性。
- 光遮蔽效应：菌体浓度过高会遮挡光线、降低处理效率，需控制 MLSS 与提供足够光强。
工程与产业含义
- 推荐运行：光照 2000–5000 lux 配合微氧（DO 0.5–1.0 mg/L），pH 6.0–9.0、温度 20–30 ℃、MLSS 约 400 mg/L。
- HRT 依负荷而定：低初始 COD（<500 mg/L）约 11–22 h，高有机负荷（>1000 mg/L）约 3–10 天；OLR 0.03–4.0 g-COD/L/d。
- 红光（850 nm）与红光 LED 可同时提升处理与生物量并显著省电，是降低照明能耗的优先选择。
- 补加 Fe²⁺（20 mg/L）与 Mg²⁺ 可缩短 HRT、提升生物量与产率，是低成本的增效手段。
- 规模化建议采用 PNSB-MBR 以同时强化废水净化与菌体收集；SRT 的调控对蛋白生产（如 Alloul 等建议 0.5 d）尤为重要。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 生活污水、淀粉/糖、大豆、乳品、食品加工、农业、养殖、酿造等富营养废水，以及高盐、含硫酸盐、染料、重金属、制药等特种废水的处理。
- 需要同时去除 COD/氮磷并回收 SCP、类胡萝卜素、CoQ10、5-ALA、PHA 等产物的场景。
- 水产、畜禽饲料与农业肥料等下游应用的资源化路线。
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 高盐、含重金属或毒性有机物的废水需先评估对 PNSB 的抑制与产物安全风险。
- 无光照或无法控制还原条件的现场难以发挥 PNSB 优势。
- 直接接种纯菌系统易受真菌污染崩溃，需配套无菌或抑菌措施。
- 废水来源产物存在病原菌与有害物质残留风险，直接用于食品/饲料需安全评估。
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 文中多个关键参数（DO、ORP、MLSS、C/N、SRT）缺乏统一标准，不同研究间可比性有限。
- 光遮蔽效应与高菌体浓度对处理效率的定量影响尚未充分研究。
- SRT 对 PNSB 废水处理的影响研究不足。
- 综述以文献汇总为主，未开展新的实验或统一建模。
- 放大与经济性、安全评估、公众接受度仍属待解决问题。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
基金支持：国家自然科学基金（52070067、518611255103）与环境生物技术重点实验室（中科院）开放课题（kf2020013）。作者声明无利益冲突。数据可用性声明为“No data transparency”。原文为 Springer Nature 许可的综述文章。
来源与链接
- Springer 原文 — https://doi.org/10.1007/s11274-021-03133-z