上升流速驱动紫色光合细菌颗粒污泥成粒：把菌体蛋白做成可直接收获的颗粒饲料

文献信息

一图不看也要知道的几件事

• 以上升流速为唯一成粒驱动力，在 5 L 上流式光生物反应器中连续运行 235 d，两台反应器都在约 50 d 内形成厌氧光合颗粒，成熟颗粒呈暗红/橙色、光台下可见 2–3 mm。
• 低上升流组（LRPBR，2→5 m/h）的物理性质全面优于高上升流组（HRPBR，6.3→8.5 m/h）：SVI₃₀ 约 10 mL/g 对 23 mL/g、沉降速率 115 m/h 对 80 m/h、EPS 与 ALE 含量更高，说明成粒并不需要高剪切高能耗。
• 颗粒粗蛋白含量两组一致，均为 590 mg CP/g VS（以总固体计 440–450 mg CP/g TS），与其他 PPB 生产平台报道值相当，说明颗粒化没有牺牲产品营养价值。
• 微生物结构出现明显分化：HRPBR 由紫色硫细菌 Chromatiales 占据外层、Rhodobacteriales 居次外层形成分层；LRPBR 两者混杂、PPB 群落更多样，产甲烷菌仅在 LRPBR 内部出现且不超过 8%。
• 核心短板是粒径分布双峰、絮体体积占比 70%–80%，以及运行末期颗粒无机组分约 40%（源于过量磷酸盐缓冲液沉淀），作为饲料前必须先解决灰分问题。

研究背景与要解决的问题

颗粒污泥（granular sludge）是一类宏观、自支撑的生物膜，通常直径 0.2–2 mm，靠上升流速（0.5–10 m/h）作为选择压力，配合液相剪切与生物膜生长速率的平衡，形成表面光滑的致密生物膜。它的工程价值在于把生物量固定在反应器内：SVI 低、沉降速率快（7–130 m/h），因此能维持高生物量存量与高负荷（内循环反应器可达 30 kg COD·m⁻³·d⁻¹ 以上），同时省掉二沉池等固液分离单元与最终脱水的加药环节。厌氧消化、好氧颗粒污泥、厌氧氨氧化都已经走通了这条路。

紫色光合细菌（purple phototrophic bacteria, PPB）是一类不产氧的光异养菌，以简单碳源为底物、以红外光为能源，在挥发性脂肪酸（VFA）上可达到约 0.9 g COD_biomass/g COD_removed 的极高产率，并因此同化大量氮磷。它的粗蛋白含量约 60 wt%，氨基酸谱接近鱼粉，被视为废水衍生鱼粉替代品的候选。混培养条件下，PPB 靠“光驱动分解代谢”这一竞争优势既能主导悬浮培养也能主导生物膜。

把两件事合起来，动机就很清楚：微生物蛋白（microbial protein, MP）最大的成本项之一是收获与制粒。离散、可流动、易分离的 MP 颗粒理论上可以直接投喂动物（例如做成鱼饲料颗粒），跳过粘结、挤压、造粒这些中间步骤。但 PPB 需要红外光穿透，底物还要扩散进生物膜内部，这两点都可能干扰成粒过程或影响颗粒结构与稳定性；而且光在介质和生物膜中双重衰减，颗粒内部的原位净生长速率是未知的。作者检索后指出，此前没有任何同行评议文献报道过 PPB 颗粒污泥的形成与生长。

体系与方法

两台完全相同的透明丙烯酸立柱式光生物反应器（PBR），总容积 7 L、工作液体积 5 L、内径 11 cm，顶部法兰加橡胶密封，在 0、0.5、1、2、3、4、5、6 L 处设取样口，全程厌氧运行。进水从 0 L 口进入、出水从 5 L 口排出，进水与排泥由多头蠕动泵以脉冲模式完成（初始 5 min、50 mL/min、每天 10 次），排泥前不预沉。乙酸钠由独立注射泵连续补入液体回流管路，避免酸冲击。混合与上升流由另一台蠕动泵实现：液体从 4 L 口抽出、经 0.5 L 口回流，向下的 90° 弯头保证沿柱均匀布流。

接种物在 10 L 血清瓶中培养，红外光约 100 W/m²、磁力搅拌、常温厌氧，每周更换 80% 体积的新鲜 Ormerod 培养基；瓶壁包 UV–VIS 吸收膜（吸收 790 nm 以下约 90% 的波长）。装入反应器前刮下壁面生物膜使其悬浮，总悬浮固体为 1450 mg/L，目视无大颗粒但含生物膜碎片。启动前 13 d 两台反应器以 1 L/min 连续回流、分三次批式投加有机碳与营养盐，待 TSS 约 2300 mg/L 后进入正式运行。运行期间每周一至周五每天用磁铁刮壁两次，把附着生物膜重新悬浮，以维持光穿透。

分析方法覆盖三个层面。化学层面：TCOD/SCOD 用 Merck 试剂盒，NH₄-N、NOx-N、NO₂-N、PO₄-P 用流动注射分析，VFA 用气相色谱–氢火焰检测器（DB-FFAP 极性柱，样品过 0.45 µm 膜并加 10% 体积 1 M 甲酸保存），痕量元素用 ICP-OES，TKN 与 TP 经硫酸/硫酸钾/硫酸铜催化消解后测定，红外辐照强度用 StellarNet BLUE-Wave 微型光谱仪在 0/1/2/3/4 L 口三平行测定。物理层面：Imhoff 锥沉降与 SVI₃₀ 按 APHA 标准法，单颗粒沉降速率按 Batstone & Keller (2001)，粒径用 Mastersizer 2000 激光衍射三平行测定（上限 2000 µm，并优化叶轮/泵转速以减少剪切），同时在光台上拍照。生化与结构层面：EPS 与 ALE 按 Felz et al. (2016) 的 80 ℃ 碳酸钠提取 + 3500 Da 截留膜透析 24 h + 1 M 盐酸沉淀（终点 pH 2.2±0.05）三平行测定；生物量蛋白由 TKN 换算（Eding et al., 2006），胞外蛋白用 BCA 比色法（14 800 g 离心提取，562 nm 读数，三平行）；形态用扫描电镜（SEM，样品经戊二醛固定、乙醇梯度脱水、临界点干燥、镀金）；空间分布用荧光原位杂交（FISH，25% 甲酰胺严谨度，冷冻切片 10–20 nm，激光共聚焦成像）；群落用 16S rRNA 扩增子测序（926F/1392wR 引物，Illumina MiSeq，DADA2 去噪后归并为 27 个目级类群，只保留 >1% 的主要功能群做 PCA）。

主要结果（原文 Fig. 1–9 逐图解读）

Fig. 1 Schematic of an upflow photobioreactor.

图示信息工艺流程示意图。左侧标注 IR Lamps，三个红外灯符号沿柱高等距分布；中间是竖直窄柱体（光生物反应器），底部有进水管与阀门、内部有布流结构；右侧从下到上依次标注 1 L / 2 L / 3 L 取样口、4 L 液体回流口、5 L 出水取样口，最上方为溢流管。4 L 回流口经上升流泵（Up-flow pump）与阀门回到柱底形成再循环回路；5 L 出水线经出水泵排出，另有支路通往 Imhoff 锥做沉降测定。

论文结果这张图定义了本文唯一的操控变量：上升流速完全由 4 L→0.5 L 的外部再循环泵设定，而不是靠产气或曝气。柱体内径 11 cm、工作体积 5 L，红外光从侧面单向入射，柱内侧不同高度设多个取样口，使得沿柱的生物量存量与光强分布都能分层测量。

研究意义结构上要注意两点工程含义：其一，光是侧向入射的，颗粒床越厚、光衰减越严重，因此反应器直径不能随意放大；其二，回流泵既提供上升流速又提供混合，成粒能耗与混合能耗在这个构型里是同一笔账，这正是后文“低上升流反而更好”这个结论具有经济意义的原因。

Fig. 2 (A) Aggregated PPB biomass in the HRPBR (day 25), (B) a close-up of the biomass in the Imhoff cone (day 25), (C) a light table image of granules (day 185), (D) granular biomass in 250 mL glass flask (day 235).

图示信息四联实物照片。(A) 第 25 天 HRPBR 柱内实景：上部为橙红色浑浊液相，下部约四成为界面清晰的暗红棕色颗粒床，柱壁可见 2 L 标记与取样口配件。(B) 同日 Imhoff 锥近景：上层为半透明粉红液并悬浮红色絮片，下三分之一为致密粗粒的暗紫棕色沉降污泥，沉降界面清晰。(C) 第 185 天光台俯拍培养皿：数百颗离散的深棕/近黑色颗粒散布，粒径从亚毫米到数毫米，皿下钢尺刻度 11–19 cm 提供比例。(D) 第 235 天 250 mL 玻璃瓶内微距：近黑色颗粒与粉橙色生物量碎片混杂，可见气泡与半透明絮状团块。

论文结果照片记录了成粒的时间序列证据：两台反应器一开始都立即形成絮状生物量；HRPBR 在 50 d 内先出现被绒毛状生物量包裹的小而清晰的核（以亮红色区别于普通聚集体）；80–90 d 内两台反应器都形成边界清晰的大型致密聚集体；成熟颗粒呈暗红/橙色。第 185 天光台图与第 235 天瓶内图显示颗粒已经离散、可流动，光台下最大可达 2–3 mm。

研究意义肉眼可见的“离散、可流动、深色”正是把 PPB 当饲料原料时最想要的形态——不需要粘结剂与挤压造粒即可投喂。但 (B) 和 (D) 同时暴露了本研究最大的问题：颗粒之外始终共存大量粉红色絮片与半透明团块，这部分就是后文粒径分布中占 70%–80% 体积的非颗粒相。

Fig. 3 (A) Sludge loading rate (SLR) (kgCOD kgVSS⁻¹ d⁻¹) and (B) total suspended solids (TSS) (mg L⁻¹) of the LRPBR (red diamond) and the HRPBR (green square) over time.

图示信息上下两张散点时间序列。(A) 纵轴污泥负荷 SLR（kg COD·kg VSS⁻¹·d⁻¹）0–1，横轴时间 0–235 d；红菱形为 LRPBR、绿方块为 HRPBR。两条曲线在 0 d 从同一起点约 0.12–0.15 出发后分道：红色迅速升到 0.45–0.55 并在 65–70 d 附近冲到极大值，随后回落并在 0.4–0.65 区间波动，末期降至 0.27–0.45；绿色则先在 35–45 d 降到最低约 0.18，再缓慢爬到 95–105 d 的 0.45–0.50，此后衰减到 0.15–0.25 的平台。(B) 纵轴 TSS 0–6000 mg/L。两者均从约 1650–2200 出发，红色在 15–75 d 间跌到 400–700 的低谷后回升，末期达 3200–3300；绿色从 15 d 的约 800 持续上升，140 d 后陡增，峰值约 5700，末期约 5350，全程基本高于红色且 140 d 后差距显著拉大。

论文结果启动时施加了较低的污泥负荷 0.12 kg COD·kg VSS⁻¹·d⁻¹，与厌氧/好氧颗粒污泥反应器启动的常用值一致。经过初期细微生物量的洗出，两台反应器的污泥存量以不同速率增长，SLR 随之分化：LRPBR 为 0.4–0.7、HRPBR 为 0.2–0.4 kg COD·kg VSS⁻¹·d⁻¹。高上升流/低 SLR 的 HRPBR 更利于生物量积累（终点 TSS 6000 mg/L，LRPBR 为 3000 mg/L）。两台反应器 OLR 都提升到 0.7 kg COD·m⁻³·d⁻¹，进水 SCOD/乙酸消耗 60%–80%，与其他 PPB 悬浮或生物膜系统处理废水时报道的 50%–95% SCOD 去除相当。生物量产率为 0.70–1.0 g COD_biomass/g COD_removed；按 235 d 累积颗粒态 COD 衡算，LRPBR 产率 0.49±0.03 g COD_biomass/g COD_in（衡算闭合 80±4%），HRPBR 为 0.46±0.04（闭合 85±7%）；悬浮洗出生物量占进水 COD 的比例分别为 0.43 与 0.34 g COD_particulate/g COD_in。

研究意义这两张图揭示了一个关键的取舍：高上升流留住了更多生物量（TSS 翻倍），但被留住的主要是絮体而不是颗粒；低上升流的存量低、SLR 高，反而喂出了更强壮的颗粒。更值得关注的是洗出比例——LRPBR 有 0.43、HRPBR 有 0.34 的进水 COD 以悬浮颗粒态流失，接近甚至超过留在系统内的部分。换算成蛋白账，这意味着近一半的潜在产品从出水跑掉了，这是把该工艺推向工程应用前必须先堵住的漏洞。

Fig. 4 SVI₃₀ of LRPBR granules (red diamond) and HRPBR granules (green square) over time. Measured settling velocities for different time points (136 and 220 d) also shown (n = 10–16).

图示信息单张散点图，纵轴 SVI（mL/g）0–60、刻度间隔 5，横轴时间 0–225 d。绿方块（HRPBR）与红菱形（LRPBR）均从 0 d 的约 52 起步。红色持续且陡峭下降：5–35 d 从约 48 降到 31，60–90 d 落在 18–26，100–140 d 进入 10–15，约 218 d 时低至约 7；绿色在前 100 d 一直在 34–45 区间散布（含一个约 25 的离群点），下降速率虽一度更快但极不稳定，随运行调整反复波动。图中另标注了 136 d 与 220 d 两个时间点实测的单颗粒沉降速率（n=10–16）。

论文结果SVI 初始约 50 mL/g（源于大量生物膜碎片），已优于普通絮体。两条轨迹差异明显：HRPBR 下降更快但不稳定，随操作变更剧烈波动；LRPBR 在较高的 SLR（0.5 kg COD·kg VSS⁻¹·d⁻¹）下持续下行至低于 15 mL/g，并在此后 125 d 稳定维持在 5–15 mL/g。沉降结构的均一性可用 SVI₃₀/SVI₅ 判读：LRPBR 前 75 d 为 0.70±0.07，75 d 之后升至 0.97±0.20，即 SVI₃₀≈SVI₅，说明污泥在 5 min 内基本沉完；HRPBR 全程维持 0.67±0.05，未达到这种均一状态。前 25 d 两系统的 SVI₃₀ 每 1.2–1.6 d 下降 1 mL，随后放缓到每 3 d 下降 1 mL，由此估算成粒时间常数约 50 d。颗粒平均沉降速率（n>7）始终大于 30 m/h，单颗粒范围 20–200 m/h，200 d 后出现大量 >100 m/h 的极快沉降颗粒，尤以 LRPBR 为多。结论章给出的对照值是 LRPBR SVI₃₀ 约 10 mL/g、沉降速率 115 m/h；HRPBR SVI₃₀ 约 23 mL/g、沉降速率 80 m/h。生物量 VSS/TSS 比在两系统均由 0.9 降至 0.6。

研究意义SVI₃₀ 约 10 mL/g 与沉降速率 >30 m/h 这两个数字，把 PPB 颗粒直接放进了既有颗粒技术的对标区间：厌氧颗粒 12–20 mL/g、好氧颗粒 20–38 mL/g、藻颗粒 38–60 mL/g。也就是说，收获这件事在原理上已经解决——沉降 5 分钟即可完成固液分离，不需要离心也不需要加药。同时“低上升流 = 更低更稳的 SVI + 更快的最终沉降速率”这一反直觉结论具有直接的经济意义：成粒不必靠高剪切，因此回流泵能耗可以压低。需要警惕的是 VSS/TSS 从 0.9 掉到 0.6，说明无机物在颗粒中持续累积。

Fig. 5 Particle size distribution (volume basis) of the LRPBR (red) and the HRPBR (green) at 190 d.

图示信息成对柱状图（含误差棒），横轴为粒径分级（µm，从 <10 到 1000，细端约 10 µm 一档、粗端逐步加宽至 100–200 µm 一档），纵轴为体积分数（%）0–9。红色（LRPBR）在最细一档 <10 µm 出现全图最高柱约 7.5%，随后在 35–70 µm 形成 4.4%–4.8% 的宽平台，之后单调下降，在 250–800 µm 拖出 1.5%–2.5% 的长尾（粗端误差棒很大）。绿色（HRPBR）几乎没有细粒（<10 µm 仅约 1.3%），从细到粗单调上升，在约 70–90 µm 形成 7.5% 左右的单一强峰，之后回落，200 µm 以上仅 1.1%–2.8%。

论文结果两系统都是双峰分布：絮状聚集体对应的第一峰在 LRPBR 为 50 µm、HRPBR 为 100 µm，第二峰对应较大颗粒在约 600–700 µm。归为颗粒态（>200 µm）的体积分数 LRPBR 为 30%、HRPBR 为 20%，前者是后者的 1.5 倍；但 LRPBR 的非颗粒相平均尺寸更小（50 µm 对 100 µm）。留在反应器内的细絮体（<10 µm）在 LRPBR 占 8%，在 HRPBR 几乎被完全淘汰。激光散射测得的最大粒径达 1100 µm，而光台观察到的颗粒可达 2–3 mm。原文提示低上升流速本身、或 Mastersizer 测量过程中叶轮混合与泵送带来的剪切，都可能是 LRPBR 细粒组分形成的原因。

研究意义这是全文最诚实也最重要的一张“反结论图”：颗粒并没有成为主体，絮体仍占 70%–80% 体积。这与好氧、厌氧、藻类颗粒系统形成强烈反差（后者絮体通常低于 10% 体积）。絮体之所以被留住，一是它源自壁面生物膜、沉降本来就快，二是壁面生物膜被持续刮下、连续补充，而且小颗粒在主体液相中获得的光照更好、更容易存活。作者的判断是：颗粒在絮体大量共存的条件下仍然形成，且颗粒全断面都有活性，因此存在提高颗粒占比的缓解手段（缩短 HRT、提高上升流速，或如厌氧氨氧化成粒那样引入水力旋流器做尺寸筛选）。

Fig. 6 Bar plot of EPS contents of the LRPBR (red) and the HRPBR (green) granular biomass and ALE contents of LRPBR (red, hatched) and HRPBR (green, hatched) granular biomass with time. Note: HRPBR ALE at 233 d data was not included due to equipment failure.

图示信息分组柱状图，横轴为采样时间 25、55、90、160、200、220、233 d，纵轴为 EPS 与 ALE 产量（mg VS/g VS_granule）0–400。每个时间点最多四根柱：实心红（LRPBR 的 EPS）、实心绿（HRPBR 的 EPS）、斜纹红（LRPBR 的 ALE）、斜纹绿（HRPBR 的 ALE），均带误差棒。实心柱整体随时间上升，红色在 233 d 达到全图最高；斜纹柱数值显著低于实心柱，同样随时间抬升，其中 HRPBR 的 ALE 序列波动最大、误差棒最宽，233 d 数据因设备故障缺失。

论文结果两台反应器的颗粒 EPS 含量随时间显著上升（LRPBR p=0.01，HRPBR p=0.03）。LRPBR 在 233 d 达到最高 360 mg EPS/g VS，HRPBR 在 200 d 达到最高 300 mg EPS/g VS，两者差异具有统计显著性（p=0.002）。90 d 之后，LRPBR 的 ALE 占 EPS 的平均比例为 50%，HRPBR 为 33%。25 d 时的 EPS 值与活性污泥絮体相当（约 150 mg/g VS），之后升高到与其他颗粒污泥可比的水平（约 300–350 mg EPS/g VS 与 150–200 mg ALE/g VS）。90 d 后 EPS 与 ALE 相对 25 d、55 d 的明显上升，与目视观察到的“50 d 出现小核、80–90 d 形成边界清晰聚集体”相吻合。

研究意义EPS/ALE 的时间轨迹为“水凝胶是成粒充要条件之一”这一假说提供了内部一致的证据链：EPS 上升、ALE 占比上升、目视出现颗粒、SVI 下降，四条曲线同步。更有意思的是产品端的延伸——ALE（又称 Kaumera）是海藻酸的替代品，在化工、农业、建筑业作增稠剂、凝胶与涂层剂使用，市场价值高而生产成本是海藻酸的主要瓶颈；部分 Nereda® 好氧颗粒污泥厂已开始从剩余污泥回收 ALE。PPB 颗粒的 ALE 含量既然与好氧颗粒相当，那么“蛋白 + 生物聚合物”双产品路线在原理上是成立的。作者把 LRPBR 更高的 EPS/ALE 归因于两点：Rhodobacteraceae 等能分泌 EPS 并产生酰基高丝氨酸内酯（AHL）的功能菌在 LRPBR 中丰度更高；以及更短的 SRT 与更高的 SLR 本身就富集 EPS 分泌菌、提高结合态 EPS。

Fig. 7 Low upflow (left) and high upflow (right) granules. Low magnification granule external surface (A and B), 2.00k magnification external surface (C and D) and 2.00k magnification internal surface (E and F) as captured by SEM.

图示信息六联扫描电镜灰度图，2 列（左 LRPBR、右 HRPBR）×3 行。A/B 为低倍整颗粒外观（×100 与 ×80，标尺 500 µm）：A 是近球形、表面呈花椰菜状凸凹的颗粒，上部有较平滑的壳层，周边为松散絮状/纤维状物质；B 是长轴偏水平的卵形颗粒，明显更亮、更疏松多孔，中央可见细颗粒质地与小暗孔，边缘呈簇状撕裂。C–F 为 ×2000 高倍（标尺 20 µm）：C/D 是外表面，可见细丝与短杆相互缠绕、嵌在胞外基质中，D 中单个杆状细胞与小球菌分辨更清楚；E/F 是内表面，E 为密排的杆状菌毯，F 为从基质中伸出的丝状菌簇并伴有较大暗腔。

论文结果两台反应器的颗粒外层都具有最高的微生物密度与较均匀的形态，表面相对光滑，直径约 1 mm，由杆状、球状与丝状形态型共同占据。整个颗粒内部都有微生物存在，但外层密度高于内部。差异在于内部结构：HRPBR 颗粒具有多孔的内部区域（对应低细胞密度），LRPBR 颗粒的内部孔隙率更低。相较 EPS、沉淀物或外来杂质，推定微生物在两种颗粒中都占主导。原文提示乙醇/戊二醛处理会使 EPS 收缩，这有利于观察微生物与沉淀物，但 EPS 的量级仍可被辨识。

研究意义“外层致密、内部仍有活菌、无惰性核”是这批颗粒最反常也最有利的特征。作为对比，好氧（如 Nereda®）与厌氧颗粒往往有惰性核与执行特定过程的分层菌区。从饲料角度看，全断面都是活菌意味着不同粒径的颗粒可以有相近的化学与营养特性，产品一致性有保障，不必按粒径分级销售。从工艺角度看，内部孔隙率低（LRPBR）说明低上升流下的颗粒更致密，这与它更低的 SVI 和更快的沉降速率是同一现象的两面。

Fig. 8 FISH confocal scanning microscopy of LRPBR (A, C) and HRPBR (B, D) granule cross-sections at 500 µm. 200× (A, B) using red CHRO1137-Cy3 (Chromatiales), blue PARA739-Cy5 (Rhodobacterales), green EUBMIX-FITC (most Bacteria); size bar 100 µm. 630× of granule edge (C, D); size bar 10 µm.

图示信息四联激光共聚焦荧光叠加图，2×2 排列，黑色背景。A（LRPBR，200×）为颗粒内部切面：网状海绵状生物量，遍布圆形至椭圆形暗孔（空隙），信号以灰绿/白为主并夹杂黄橙色斑块，散布明亮的黄色球形体，右缘有明显的蓝紫色区带。B（HRPBR，200×）为颗粒边缘断面，呈现垂直于表面的分层：最外侧左缘是明亮的绿色条带，向内过渡为灰白带，再向内是大片洋红/粉色的内部区域并含暗空隙。C（LRPBR，630×）为绿色主导的网络，布满平滑边缘的大黑孔与通道，底部与左下缘呈青蓝色镶边，孔隙边缘有离散绿色球菌。D（HRPBR，630×）左三分之二为黄绿色区域，向右渐变为青蓝白区域，右下与中央有不规则暗空隙。

论文结果两种颗粒中所有探针的信号都遍布全断面，与 SEM 一致地在最外 100 µm 呈现更高的细胞密度。HRPBR 中紫色硫细菌 Chromatiales 是表面定殖者，在外层高度富集，紧邻的次外层是 Rhodobacteriales，形成明确分层；LRPBR 中 Chromatiales 同样主要出现在外层，但丰度低得多，且通常与 Rhodobacteriales 混杂共处。内部区域全断面均有活性，但结合 Rhodobacteriales 与 Chromatiales 探针的菌体密度较低。以总细菌（EUBmix）为分母，Alphaproteobacteria 与 Rhodobacteriales 的相对比例在两种颗粒中相近，约 30% 为 Rhodobacteriales、30% 为其他 Alphaproteobacteria、30% 为其他细菌。外层还检出少量结合 BET42a 的 Betaproteobacteria。结合 ARC-915 探针的古菌仅在 LRPBR 颗粒内部少量出现。图 A、C 中的大球体被判断为无机沉淀，可能是磷酸钙。

研究意义分层与否直接对应上升流速的选择压力。HRPBR 的高上升流让 Chromatiales 抢占外层、把光异养的 Rhodobacteriales 挤到次外层，而 LRPBR 的低上升流让两者混居、群落更多样。对蛋白生产而言，“古菌（推定产甲烷菌）只在 LRPBR 内部少量出现”是一条好消息：产甲烷菌含量低意味着颗粒内不易滞留气泡，而滞留气泡是厌氧颗粒系统中造成生物量冲失的常见原因。作者把产甲烷菌受限归因于两点：红外光下 PPB 的生长优势造成底物竞争，以及本研究施加的低 SRT（小于约 10 d）普遍低于乙酸型产甲烷菌在常温 20 ℃ 下的倍增时间。

Fig. 9 PCA plot of the microbial communities, showing inoculum (X) and trajectory along time (increasing symbol size) for high upflow (green square) and low upflow (red diamond). Pie charts show relative proportion of major functional groups. Arrows show trajectory for the two systems.

图示信息主成分分析双标图。横轴 PC1 解释 56%，纵轴 PC2 解释 19%。从原点发出多条蓝色载荷向量并标注类群名：Chromatiales 的向量指向左上方且较长，Rhizobiales 的向量指向右侧且很长（标签位于最右缘），Betaproteobacteriales 与 Sphingobacteriales 为指向左侧的短向量，Bacteroidales、Others、Methanosarcinales、Rhodospirillales 为指向右/右下的短向量。样品符号中 X 为接种物，绿方块为高上升流、红菱形为低上升流，符号随时间增大，箭头标出两套系统的演化轨迹。三个饼图分别展示接种物与两台反应器最终（186 d）群落的主要功能群比例。

论文结果接种物由 PPB 主导（相对丰度约 60%），其中以含紫色非硫细菌（PNSB）的 Rhizobiales 目为主。该群落在 25 d 内迅速分化为两个显著不同的群落（对 PC1 做双尾配对 t 检验，p=1×10⁻⁴）。HRPBR 转向由紫色硫细菌（PSB）Chromatiales 主导；LRPBR 转向混合型 PPB 群落。两台反应器中 PPB 的相对丰度在各时间点均为 40%–70%。变化虽以 PPB 为主导，伴生群落也发生了同反应器内一致、不同反应器间相异的变化：两者都保留了来自接种物的 Bacteriodales 类群（个别 ASV 有变化），但 HRPBR 的伴生群落由 Gracilicutes 科（含 Spirochaetae 与 Sphingobacteria）主导，LRPBR 则含有更多肠道菌（包括 Firmicutes）以及更大比例的产甲烷菌（≤8%，尽管未记录到产气），其优势产甲烷菌最匹配 Methanosaeta（目级鉴定为 Methanosarcinales）。

研究意义PC1 解释了 56% 的变异，而两套系统在 PC1 上被清晰分开，说明上升流速这一单一操作变量足以把群落推向两个稳定而不同的终态。作者的机制解释是：HRPBR 更长的 SRT 让利用进水硫的硫循环得以建立，因而 Chromatiales 富集（该反应器颗粒中推定硫酸盐还原菌的相对丰度也更高）；LRPBR 更短的 SRT 阻止了特化、生长较慢的细菌占据主导，因此群落更丰富。短 SRT 的双重收益值得单独强调：既维持群落丰富度、避免非理想菌增殖，又允许频繁收获 PPB 污泥——后者对蛋白生产是决定性的。需要注意 16S 测序一般只可靠到目级，作者通过 NCBI Blast 比对 ASV 与探针序列，确认了到属级的 Rhodobacter（PNSB）与 Allochromatium（PSB），并以 FISH 结果交叉验证。

机制讨论：为什么低上升流反而更好

成粒速度本身没有悬念：两台反应器都在约 50 d 内完成，落在既有颗粒技术的常规区间内——好氧颗粒数周到 2 个月，厌氧颗粒 2–8 个月（有报道为 33–43 d），藻类颗粒 3–6 个月。真正需要解释的是两台反应器的分化，作者给出的解释链条有三环。

1. SLR 与 SRT 的联合作用。 LRPBR 施加的污泥负荷落在好氧颗粒发育与稳定的最优区间（0.3–0.5 kg COD·kg VSS⁻¹·d⁻¹）内，更丰富的底物供给促进了更大比例颗粒生物量的生长与增殖；同时短至 6 d 量级的 SRT 已被证明能富集具备酰基高丝氨酸内酯（AHL）产生与 EPS 分泌功能的微生物，从而得到沉降极佳的颗粒。
2. EPS/ALE 水凝胶的桥接作用。 结合态 EPS 随 SRT 缩短而增加，也随 SLR 升高而增加（EPS 基质在高 SLR 下更易吸附进水蛋白）。LRPBR 更高的 EPS 含量说明 PPB 颗粒的形成是对竞争压力的响应，这种压力促进了特定 EPS 分泌菌的生长。
3. 群落组成的反馈。 在 LRPBR 中丰度更高的 Rhodobacteraceae 既分泌 EPS 也产生 AHL，而 AHL 有助于微生物颗粒的形成。也就是说，短 SRT → 富集 EPS/AHL 功能菌 → 更多 EPS/ALE → 更致密的颗粒，构成了一个自我强化的回路。

另一个值得注意的机制问题是为什么 PPB 颗粒内部没有惰性核。已有研究认为，厌氧颗粒呈现均一而非分层结构，通常与缓慢降解的初级底物相关联；但本研究提供的是快速降解的乙酸，且 PPB 在有光时生长速率相对较高。作者提出三种可能：PPB 的细菌衰减速率低；PPB 代谢能力多样，使其能在颗粒内部（例如通过发酵）生长；以及细菌把颗粒的 EPS 组分当作碳源利用。无论何种机制成立，结果都是有利的——颗粒全断面有活性，产品化学组成与粒径解耦。

最后是红外光的限制性地位。全文反复回到这一点：光在介质与生物膜中双重衰减，颗粒床内部辐照度很低，这很可能是废水处理效率被限制在 60%–80% COD 消耗的原因之一。缓解手段是连续的循环与床层运动，保证颗粒能间歇性地受到辐照。作者明确指出，若要提升处理能力，需要提高红外光在颗粒污泥床中的穿透（增加灯数、提高功率、户外系统利用太阳辐射，或采用膨胀床设计）。

工程与产业含义

从 COD 去除角度看，本文对 PPB 颗粒系统的定位相当克制：相对既有好氧或厌氧颗粒系统（乃至其他 PPB 系统），它没有技术优势——负荷低于 1 kg COD·m⁻³·d⁻¹、COD 消耗仅 60%–80%。它的附加价值在于可同时脱氮除磷（相较厌氧技术是加分项），以及与部分藻类颗粒相当的处理能力。作者坦承实验目的不是最大化有机物与营养物去除，而是形成并表征颗粒。

真正的价值在产品侧。快速沉降、宏观尺寸、全颗粒高蛋白三项特征叠加，意味着 PPB 颗粒可能成为一种“开箱即用”的动物饲料源：既有研究已经用 PPB 做过鱼粉大规模替代与对虾饲料试验并取得积极结果，而颗粒平台可以省掉干燥、挤压、造粒这套昂贵的饲料制备流程。把这类系统安装在鱼场等现有场地，还能同时省掉鱼饲料的干燥与运输成本，并有助于控制在极低浓度下即对鱼类产生毒性的铵。

• 收获环节的经济性改写。 SVI₃₀ 约 10 mL/g、5 min 内沉降完成、无需加药与离心，直接消解了 PPB 单细胞蛋白路线中最重的成本项之一。
• 低能耗成粒。 LRPBR 用更低的上升流速得到更理想的整体性质（更低更稳的 SVI₃₀、更快的最终沉降速率、更高的 EPS 与 ALE 含量），意味着创造适合从废物流生产蛋白的颗粒所需能耗更低、运行成本更省。
• 双产品潜力。 PPB 颗粒的 ALE 含量与好氧颗粒相当，海藻酸替代品（ALE/Kaumera）市场价值高，可与蛋白形成双产品收入结构。
• 短 SRT 是特征而非缺陷。 低 SRT 既维持群落丰富度、抑制非理想菌增殖，又允许频繁收获污泥，二者对蛋白生产都是正向的。

把这些放在“光合细菌产蛋白”的整体图景里，本文与生物膜路线（在反应器壁面或浸没表面长膜）解决的是同一个问题的两种形态化答案：污染物倾向于留在悬浮相，因此让 PPB 长成生物膜或颗粒能天然提升产品品质。原文引用的对照数据是：壁面生物膜可在 160 g TS/L 的浓度下收获、灰分低至 4.0%，而悬浮生物量只有 2–3 g TS/L；颗粒路线的独特之处在于产品本身就是可流动的离散颗粒，形态上最接近饲料成品。

适用场景

• 需要把 PPB 单细胞蛋白生产与固液分离合并为一步的场景，尤其是现场（on-site）从废水直接产饲料、希望省掉离心/膜过滤与干燥造粒环节的项目。
• 以 VFA 或简单有机酸为主要碳源、且可提供红外光照的高强度废水流，例如厌氧发酵液或预发酵后的农工业废水。
• 鱼场、虾场等既需要控制铵毒性又需要就地饲料供应的水产养殖场景。
• 希望同时回收生物聚合物（ALE/海藻酸替代品）与蛋白的双产品工艺设计。

不适用 / 需谨慎的场景

• 以 COD 去除速率或负荷为首要目标的工程：本工艺在纯处理性能上相对好氧/厌氧颗粒系统没有优势，负荷低于 1 kg COD·m⁻³·d⁻¹。
• 对饲料灰分有严格上限、且无法改变进水无机盐组成的场合：运行末期无机组分约 40%。
• 无法接受生物量随出水流失的场合：本研究中悬浮洗出占进水 COD 的 0.34–0.43，颗粒回收率尚未优化。
• 直接放大到深色、高色度废水或大直径反应器：红外光侧向入射、颗粒床内辐照度低，光穿透是硬约束，需要重新设计光路或采用膨胀床。
• 对人用食品级蛋白的应用：原文所有产品讨论均限定在动物饲料（鱼粉替代、对虾饲料）范畴，并提示废水中毒素或病原体向动物传递、伴生菌群影响终产品组成与一致性等风险仍未解决。

局限与不确定性

• 使用合成废水（Ormerod 培养基 + 乙酸钠单一碳源），未在真实废水上验证。作者明确指出，处理不同来源的废水（生活污水、农业或工业废水）时颗粒形态与微生物群落可能不同，成粒可行性、长期稳定性都需要重新评估。
• 颗粒并非主体相：粒径分布双峰，絮体占 70%–80% 体积，与好氧、厌氧、藻类颗粒系统中絮体低于 10% 体积形成强烈反差。同时有 0.34–0.43 g COD_particulate/g COD_in 以悬浮态从出水流失。
• 无机组分约 40%：以 TS 计的粗蛋白仅 440–450 mg/g，作为饲料补充剂使用前必须先降低灰分，主要来源推测是进水中过量的磷酸盐缓冲液在 pH 7.5–8.5 下沉淀。
• 处理能力有限：OLR 低于 1 kg COD·m⁻³·d⁻¹、COD 消耗 60%–80%，红外光穿透是明确的限制因素；实验设计的目标并非优化处理性能。
• 壁面生物膜需人工干预：每周五天、每天两次用磁铁刮壁才能维持光穿透，这一操作在放大后需要替代方案（壁面处的光抑制性红外强度、自动柱塞、刮壁器等），作者将其列为技术要与成熟颗粒污泥工艺可比所必须解决的问题。
• 部分数据可用性受限：EPS/ALE 在 25、55、90 d 使用了一周内多次采样的混合样；HRPBR 在 233 d 的 ALE 数据因设备故障缺失；胞外蛋白采用离心提取法，作者提醒提取方法本身是胞外蛋白测定的最大变量之一，离心法通常给出偏低的提取蛋白含量。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

图片来源：本文为 Elsevier 订阅期刊论文，原文 Fig. 1–9 按学术评述引用方式复用，版权归 Elsevier 及作者所有，来源见 DOI: 10.1016/j.watres.2020.116760。