文献信息
英文题名
Dim lights, bright prospects: Purple phototrophic bacteria-driven industrial wastewater treatment for biomass resource recovery at low light intensities
作者
Ojima Z. Wada, Mujaheed Pasha, Annette S. Vincent, Gordon McKay, Hamish R. Mackey
期刊 / 年份
Process Safety and Environmental Protection 2025
DOI
10.1016/j.psep.2024.12.037
卷期 / 页码
194: 1067–1080
单位
Hamad Bin Khalifa University（卡塔尔基金会）可持续发展学院；卡内基梅隆大学卡塔尔分校；坎特伯雷大学土木与自然资源工程系
一句话概括：用两组低光强（LLI 9.6、HLI 17.6 W·m⁻²）批式培养以 Rhodopseudomonas 为主的非纯 PNSB，同步处理未预处理的气转液废水并表征生物质组分、氨基酸、脂质、微量元素与菌群，评估低光强下的资源化可行性。
一图不看也要知道的几件事
- 废水为气转液（Fischer-Tropsch）工艺水 FSPW：COD 6.1 g·L⁻¹、TOC 1.5 g·L⁻¹、pH 约 3.0、溶解性总固体 <0.1 g·L⁻¹，无需预处理。
- 污染去除速率：347–453 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹、22–31 mgTN·L⁻¹·d⁻¹；HLI 第 5 天达峰 453 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹ 与 31 mgNH₄-N·L⁻¹·d⁻¹。
- 生物量 1.6（LLI）–1.8（HLI）gVSS·L⁻¹，产率 0.5–0.8 gCODbiomass·gCODremoved⁻¹，PNSB 选择性 32–35%。
- 倍增时间 HLI 0.82±0.027 d 显著短于 LLI 1.06±0.004 d（p<0.05）；平台 OD620 分别约 5.2 与 4.8。
- 蛋白 LLI 48.4±0.25% 显著高于 HLI 41.8±0.90%（p<0.001）；PHA(即 PHBV) HLI 9.6±2.4% 显著高于 LLI 2.1±0.8%。
- 色素 LLI 显著更高：细菌叶绿素 12.8±0.05 mg·g⁻¹、类胡萝卜素 5.9±0.15 mg·g⁻¹（HLI 为 11.5±0.46、4.0±0.19 mg·g⁻¹）。
- 氨基酸 21 种，甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸、亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸 >3.0% 干重；赖氨酸、蛋氨酸等主要必需氨基酸满足畜禽需求。
- 脂质以油酸、棕榈酸、十六碳烯酸为主，合计 >80% 色谱峰面积，具生物柴油与饲用价值。
- As、Cd、Hg、Pb 均未检出；LLI 生物质多种微量元素（Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Se、Zn、K）高于 HLI，仍符合欧盟限量。
- 人工照明占 PNSB 工艺 OPEX 的 13–28%；本研究低光强为高光强的 52%，而产率/有机去除/营养去除分别达 65%/82%/71%。
研究背景与要解决的问题
常规曝气污水处理能耗高且排放温室气体，厌氧工艺虽省能但有机物与营养去除偏低。PNSB 代谢途径多样（光异养、光自养、化能自养、暗/厌氧呼吸），可在厌氧光照下同化有机物与氮磷并生成蛋白、脂质、生物聚合物、色素与辅酶 Q10 等产物。
制约 PNSB 工艺放大的是人工光照能耗：既有研究多采用 50–400 W·m⁻² 的高光强，在太阳能不足的地区或阴天难以维持。低光强研究极少，且多使用低浓度市政污水与红外光。
现有研究常使用合成挥发性脂肪酸或需预处理的农业废水，且多用纯培养（axenic）菌株，维护无菌条件成本高、放大困难。
本研究直接使用未预处理的气转液工艺水与以 Rhodopseudomonas 为主的非纯培养，在类阴天户外条件的低光强（9.6、17.6 W·m⁻²）下考察处理效果与生物质资源化。
概念与技术边界
PNSB（紫色非硫细菌）
一类不产氧光合细菌，可在光照厌氧下以有机物为碳源生长，并把碳氮磷同化进菌体，因此兼有净化与产物的双重价值。
光异养（photoheterotrophy）
以光为能源、以有机物为碳源的代谢方式，是本研究中 PNSB 处理废水的主要途径。
光衰减/自遮挡
菌体越浓，光在反应器内穿透越浅（PNSB 浓培养常仅约 5 cm），深层菌体缺光，成为产率上限。
PHBV
聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)，一种中链聚羟基脂肪酸酯共聚物，可替代石油基塑料，本研究在 PNSB 混合菌群中检出。
氮-蛋白换算系数
由生物质含氮量估算蛋白含量时的系数，本研究得约 7.1，而非常用的 6.25。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 反应器与进水 | 1 L Duran 玻璃瓶装 1 L，未稀释 FSPW（COD 6.1±0.05 g·L⁻¹）为碳源，另加 239 mg·L⁻¹ NH₄Cl、70 mg·L⁻¹ KH₂PO₄、NaHCO₃ 及 ATCC 微量元素/维生素（10 mL·L⁻¹），起始 pH 7.4±0.02。 |
| 接种 | 非纯培养、以 Rhodopseudomonas sp. 为主的菌群，源自当地红树林微生物垫，在富营养 FSPW 中传代 48 h；初始接种 0.05 g·L⁻¹，F/M 为 120 mg-COD/mg-biomass。 |
| 光照与运行 | 两组连续光照：HLI 17.6 W·m⁻²、LLI 9.6 W·m⁻²，全光谱 LED 位于瓶上方 4 cm，瓶外罩箱遮外光、每日交换瓶位；磁力搅拌 200 rpm，密封营造厌氧光照条件，批式运行 9 天。 |
| 常规分析 | pH/ORP、COD（闭管微消解 Hach 0–1500 mg/L）、TOC/IC/TN（680 ℃ 催化氧化）、VFA 与阴离子（离子色谱）、TSS/VSS（GF/C 滤膜 105 ℃、550 ℃ 灼烧）。 |
| 生物质表征 | 离心 10 000 g 冷冻干燥后：超声辅助碱提取+改良 Lowry 测蛋白；LC-MS/MS 测氨基酸（21 种）；Bligh & Dyer 测脂质、蒽酮法测碳水化合物；分光光度法测色素与辅酶 Q10；GC-MS 表征脂肪酸甲酯（NIST 库比对，相似度 ≥90%）。 |
| 聚合物与元素 | PHA 按文献溶剂萃取后重量法测定，FTIR（400–4000 cm⁻¹，分辨率 4 cm⁻¹）、XPS（C1s/O1s）、FE-SEM 表征；CHNS 元素分析；ICP-OES 测废水与菌体微量元素/重金属。 |
| 菌群与统计 | 16S rRNA（IonS5 测序，QIIME2-2021.8，SILVA 注释）；独立样本 t 检验（95% 置信区间），Levene 检验方差齐性。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：四联图比较 HLI（17.6 W·m⁻²）与 LLI（9.6 W·m⁻²）：(A) OD620 随时间的生长曲线；(B) TSS/VSS 与产率；(C) TOC 随时间下降；(D) NH₄-N 随时间下降，均带误差棒。
论文结果：HLI 滞后期更短、96 h 内达指数期峰值，LLI 延至第 8 天；倍增时间 HLI 0.82±0.027 d 显著短于 LLI 1.06±0.004 d（p<0.05），峰值 pH 分别为 9.1±0.2 与 8.6±0.1，平台 OD620 为 5.2±0.1 与 4.8±0.03。第 5 天 HLI 已消耗 45% 有机碳与 64% 氮，LLI 为 34% 与 46%；HLI 第 5 天去除 453 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹、31 mgNH₄-N·L⁻¹·d⁻¹，第 9 天回落至 389 与 25，而 LLI 全程 347–371 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹、21.8–21.9 mgNH₄-N·L⁻¹·d⁻¹。终点生物量 LLI 1.6 gVSS·L⁻¹、HLI 1.8 gVSS·L⁻¹。
研究意义：光强是 PNSB 光异养代谢的限制因素：高光强带来更快生长与更快去除，但两组终末期处理效果接近，说明较暗光照下仍可保持可接受的净化水平。VFA 仅占总 COD 不足 50%，其余为醇类与脂肪烃等难厌氧降解有机物，也限制了去除上限。
图示信息：(A) 由 C、H、N、O 构成的元素组成饼图；(B) 生物质干重中蛋白、脂质、碳水化合物、PHA 的质量百分比柱状图（含误差棒）。图中低光强组标注为 DLI，对应正文的 LLI。
论文结果：元素组成 HLI 为 C 50%、O 38.1%、H 6.2%、N 5.8%，LLI 为 C 50.7%、O 34.9%、H 7.6%、N 6.8%；经验式 HLI-CH₁.₇O₀.₅N₀.₁、LLI-CH₁.₈O₀.₅N₀.₁，氮-蛋白换算系数约 7.1。组分：蛋白 LLI 48.4±0.25%、HLI 41.8±0.90%（p<0.001）；脂质 HLI 33.4±2.4%、LLI 34.4±4.7%；碳水化合物 HLI 8.4±0.5%、LLI 9.9±1.9%；PHA HLI 9.6±2.4%、LLI 2.1±0.8%（p<0.05）。
研究意义：低光强菌体含氮更高、蛋白更高，而 PHA 更低，指向静止期碳分配差异：HLI 更早进入静止期，碳流向储存聚合物而非蛋白合成；元素与组分两条证据相互印证。
图示信息：按门—纲—目—家四个层级以流程图形式给出 HLI 与 LLI 两组的相对丰度（同框并列两组数值）。
论文结果：两组优势门为 Bacteroidetes 与 Proteobacteria：Bacteroidetes 在 HLI 为 50.3%、LLI 为 34.0%；Proteobacteria 在 HLI 为 37.6%、LLI 为 50.5%。以 Xanthobacteraceae（含 Rhodoplanes、Rhodopseudomonas、Bradyrhizobium）为主的 Alphaproteobacteria 约占两组的三分之一（HLI 34.7%、LLI 31.7%）。HLI 中 Bacteroidales-Plaudibacteraceae 达 46.9%（LLI 31.4%），LLI 中 Pseudomonadales-Pseudomonadaceae 达 18.0%（HLI 2.0%）。综合估算 PNSB 丰度 HLI 35%、LLI 32%；Pseudomonas 在 LLI 为 17.96%、HLI 仅 1.96%。
研究意义：光强显著重塑菌群：HLI 富集严格厌氧发酵菌 Paludibacteraceae，可将复杂有机物（含醇类）发酵为 VFA 供 PNSB 利用；LLI 中 Pseudomonas 占比高，其与 PNSB 竞争且不形成互养关系，可能限制整体处理效率。
图示信息：按培养类型、废水、光氧条件、碳氮去除速率与文献来源汇总比较。
论文结果：本研究 HLI：389–453 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹、25–31 mgNH₄-N·L⁻¹·d⁻¹（17.6 W·m⁻²，厌氧）；LLI：347–371 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹、22 mgNH₄-N·L⁻¹·d⁻¹（9.6 W·m⁻²，厌氧）。表中所列微氧或高光强研究可达 1015–1352 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹（如 47 W·m⁻² 微氧 1015、IR LED 19 W·m⁻² 微氧 1352），同一来源 FSPW 的纯异养菌研究仅 <154 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹；常规活性污泥/颗粒污泥系统为 5–1610 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹。本研究以仅 50 mgVSS·L⁻¹ 起始生物量取得上述速率。
研究意义：在显著更低光强与更低初始生物量下，本研究去除速率与同类 PNSB 系统相当，且优于同源废水的异养菌处理与部分常规批次系统；更高的去除速率往往依赖微氧条件或易降解基质，代价是能耗与成本。
图示信息：逐种氨基酸列出 LLI、HLI 及文献中三组 PNSB/PNSB 混合菌（32 W·m⁻² R. faecalis、IR 18 W·m⁻² 禽类废水、IR 18 W·m⁻² 红肉废水）的数值。
论文结果：LLI 中甘氨酸 5.9、丝氨酸 5.2、丙氨酸 3.9、亮氨酸 3.6、苏氨酸 3.6、脯氨酸 3.2、缬氨酸 3.2、天冬氨酸 3.2（% 干重）；HLI 对应为 4.4、4.3、3.3、3.4、3.1、2.5、3.0、2.8。胱氨酸 0.3、半胱氨酸 0.2、蛋氨酸 0.7、色氨酸 0.7、组氨酸 0.9 为最低组（<1.0%）。除个别项外，LLI 各氨基酸含量高于或持平 HLI。
研究意义：两组的氨基酸谱均满足鱼类、虾类与家禽等多种养殖动物的需要，并优于玉米、豆粕、海藻等植物蛋白源（后者常缺赖氨酸与蛋氨酸）；甘氨酸与丝氨酸含量尤其突出，对家禽营养重要。低光强在蛋白质量上不劣于高光强。
图示信息：汇总本研究与其他研究在废水类型、PNSB 类型及蛋白、脂质、碳水化合物、类胡萝卜素、细菌叶绿素、辅酶 Q10 含量上的数据。
论文结果：本研究：蛋白 48–43%（改良 Lowry）、脂质 33–34%、碳水化合物 8.4–9.9%、类胡萝卜素 0.4–0.6%、细菌叶绿素 1.2–1.3%、辅酶 Q10 0.001–0.004%。同类文献多为蛋白 27.5–64.9%、脂质 3.4–25.3%，辅酶 Q10 可达 3.0–4.52%。
研究意义：本研究脂质含量高于多数 PNSB 混合菌处理研究，辅酶 Q10 含量偏低；不同产物谱取决于菌群与培养条件。
图示信息：列出营养上不可取的金属（As、Cd、Hg、Pb）、营养可取金属（Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Se、Zn）与其他金属（K、Tl、Be）在 HLI 与 LLI 干生物质中的含量及限量。
论文结果：As、Cd、Hg、Pb 及 Tl、Be 均未检出。营养性元素（HLI / LLI）：Co 17.6±3.1 / 22.0±7.8，Cr 20.9±4.7 / 16.5±7.8，Cu 29.7±1.6 / 85.3±11.7，Fe 579.7±1.6 / 1366.8±3.9，Mn 365.2±6.2 / 704.0±31.1，Ni 16.5±1.6 / 41.3±3.9，Se 6.6±3.1 / 8.3±1.7，Zn 72.6±3.1 / 203.5±15.6，K 199.1±4.7 / 437.3±35.0。LLI 多数元素更高。
研究意义：生物质不含关注的四种有害重金属，且富含作物必需微量元素，具备生物肥料潜力；LLI 金属累积更高，推测与非纯培养中 Pseudomonas 的金属累积能力及更长的滞后期（瞬时金属累积）有关。若某些微量元素超限，可通过调整进水微量元素投加或与缺乏该元素的饲料复配来调控。
机制小结
- 光强决定光异养代谢的能量输入：高光强缩短滞后期与倍增时间，加快有机物与氮的摄取；但生物量增浓后光衰减（浓培养光穿透约 5 cm）使两组终期均受光限制，终点生物量接近。
- 有机物供给顺序导致速率变化：PNSB 优先利用乙酸、丙酸等 VFA，VFA 耗尽后需代谢醇类和脂肪烃等难降解组分，生长与去除速率随之下降。
- 光强驱动群落分工：HLI 富集 Paludibacteraceae 等发酵菌，将复杂有机物转化为 VFA 供 PNSB，形成可能的互养关系；LLI 富集 Pseudomonas，与 PNSB 竞争且不成互养。
- 碳流向随生长阶段改变：HLI 更早进入静止期，碳向 PHA 储存分流；光照不足时 PNSB 倾向累积色素（细菌叶绿素、类胡萝卜素）以适应低光。
工程与产业含义
- 低光强（9.6 W·m⁻²）相对高光强（17.6 W·m⁻²）减少 48% 光照投入，而产率/有机去除/营养去除仍达 65%/82%/71%，说明按目标产量与出水水质优化光照可获得相对经济优势。
- 人工照明占 PNSB 废水处理与 SCP 生产 OPEX 的 13–28%，是主要成本项；降低光强、使用非纯培养（免灭菌）与不控 pH（免酸碱投加）均可降本，FSPW 无悬浮物故省去过滤。
- 该技术适用于低–中浓度废水；对高浓度废水速率偏慢，可通过转为微氧条件并提高光强改善（同源废水 22 W·m⁻²、0.8 mg O₂/L 时有机去除可达 2100 mgCOD·L⁻¹·d⁻¹）。
- 回收生物质同时含食用与非食用产物（蛋白、色素、脂质、生物塑料、多聚磷酸盐、微量元素），可对应多种工业废水与多产品流。
- 未来可评估以红外光为主要光源、对比红外与可见光，并开展生命周期评价与技术经济分析，判断夜间补光的经济性。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 太阳能不足或常年阴天的地区，以自然光或低强度人工光驱动 PNSB 资源回收
- COD 数千至万余 mg·L⁻¹、成分相对温和（无毒性金属）的工业废水（如费托合成工艺水）
- 希望同步获得蛋白饲料、色素、脂质生物柴油原料、PHBV 与生物肥料的场景
- 无法维持无菌条件、倾向使用非纯培养的规模化场景
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 要求极高出水标准的场合：本研究 9.6–17.6 W·m⁻² 厌氧条件下速率对高浓度废水偏慢
- 含高浓度毒性重金属或有毒有机污染物的废水，未经预处理直接培养存在风险
- 以产气（甲烷）回收为目标的场景，本研究为同化型而非矿化型处理
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 缺少反应器内生物量浓度与光强随时间变化的相关数据，难以据此动态调节光照。
- 为批式 9 天试验，未验证连续运行下菌群稳定性与长期性能。
- 蛋白/氨基酸测定采用改良 Lowry 与 LC-MS/MS，文中提示氨基酸实测值可能高于真实值，蛋白含量据此估算存在高估风险。
- 生物质直接用作饲料前仍需遗传毒性、核酸含量、多环芳烃残留、重金属与病原体筛查及长期饲喂试验。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
论文为开放获取（CC BY），支持信息随在线版本提供（doi:10.1016/j.psep.2024.12.037）。经费来自卡塔尔国家研究基金（MME01–0910–190029）与壳牌研究与技术中心；作者声明无竞争性利益冲突。