文献信息
英文题名
In-depth analysis of photosynthetic bacteria cultivation and community succession modeling in food fermentation wastewater based on sustainable utilization
作者
Nannan Li, Guankai Qiu, Chunhua Yin, Hongwen Yu
期刊 / 年份
Chemical Engineering Journal 2025
DOI
10.1016/j.cej.2025.169774
卷期 / 页码
Vol. 524, 169774
单位
中国科学院东北地理与农业生态研究所（黑土保护与利用国家重点实验室）；中国科学院大学；北京科技大学化学与生物工程学院
一句话概括：针对 PSB 处理食品发酵废水，先用单因素、Plackett-Burman 与 Box-Behnken 响应面确定最优培养条件并建立二次回归模型，再用 16S rRNA 测序结合 iCAMP 装配模型、共现网络与 PICRUSt2 功能预测揭示不同生长阶段的群落演替与功能转变，最后用深共熔溶剂（DES）超声辅助提取类胡萝卜素并做组分鉴定。
一图不看也要知道的几件事
- FFW 为餐饮废物厌氧消化产生的液体副产物，以乳酸为主（66.4 g/L），乙酸 2.8 g/L，且含氨氮、氨基酸与微量元素。
- 单因素优化：1000 lx 第 8 天生物量最高（15.95），优于 1500 lx（15.45）与 2000 lx（15.20）；C/N 12.5 第 9 天达 16.21（较对照提高 2.3 倍）；pH 7.0 为 17.91；37 ℃ 最适；6 μmol/L Ni2+ 与 75 mg/L 维生素 B4（18.44）显著促进生长。
- Plackett-Burman 12 组试验生物量 10.45-19.44，模型 P=0.0011；因素显著性 pH(X3) > C/N(X2) > 光照(X1) > Ni2+(X5) > 温度(X4) > VB4(X6)，其中 pH、C/N 为极显著（P<0.01），光照显著（P<0.05）。
- 二次回归方程（编码值）：Y = 22.002 − 0.42375X1 + 0.6875X2 + 0.41125X3 + 0.0325X1X2 + 0.115X1X3 − 0.0625X2X3 − 0.131X1² − 0.6435X2² − 0.781X3²。
- RSM 模型 ANOVA：F=76.35、P<0.001，失拟 P=0.1517（不显著），预测 R²=0.8825、调整 R²=0.977；除交互项 X1X2、X1X3、X2X3 与 X1² 外各模型项均显著（P<0.05）。
- 最优点为光照 1000 lx、C/N 16.25、pH 7.1，预测生物量 22.484 g/L、实测 23.276 g/L，偏差仅 3.5%，较优化前提高 25.82%。
- 全程共享核心微生物组 233 个类群；稳定期独有物种最多（41 个）；PCA 显示稳定期群落沿 PC1（80.39%）明显分离。
- 稳定期较对数期物种丰富度提高 2.1 倍、系统发育多样性提高 1.2 倍，Shannon 与 Simpson 指数分别提高 35% 与 28%。
- iCAMP：由 679 条 ASV 划分出 69 个 bin，漂变（DR）占 71.65%-91.2%、同质选择（HoS）占 0.27%-7.34%；Bin 4（放线菌门，丰度 4.59%）由 HoS 主导，Bins 1、2、3、5（变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门，合计 25.8%）由 DR 主导；36 个 bin（54.2%）对稳定期呈负响应，27 个 bin（39.13%）呈正响应。
- DES 提取中 ChCl:TA（氯化胆碱:酒石酸，摩尔比 2:1）效果最好，类胡萝卜素产率 3.61%（干重），显著高于其他 ChCl 基 DES（1.89%-2.95%）。
- 鉴定出 6 种主要类胡萝卜素，保留时间 8.514、9.095、12.224、13.116、17.851、25.901 min，分别对应 OH-spirilloxanthin、rhodovibrin、3,4-didehydrorhodopin、rhodopin、anhydrorhodovibrin、lycopene，其中番茄红素、rhodopin 与 3,4-didehydrorhodopin 最丰富。
- 相较丙酮/己烷等传统溶剂，DES 路线在实现更高提取效率的同时可复用溶剂、减少有毒废物与能耗；初步技术经济分析显示运行成本降低 20%-30%，生命周期评价显示温室气体排放降低 40%-50%。
研究背景与要解决的问题
食品发酵废水（FFW）由乳酸菌以食物废物为底物的工业发酵产生，富含有机酸、糖与蛋白，直接排放易引起水体富营养化与缺氧；其中乳酸等短链脂肪酸是 PSB 的优选碳源。
PSB 兼具高效降解有机污染物与合成高值代谢物（如类胡萝卜素）的能力，可将 FFW 中的有机酸转化为具抗氧化、抗炎价值的类胡萝卜素，用于营养补充剂与化妆品。
以往 PSB 群落研究多关注多样性，忽视不同生长阶段的群落功能与演替机制；而群落的组成与功能会随生长阶段动态变化，直接影响 PSB 的生长效率与处理性能。
深共熔溶剂（DES）作为绿色可再生溶剂可替代传统有机溶剂提取类胡萝卜素，将其与 PSB 处理耦合可提升整体经济与环境效益。
概念与技术边界
PSB（光合细菌）
能利用光能进行光合作用的细菌，可厌氧光合、以有机酸为电子供体，在低氧、能量受限环境中具有竞争力，同时降解有机物并合成高值产物。
FFW（食品发酵废水）
工业发酵产生的液体副产物，乳酸含量高（66.4 g/L）、可生化性好，是 PSB 培养与资源化的优质基质。
Plackett-Burman 设计
一种高效筛选多因素显著性的部分因子试验设计，用少量试验从多个变量中挑出对响应影响最大者。
Box-Behnken 设计（BBD）/ RSM
响应面法的一种三水平设计，通过拟合约二次多项式模型寻找多因素最优组合并刻画交互作用。
iCAMP
基于系统发育 bin 的零模型分析方法，量化群落装配中确定性（同质选择 HoS、异质选择 HeS）与随机性（扩散限制 DL、同质扩散 HD、漂变 DR）过程的相对贡献。
漂变（drift, DR）
微生物相对丰度的随机波动，反映群落装配中随机过程的影响；其占比升高说明随机性增强，但结构受确定性调控更强时漂变速率的变化反映选择压力。
PICRUSt2
基于 16S rRNA 基因序列推断微生物群落功能（如代谢通路相对丰度）的工具，用于比较不同阶段的蛋白功能。
DES（深共熔溶剂）
由氢键受体（如氯化胆碱）与氢键供体按一定摩尔比形成的绿色溶剂，可替代传统有机溶剂用于生物活性物提取。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 菌种与培养基 | PSB 菌株来自北京科技大学，已在处理 FFW 中使用；60 mL 培养瓶、37 ℃、500 lx 白炽灯、pH 6.8-7.0。培养基含乙酸钠 3 g/L、氯化钠 0.5 g/L、氯化铵 1 g/L、磷酸氢二钾 1 g/L、七水硫酸镁 0.5 g/L、无水氯化钙 0.02 g/L、柠檬酸铁铵 0.01 g/L、酵母粉 0.5 g/L、复合维生素 B 0.01 g/L。 |
| 处理试验 | 在 20 mL 培养瓶中厌氧光照培养，工作体积 20 mL、接种率 50%；C/N 通过添加固体氯化铵调节，pH 用盐酸与碳酸氢钠（或氢氧化钠）调节；每 24 h 取 1 mL 测生物量。单因素、Plackett-Burman 与 Box-Behnken 设计细节见原文补充材料。 |
| 分析方法 | 生物量以 500 nm 吸光度测定；TOC/TN 用 TOC-V CPH（配 TNM-1）；乳酸与乙酸用 HPLC（LC-20A，Inertsustain Aq-C18 柱，25 ℃，流动相 A 为 98% 磷酸二氢钾缓冲液 pH 2.5、B 为乙腈，1.0 mL/min）；pH 用 pH 计测定。 |
| 测序与建模 | CTAB 法提取 DNA，Illumina MiSeq（2×300 bp）测序，QIIME2 分析（Majorbio 云平台）；PICRUSt2 v2.2.0 预测蛋白功能；构建网络结构模型识别关键物种；相关性分析评估共现与相互作用；iCAMP（R 4.3.2）量化装配过程。 |
| DES 提取类胡萝卜素 | 以氯化胆碱（ChCl）为氢键受体，与不同氢键供体（1,2-丙二醇、甘油、葡萄糖、乙二醇、1,3-/1,4-/1,6-丁二醇、蔗糖、乳酸、酒石酸）按不同摩尔比配制 DES，与甲醇按 80/20（w/w）使用；80 ℃ 搅拌 4 h 制备，试剂预先高真空干燥 3 h；超声辅助提取，动力学监测 300 min；HPLC（473 nm）与 UV-Vis、质谱鉴定组分。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：三行（a/b/c），每行左为 3D 响应面（Z 轴 PSB 生物量约 19-23），右为对应 2D 等高线；a 为光照（1000-2000 lx）×C/N（5-20，固定 pH 7），b 为光照×pH（6.5-7.5，固定 C/N 12.5），c 为 C/N×pH（固定光照 1500 lx），颜色由蓝（低）到红（高）。
论文结果：生物量随光照强度升高而下降（过高光照引起光抑制与氧化胁迫）；C/N 与 pH 在特定范围内对生物量有正效应，C/N 约 17、pH 约 7.0 时出现峰值，再升高则因底物抑制或酶活改变而回落；C/N 与 pH 的协同作用尤为明显，峰值出现在 C/N 约 14-17、pH 约 7.1-7.3。最优组合为光照 1000 lx、C/N 16.25、pH 7.1，预测生物量 22.484 g/L，实测 23.276 g/L，偏差 3.5%，优化后提高 25.82%。
研究意义：响应面模型可靠，可用于指导 PSB 培养条件优化；光照过强反而抑制生长，说明光强需精确控制而非越高越好；C/N 与 pH 存在可调优的交互窗口。
图示信息：a 为 Venn 图；b 为 PCA（横轴 PC1 80.39%、纵轴 PC2 16.09%，含 Lag/Log/Stationary/Death 四阶段）；c-f 分别为 Chao1、PD whole tree、Shannon、Simpson 指数按四阶段（Lag、Log、Stationary、Death）的箱线/散点图。
论文结果：四阶段共享核心微生物组 233 个类群，稳定期独有物种最多（41 个）；PCA 显示稳定期群落在 PC1（80.39%）上显著分离；稳定期较对数期物种丰富度提高 2.1 倍、系统发育多样性提高 1.2 倍，Shannon 与 Simpson 指数分别提高 35% 与 28%；死亡期多样性下降，耐胁迫菌株比例显著升高。
研究意义：生长阶段转换对群落结构具有强确定性驱动；稳定期是群落重构的关键节点（多样性、功能复杂度最高），而死亡期出现选择性淘汰，群落仍能维持一定的生态韧性与功能稳定性。
图示信息：聚类热图，约 20 行（COG 功能类别，如翻译、氨基酸转运与代谢、细胞壁/膜/包膜生物合成、辅酶转运与代谢、翻译后修饰与蛋白周转与伴侣、能量生产与转化、无机离子转运与代谢、防御机制、脂质转运与代谢、次级代谢物生物合成/转运/降解等）×4 列（Lag/Log/Stationary/Death 四阶段）；颜色由紫（−1）到橙（+1），左侧按 Pathway 分为遗传信息、细胞结构、能量代谢、代谢物转运四类，带行/列聚类树与显著性标记。
论文结果：对数期与遗传信息加工、细胞结构维持相关功能显著活跃（P<0.01）；进入稳定期后防御机制显著升高（P<0.001），应力相关基因表达提高 2.2 倍，同时脂质转运与代谢、次级代谢物生物合成/转运/降解显著升高（P<0.01）；死亡期多数功能（能量生产、无机离子转运、胞外结构、转录、碳水代谢等）显著下降。
研究意义：群落在稳定期从快速生长转向生理适应与功能维持，蛋白功能重组伴随胁迫响应与抗氧化、DNA 修复等保护策略激活，为群落高环境适应性提供功能基础。
图示信息：a 为堆叠柱状图（纵轴相对丰度 %，横轴 Lag/Log/Stationary/Death 各三个重复）；b 为相关性热图（色标相关系数 1、0.5、0、−0.5、−1，右侧列类群名）；c 为机制示意图，标注 Lag/Log 期协作相互作用、Stationary/Death 期竞争相互作用。
论文结果：优势属呈阶段性更替：Pseudomonas → Rhodopseudomonas → Pseudomonas。迟滞期 Pseudomonas 与 Tyzzerella 强正相关（r>0.8，乳酸降解代谢互补）；对数期 Rhodopseudomonas 与 Bordetella、Defluviitalea、Dysgonomonas 形成协作网络（NADH/NAD+ 氧化还原耦合）；稳定期与死亡期竞争加剧，Rhodopseudomonas 与 Klebsiella pneumoniae 呈负相关（r<−0.6）。LEfSe 鉴定的阶段标志物（LDA>4.0）为迟滞期 Rhodopseudomonas、对数期 Clostridium_sensu_stricto_7、稳定期 Pseudomonas、死亡期 Proteiniphilum；网络分析识别 5 个关键类群（Sedimentibacter、Tyzzerella、Acetoaerobium、Defluviitalea、Proteiniphilum，各 18-19 条边）。
研究意义：群落由早期协作主导转向资源稀缺下的竞争驱动，Rhodopseudomonas 作为对数期关键光合菌利用有机酸支撑系统；核心物种通过代谢交换与功能互补提升网络韧性与胁迫耐受。
图示信息：中心为径向系统发育树（Tree），四角子图为 a（各 bin 生态过程相对重要性）、b（各 bin 相对丰度）、c（对迟滞期 HoS 的贡献）、d（对稳定期 DR 的贡献），各含“Bar color”与“Scale”说明。
论文结果：iCAMP 将 679 条 ASV 划分为 69 个 bin；漂变（DR）占 71.65%-91.2%、同质选择（HoS）占 0.27%-7.34%，异质选择与扩散限制贡献可忽略。丰度最高的 5 个 bin 中，Bin 4（放线菌门，占总 bin 丰度 4.59%）由 HoS 主导，其余 4 个 bin（Bins 1、2、3、5；变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门，合计 25.8%）由 DR 主导；扩散限制方面 36 个 bin（54.2%）对稳定期呈负响应，27 个 bin（39.13%）呈正响应。稳定期漂变速率加快 2%。
研究意义：生长阶段显著影响群落装配机制：稳定期扩散限制显著下降，指示群落趋于均质化与稳定，PSB 代谢活动营造出均一的选择性微环境，削弱生态位分化与随机过程影响，使确定性控制增强。
图示信息：HPLC 色谱图（纵轴 mAU 0.0-15.0、横轴 min 2.5-27.5，左上标注“473 nm, 4 nm”），以红色字母 a-f 标注六个主要峰。
论文结果：ChCl:TA（氯化胆碱:酒石酸，摩尔比 2:1）提取效果最佳，类胡萝卜素产率达干重 3.61%，显著高于其他 ChCl 基 DES（1.89%-2.95%）；动力学显示 120 min 内可达约 90% 提取效率（监测 300 min）；HPLC 鉴定出六个主要组分，保留时间分别为 8.514、9.095、12.224、13.116、17.851、25.901 min，对应 OH-spirilloxanthin、rhodovibrin、3,4-didehydrorhodopin、rhodopin、anhydrorhodovibrin、lycopene，其中 lycopene、rhodopin 与 3,4-didehydrorhodopin 最丰富。
研究意义：DES 较传统丙酮/己烷方法提取效率更高，可复用溶剂并减少有毒废物；六个组分为光合膜系统中参与捕光、单线态氧淬灭与反应中心稳定的关键色素，其高丰度说明该类胡萝卜素在光保护与能量传递中贡献显著。
图示信息：Table 1 列出 10 种 DES 配方（ChCl 与不同氢键供体的摩尔比，DES/MeOH 均为 80/20 w/w），如 ChCl:1,2-PG（1:1）、ChCl:Gly（1:2）、ChCl:Glu（5:2）、ChCl:EG（1:4）、ChCl:1,3-BDO（1:2）、ChCl:1,4-BDO（1:3）、ChCl:1,6-BDO（1:2）、ChCl:Suc（1:3）、ChCl:LA（1:1）、ChCl:TA（2:1）；Table 2 汇总模型各项的平方和、自由度、均方、F 值与 P 值。
论文结果：Table 2 显示模型 F=76.35（P<0.001）；X1（光照）F=86.76、X2（C/N）F=228.37、X3（pH）F=81.71 均 P<0.001；交互项 X1X2（F=0.2552）、X1X3（F=3.19）、X2X3（F=0.9437）与 X1²（F=4.36）不显著；X2²（F=105.30）、X3²（F=155.11）显著（P<0.001）；失拟 F=3.10（不显著，P=0.1517）。
研究意义：方差分析证实三个主因素均对生物量有极显著影响，交互项贡献有限而二次项显著，说明响应面呈明显曲率、存在最优区间；失拟不显著支持模型充分性。
机制小结
- PSB 在低氧、能量受限环境中利用乳酸、乙酸等有机酸作为电子供体进行厌氧光合，形成对光能与有机酸的双重依赖。
- 迟滞期与对数期以异养菌先行降解复杂有机物、释放小分子底物（乳酸、氨基酸等）启动 PSB 增殖，形成互养-协作的网络关系。
- 进入稳定期后资源枯竭，竞争加剧，群落从协作转向竞争，防御机制、脂质代谢与次级代谢上调，实现从快速生长到生理适应的代谢重构。
- iCAMP 显示漂变（DR）为主要装配过程，但稳定期扩散限制下降、确定性选择增强，说明 PSB 代谢营造均一微环境并推动群落均质化。
- 类胡萝卜素位于光合膜系统，参与捕光、单线态氧淬灭与反应中心稳定；DES 中氯化胆碱的氯离子强吸引羟基，增强类胡萝卜素溶解度，从而提升提取率。
工程与产业含义
- 建立了可预测的 PSB 培养响应面模型（预测与实测偏差仅 3.5%），可用于快速锁定工业化培养条件。
- ChCl:TA 深共熔溶剂可替代传统有机溶剂提取类胡萝卜素，产率 3.61% 干重，且溶剂可复用、减少有毒废物与能耗。
- 初步技术经济分析显示运行成本可降低 20%-30%，生命周期评价显示温室气体排放降低 40%-50%，支撑规模化绿色提取路径。
- 将群落演替调控（延长稳定期、维持协作网络）与绿色溶剂提取耦合，可实现废水处理与高值产物回收的同步。
- 六种类胡萝卜素可用于营养补充剂、化妆品与功能食品，为食品发酵废水的资源化提供高值出口。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 食品发酵工业（以乳酸为主的发酵废水、餐饮废物厌氧消化液）的 PSB 处理与类胡萝卜素回收
- 需要高值天然色素（类胡萝卜素）的保健、化妆品与功能食品原料生产
- 希望以绿色溶剂替代有机溶剂、面向可持续与低碳目标的提取工艺
- 对群落演替机制感兴趣、需要以生长阶段调控微生物群落功能的生物工艺优化
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 直接外推到含重金属、病原体或复杂毒物的工业废水（需先评估安全性与毒性）
- 对 PSB 无光/低氧适应性的好氧处理场景
- 将 DES 提取工艺直接套用于热敏性强、需极低温操作的其他生物活性物（需另做验证）
- 大尺寸系统未做验证的连续/半连续规模化运行
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 试验在 20 mL 培养瓶规模完成，未在放大反应器中验证光分布、传质与生物量持留问题。
- 响应面优化仅基于生物量这一指标，未同时纳入类胡萝卜素含量或污染物去除率的联合优化。
- 类胡萝卜素提取产率 3.61% 与动力学模型参数部分依据补充材料（Table S8），主干正文未完整给出全部动力学常数。
- 群落建模基于 16S rRNA 与 PICRUSt2 功能预测，属推断而非直接宏基因组/宏蛋白组证据；iCAMP 结果依赖系统发育 bin 划分。
- 经济与生命周期收益（成本降 20%-30%、GHG 降 40%-50%）引用自他人初步技术经济与生命周期评价，非本研究实测。
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）。基金：国家自然科学基金（42377030）。利益冲突：作者声明无已知竞争性经济利益或个人关系。文章版权归 Elsevier B.V. 所有（含数据挖掘和 AI 训练限制），发表于 Chemical Engineering Journal 524 (2025) 169774，2025 年 10 月 20 日在线。