文献信息
英文题名
Comprehensive light strategy for regulating photosynthetic bacteria in wastewater treatment systems for single-cell protein production
作者
王晓丹, 卢海凤, 张光明, 司哺春, 卞含笑, 唐帅, 蒋伟忠, 李保明
期刊 / 年份
农业工程学报 (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering) 2024
DOI
10.11975/j.issn.1002-6819.202312072
卷期 / 页码
40(11): 227–237
单位
中国农业大学三亚研究院；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；河北工业大学能源与环境学院
一句话概括：以自配制糖废水为基质，系统对比光质、光强、光周期三类供光策略对 R. palustris 生物量、蛋白质浓度/含量与污染物去除的影响，并用 Pearson 相关性分析揭示光—生长—产物—降解之间的耦合规律。
一图不看也要知道的几件事
- 供试菌种为农业部认定的益生菌沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris），初始接种量 360 mg/L（干密度）。
- 自配制糖废水初始 COD 4000 mg/L、NH4+-N 250 mg/L、TP 40 mg/L，碳氮比 16；反应器 1000 mL 高硅瓶，工作体积 600 mL，厌氧、磁力搅拌 150 r/min。
- 光质最优为白炽灯（全光谱 380～780 nm，60 W），生物量 (1023.18±201.17) mg/L、菌体日产量 (0.32±0.10) g/(L·d)、产率 (0.31±0.03) mg/mg，较黄/绿/蓝光组分别提升 37.26%～43.79%、108.82%～137.92%、42.01%～91.85%（P<0.05）。
- 全光谱白光第 96 小时生物量 (950.54±2.47) mg/L，较红、黄、蓝、绿光组提升 12.60%、18.73%、29.28%、41.28%（P<0.05）。
- 光强最优为 120 μmol/(m²·s)，生物量 (1646.12±2.47) mg/L、菌体日产量 (0.77±0.01) g/(L·d)、产率 (0.44±0.05) mg/mg，生物量较对照组与 240 μmol/(m²·s) 组提升 60.23%～140.19%（P<0.05）。
- 光周期最优为 18 L/6 D，生物量 (1140.56±19.72) mg/L、菌体日产量 (0.32±0.02) g/(L·d)，较 24 L/0 D、3 L/21 D、9 L/15 D 组分别提升 17.06%～93.21%、54.43%～299.93%（P<0.05）。
- 蛋白质浓度最高出现在光强 120 μmol/(m²·s)、第 72 小时，为 (803.59±2.62) mg/L，较对照组和 240 μmol/(m²·s) 组提高 61.90%～94.18%（P<0.05）。
- 全光谱白光第 96 小时蛋白质浓度 (555.66±9.18) mg/L，较蓝、绿光组提高 24.77%、33.47%（P<0.05）；其蛋白质产率 (2.49±0.05) mg/mg，较绿光组提高 51.85%（P<0.05）。
- 3 L/21 D 光周期第 96 小时蛋白质质量分数最高，为 67.47%，较其他所有试验组提高 21.96%～44.54%（P<0.05）。
- 绿光第 96 小时蛋白质含量 (624.13±96.17) mg/g，是白炽灯 (488.62±18.42) mg/g 的 1.28 倍；无光（0 μmol）第 72 小时含量 (608.75±17.62) mg/g，较 80、120、240 组提高 21.70%～25.83%（P<0.05）。
- 光强 40～200 μmol/(m²·s) 下 COD 去除率均>80%，其中 160 μmol/(m²·s) 最高达 91.39%；NH4+-N 去除率均>85%。
- 光周期 18 L/6 D 下 COD 去除率 72.03%（3 L/21 D 仅 51.10%，提升 40.97%），NH4+-N 去除率 78.40%，较对照组及光照≤12 h 组提高 2.97%～20.26%（P<0.05）。
- 相关分析：光周期与蛋白质浓度（r=0.82）、NH4+-N 去除率（r=0.81）高度正相关；光强与菌体日产量中度正相关（r=0.69）、与蛋白质含量中度负相关（r=-0.61）；光质与生物量、蛋白质浓度、蛋白质日产量高度负相关（r 分别为 -0.97、-0.98、-0.97）。
- 在制糖、大豆、乳酸、啤酒等实际废水中，进水 COD 500～8500 mg/L、氨氮 50～750 mg/L 波动下，PSB 生物量与蛋白质含量仍维持 652～2500 mg/L 与 50%～69%。
研究背景与要解决的问题
中国畜禽肉类产量与消费量居世界前列（2021 年产量 8989.99 万 t、消费量 12713.4 万 t，占世界约 1/3），饲料蛋白是影响养殖效率的关键，而 2020 年中国蛋白质饲料缺口已达 4800 万 t。农业农村部 2021 年发布《饲料中玉米豆粕减量替代工作方案》，寻找新型蛋白源迫在眉睫。
单细胞蛋白（SCP）由细菌、酵母、微藻等单细胞微生物大规模培养获得，含必需氨基酸、维生素与微量元素，受气候地理条件制约小、可利用废弃物养分，是潜力较大的饲料替代来源。光合细菌因生长快、胞内蛋白与必需氨基酸含量高、无细胞壁、核酸含量低而受关注，且能耐受高有机负荷废水。
富含营养而缺乏金属离子与有机污染物的无毒废水更适合回收菌体蛋白，食品加工废水即为适宜基质。但光照对 PSB 碳氮同化与 SCP 合成的调控研究仍不足，既有工作多聚焦生物量与色素，缺少对光质、光强、光周期“全面供光策略”的系统考察。
概念与技术边界
单细胞蛋白（SCP）
对细菌、酵母、微藻等单细胞微生物大规模培养后获得的蛋白资源，含必需氨基酸、维生素与微量元素，可作饲料蛋白替代。
沼泽红假单胞菌（R. palustris）
一种紫色非硫光合细菌，被认定为益生菌，生长快、蛋白含量高、无细胞壁且核酸低，适合从废水回收菌体蛋白。
光质/光强/光周期
分别为光的波长组成、光量子密度与明暗交替节奏，是调控 PSB 代谢、产能方式与生长节律的三类环境因子。
蛋白质含量与蛋白质浓度
含量指单位菌体干重的蛋白质比例（mg/g 或 %），浓度指单位体积菌液中的蛋白量（mg/L），二者可此消彼长。
蛋白质转化产率
生成的蛋白质增量与消耗的 NH4+-N 增量之比（mg/mg），衡量氮向蛋白转化的效率。
卡氏循环/卡尔文循环
PSB 光合固碳的核心途径，为 SCP 合成提供能量与碳骨架；白炽灯全光谱下酶活性更高。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 菌种与预培养 | R. palustris 接种于灭菌 Van Niel's 酵母培养基，白炽灯 60 W、60 μmol/(m²·s)、28 ℃ 光照厌氧培养，取对数生长期菌液接种。 |
| 试验废水 | 自配制糖废水：蔗糖 1.5 g/L、苹果酸 1.5 g/L、乙酸钠 1.6 g/L、硫酸铵 1 g/L、磷酸二氢钾 0.2 g/L、七水硫酸镁 0.1 g/L，用 0.5 mol/L HCl/NaOH 调 pH 至 7.0；初始 COD 4000、NH4+-N 250、TP 40 mg/L，C/N=16。 |
| 反应器与运行 | 1000 mL 高硅瓶、工作体积 600 mL，封口膜封闭，每组 3 重复；接种 360 mg/L；厌氧、磁力搅拌 150 r/min；接种前对废水与反应器高温高压灭菌。 |
| 供光策略设计 | 光质：白炽灯为对照，试验组为全光谱白光、红光（557～711 nm）、黄光（542～665 nm）、蓝光（404～528 nm）、绿光（542～665 nm），均 18 W；光强：0、40、80、120、160、200、240 μmol/(m²·s)；光周期：24L/0D（对照）与 3L/21D、9L/15D、12L/12D、15L/9D、18L/6D。 |
| 指标测定 | 每 24 h 取菌液 8 mL，6000 r/min 离心 5 min；COD 用重铬酸钾法，NH4+-N 用纳氏试剂分光光度法；生物量用干重-OD 法；蛋白质用快速 Lowry 试剂盒在 750 nm 测定；按公式计算蛋白质含量、菌体与蛋白质日产量、菌体产率、蛋白质转化产率。 |
| 统计分析 | SPSS 20 以 Duncan's 法多重比较（P<0.05）；双变量法进行 Pearson 相关性分析（r∈[-1,1]，P<0.05 显著）；绘图用 Excel 2019、OriginPro 2023b、Adobe Illustrator 2021。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：三幅折线图，横轴为时间 24～120 h，纵轴为生物量 mg/L：(a) 光质六组（白炽灯、白光、红光、黄光、蓝光、绿光）；(b) 光强七组（0～240 μmol/(m²·s)）；(c) 光周期六组（24L/0D～18L/6D）。
论文结果：光质最优为白炽灯，生物量 (1023.18±201.17) mg/L，全光谱白光第 96 小时 (950.54±2.47) mg/L；光强最优 120 μmol/(m²·s)，生物量 (1646.12±2.47) mg/L；光周期最优 18 L/6 D，生物量 (1140.56±19.72) mg/L。白炽灯组第 72 小时后生物量明显下降（营养耗尽进入停滞期），红光组第 96 小时较蓝、绿光组高 14.82%、25.47%（P<0.05）。
研究意义：全光谱优于分段光谱、中等光强优于过高或过低、间歇光照优于连续光照，说明单一光谱或极端光强会造成光抑制或能量供给失衡。
图示信息：按光质、光强、光周期三个子表列出菌体日产量 (g/(L·d))、蛋白质日产量 (g/(L·d))、菌体产率 (mg/mg) 与蛋白质转化产率 (mg/mg)，同列不同字母表示 P<0.05 显著差异。
论文结果：光质：白炽灯四指标分别为 0.32±0.10、0.14±0.01、0.31±0.03、2.43±0.00；全光谱白光 0.22±0.03、0.11±0.02、0.28±0.02、2.49±0.05；绿光最低（0.13±0.06、0.07±0.01、0.16±0.08、1.64±0.08）。光强：120 μmol 菌体日产量与产率最高（0.77±0.01、0.44±0.05），160 μmol 蛋白质日产量最高（0.37±0.02）。光周期：18 L/6 D 菌体日产量 (0.32±0.02) 与蛋白质日产量 (0.22±0.02) 最高，蛋白质转化产率 1.77±0.35。
研究意义：产量（日产量/产率）与蛋白质转化产率在不同维度下并不同步，说明“多产菌体”“多产蛋白”“高效用氮”需要不同的光策略组合。
图示信息：三幅折线图，横轴 24～120 h，纵轴蛋白质浓度 mg/L，分组同图1。
论文结果：光质：全光谱白光第 96 小时 (555.66±9.18) mg/L，较蓝、绿光组高 24.77%、33.47%；红光较蓝、绿光高 17.20%、25.38%；黄光较绿光高 17.22%（P<0.05）。光强：120 μmol/(m²·s) 第 72 小时最高 (803.59±2.62) mg/L，较对照与 240 组高 61.90%～94.18%（P<0.05）。光周期：18 L/6 D 最高 (506.53±48.20) mg/L，较 3 L/21 D、9 L/15 D 高 24.35%～43.88%（P<0.05）；15 L/9 D 为 (466.99±10.21) mg/L，较 3 L/21 D 高 32.65%。
研究意义：蛋白质浓度（绝对量）与生物量对光条件的响应规律一致，均偏好全光谱与中等光强；但高蛋白“浓度”并不等于高蛋白“含量”。
图示信息：三幅柱状/分组图，纵轴为蛋白质质量分数 (mg/g)：(a) 光质六组；(b) 光强 0～240；(c) 光周期六组。
论文结果：光质：绿光第 96 小时含量最高 (624.13±96.17) mg/g，是白炽灯 (488.62±18.42) mg/g 的 1.28 倍，分段光谱优于全光谱。光强：调控未显著改变蛋白合成，含量维持约 50%（文献常见范围 40%～60%）；但 0 μmol/(m²·s) 第 72 小时达 (608.75±17.62) mg/g，较 80、120、240 组高 21.70%～25.83%（P<0.05）。光周期：3 L/21 D 第 96 小时含量最高 67.47%，较其余组高 21.96%～44.54%（P<0.05）。
研究意义：蛋白“含量”与“浓度”对光的响应方向相反：短光期/绿光/无光条件下单位菌体蛋白比例更高，但仍受总生物量限制，实际 SCP 产能需同时看浓度与含量。
图示信息：汇总微藻、酵母菌、细菌、霉菌四类微生物生产 SCP 的物种、底物、培养条件与蛋白质含量。
论文结果：微藻 17.8%～50.2%（螺旋藻、栅藻等）；酵母 26.0%～69.2%（解脂假丝酵母橄榄废物水解物最高 69.2%）；细菌中红假单胞菌 sp. CSK01 处理城市污水为 60.1%，甲基营养菌 42.0%，地衣芽孢杆菌 38.0%；霉菌小麦链霉菌 69.6%。本研究 R. palustris 制糖废水为 46.7%～67.5%。
研究意义：PSB 的蛋白含量处于较高水平，且无难消化的细胞壁、胞外聚合物产量低不易吸附重金属、无霉菌毒素风险，是少数适合生产 SCP 的细菌之一。
图示信息：三幅图，横轴分别为光质、光强、光周期，纵轴为去除率%，每图含 COD 与 NH4+-N 两组柱并标注差异显著性字母。
论文结果：光质：各组 COD 去除率 48.20%～66.04%，白炽灯 NH4+-N 去除率最高 60.40%，较红/黄/蓝/绿光组高 11.99%～35.01%，全光谱白光较蓝、绿光组高 20.45%、18.49%（P<0.05）。光强：40～200 μmol/(m²·s) 的 COD 去除率均>80%，160 μmol/(m²·s) 最高 91.39%，较对照与 240 组高 44.87%、32.06%；除 0 与 240 组外 NH4+-N 去除率>85%。光周期：12、15、18 L 组 COD 去除率>60%，18 L/6 D 最高 72.03%，较 3 L/21 D（51.10%）高 40.97%；所有组 NH4+-N 去除率>65%，18 L/6 D 最高 78.40%，较对照与 ≤12 h 组高 2.97%～20.26%（P<0.05）。
研究意义：污染物去除与菌体生长对光条件的偏好一致，光强调控对 COD 去除的提升最显著，光周期次之，光质影响相对有限。
图示信息：三幅 Pearson 相关热图，变量含光质/光强/光周期、生物量、菌体日产量、蛋白质浓度、蛋白质日产量、蛋白质含量、COD 去除率、NH4+-N 去除率、菌体产率、蛋白质转化产率；色标 -1.0～1.0，星号表示 P<0.001/0.01/0.05。
论文结果：光周期：与蛋白质浓度、NH4+-N 去除率高度正相关（r=0.82、0.81），与生物量、菌体日产量、蛋白质转化产率中度正相关（r=0.65、0.65、0.67）。光强：与菌体日产量中度正相关（r=0.69），与蛋白质含量中度负相关（r=-0.61）。光质：与生物量、蛋白质浓度、蛋白质日产量高度负相关（r=-0.97、-0.98、-0.97）。污染物—产物关系：光周期下 COD 去除率与生物量/菌体日产量/蛋白质浓度 r=0.72/0.72/0.74，NH4+-N 去除率与三者 r 均为 0.85；光强下 COD 去除率与蛋白质浓度 r=0.91，NH4+-N 去除率与蛋白质浓度 r=0.63；光质下 COD 去除率与菌体日产量 r=0.90，NH4+-N 去除率与生物量、蛋白质浓度 r=0.94、0.90。
研究意义：不同维度下“污染物→菌体/蛋白”的转化路径不同：光周期与光质条件下 NH4+-N 是关键的蛋白氮来源，光强条件下主要靠 COD 提供碳骨架，故光强未提升整体蛋白含量。
机制小结
- 光质机制：全光谱连续波长有利于 PSB 多峰吸收，白炽灯下酶活性与卡尔文循环更活跃，光合效率与生物量生产力更高；蓝、绿光波长 404～528 nm、542～665 nm 能量高，易引起细胞应激与光抑制，而红光（620～800 nm）被菌绿素吸收且能量较低，可减轻光抑制。
- 光强机制：厌氧下 PSB 最佳光强约 60～120 μmol/(m²·s)，超过阈值即因光抑制停止生长，本研究中 240 μmol/(m²·s) 明显抑制生物量积累。
- 光周期机制：光期由色素捕获光子、推动电子传递产生 ATP 并提高卡尔文循环效率，暗期细胞专注分裂增加生物量，即“同步生长”策略；连续光照会造成光损伤，尤其在接种初期低生物量时更敏感。
- 蛋白含量与光的关系：无光条件下复杂氮代谢难以进行，R. palustris 依赖暗发酵利用有机物供能，使氨氮更多转为菌体蛋白而非进入其他光合氮代谢途径，故无光时蛋白含量最高。
- 氮/碳分工：光周期与光质条件下 NH4+-N 去除率与生物量、蛋白质浓度高度正相关，说明氨氮是主要蛋白氮源；光强条件下 COD 去除率与蛋白质浓度 r=0.91，说明碳骨架供给主导蛋白合成。
工程与产业含义
- 光源与能耗取舍：实验室规模白炽灯表现最佳，但其能耗高于 LED；实际应用需在白炽灯/白光 LED 的产量优势与能耗成本之间权衡。
- 推荐运行条件：若以菌体产量与污染物去除为目标，采用全光谱、约 120 μmol/(m²·s)、18 L/6 D；若以单位菌体蛋白比例为目标，可缩短光期（如 3 L/21 D），但需接受总生物量下降。
- 水质波动适应性：在多种实际废水（大豆、乳酸、啤酒、制糖）COD 500～8500 mg/L、氨氮 50～750 mg/L 区间内，PSB 生物量与蛋白含量分别维持 652～2500 mg/L 与 50%～69%，对进水波动有一定缓冲能力。
- 调控优先级：光周期是提升废水体系 SCP 产量最有效的维度，光强次之，光质单独调整难以显著提升产量，工程上应优先优化光暗切换节奏。
- 氮源管理：NH4+-N 去除对 SCP 生产起决定性作用，运行中应保证氨氮去除与蛋白积累同步。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 食品加工/制糖类无毒废水条件下以光合细菌回收菌体蛋白与 SCP 的场景。
- 需要同步实现 COD 与氨氮去除、并兼顾菌体资源化的实验或中试系统。
- 以沼泽红假单胞菌（R. palustris）为菌种的光-厌氧培养与光调控优化。
- 饲料蛋白替代原料探索中，对微生物蛋白含量与氨基酸质量的初步筛选。
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 含毒性物质、重金属或致病菌的废水（如印染、制药、粪污），不适用于食品/饲料级菌体蛋白生产。
- 以最大化单位菌体蛋白含量为唯一目标时，不宜采用长光期（≥12 h）或高光强策略。
- 结论基于自配水与实验室瓶级反应器，直接外推到实际废水与放大系统需重新验证。
- 白炽灯为最佳光源的结论限于实验室规模，工程上受能耗限制未必适用。
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 试验采用自配水而非实际制糖废水，虽然可排除杂质干扰，但与真实废水在色度、浊度与微生物群落上存在差异。
- 研究为瓶级批次试验，未涉及连续运行、反应器放大与光照分布（遮光效应）问题。
- 仅以单一菌种 R. palustris 纯培养，未考察开放体系下杂菌竞争对 SCP 产量与安全性的影响。
- 蛋白质相关指标基于快速 Lowry 法，未提供氨基酸组成与核酸含量的实测数据，也未做毒理与安全性评价。
- 光强与光周期交互作用未做全因子组合试验，三者最优条件的耦合效应仍有待验证。
- 相关性分析基于同一批试验数据，属统计关联而非因果机制的直接证据。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
基金项目：海南省重点研发计划项目（ZDYF2024XDNY273）；三亚崖州湾科技城科技专项（No.SCKJ-JYRC-2022-34）。通信作者卢海凤（中国农业大学）。正文未见数据与代码公开声明，也未见利益冲突声明。
来源与链接
- 原文（农业工程学报 40(11): 227–237） — https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.202312072