光合细菌处理 8% 高盐有机废水生产辅酶 Q10 等高值产物：性能、菌群与代谢特征 | 彭博士工具屋

一图不看也要知道的几件事

• 接种物为市售混合 PSB 菌群（盐城本诺生物），16S 分析显示主要 PSB 为 Ectothiorhodospira sp. 与 Rhodovulum sp.；RCVBN 培养基、自然光、26–30 ℃ 培养 48 h 至对数期。
• 合成高盐废水含乙酸钠 4.5 g/L、碳酸氢钠 4 g/L、磷酸二氢钾 0.2 g/L、硫酸镁 0.6 g/L、EDTA 0.1 g/L、氯化铵 0.8 g/L、酵母浸粉 0.5 g/L；以 NaCl 20/40/60/80/100 g/L 配成 2%/4%/6%/8%/10% 盐度；初始 COD 3700 mg/L、NH4+-N 215 mg/L。
• 反应器密闭、工作体积 1.3 L，接种量 15%(v/v)，初始 pH 8.5；每 10 天将盐度提高 2% 直至 10%，共运行 60 天。
• 0%–8% 盐度下 PSB 生物量均>2000 mg/L；最高生物量 2759.7±20.2 mg/L 出现在 4% 盐度；8% 盐度最高生物量 2505.3±50.1 mg/L；10% 盐度最高仅 958.6 mg/L 且后期显著下降。
• 生物量产率始终>1 mg-biomass/mg-CODRemoved，最高 1.24 出现在 2% 盐度；8% 盐度仍达 1.02。
• NH4+-N 去除率在 2%–8% 盐度均>70%，2% 盐度最高 85.2±1.63%；8% 盐度为 71.7%；10% 盐度仅 5.33%。
• COD 去除率与 NH4+-N 趋势一致，2% 盐度最高 84.7±1.98%；8% 盐度显著降至 70.1±1.41%（P<0.05）；10% 盐度仅 7.73±1.62%。
• 辅酶 Q10 含量随盐度先升后降：6% 盐度最高 226.6±0.07 mg/g，8% 盐度为 127.8±22.8 mg/g；2%–8% 盐度较 0% 盐度提高 1.45–2.57 倍；文献中 PSB 的 CoQ10 常见范围仅 13.3–88.8 mg/g。
• 蛋白含量 2% 盐度最高 501.5±33.7 mg/g，随盐度增加逐渐下降，8% 盐度 411.7±44.2 mg/g（处于无盐废水的 400–600 mg/g 区间内）；8% 盐度蛋白浓度 1037.2 mg/L。
• 类胡萝卜素 2% 盐度最高 35.5±0.25 mg/g（为 0% 盐度的 1.46 倍），8% 盐度显著降至 16.5±0.03 mg/g。
• 5-ALA 含量在 0%–6% 盐度随盐度持续上升，6% 盐度最高 1.92±0.40 mg/g，8% 盐度 1.50±0.09 mg/g（为 0% 盐度的 2 倍）；本研究中 5-ALA 产量为 1.56–4.15 mg/L。
• 盐度 8% 时群落多样性显著下降：Ace 由 59 降至 28、Chao 由 57 降至 28、Shannon 由 1.7 降至 1.1，Simpson 由 0.30 升至 0.51（Coverage 均为 1）。
• 门水平 Proteobacteria 在 0% 与 8% 均>85%，8% 时相对丰度增加 12.6%、占群落 98.4%；Firmicutes 降至 1.56%；Bacteroidota 由 4.51% 降至 0.05%，Synergistota 由 1.22% 降至 0。
• 属水平以 Ectothiorhodospira（41.4%–71.6%）与 Rhodovulum（18.5%–38.1%）为主；8% 盐度下 Ectothiorhodospira 达 71.7%（较 0% 增加 30.2%），Rhodovulum 由 38.1% 降至 18.5%。
• Tax4Fun/KEGG 功能预测（0% 与 8% 对比）：一级通路中代谢占 59.1%–59.6%、环境信息处理 19.9%–21.9%、遗传信息处理 10.3%–11.4%、细胞过程 4.9%–5.2%、人类疾病 2.4%–3.3%、有机系统 0.68%–1.03%。
• 二级通路中氨基酸代谢在 8% 盐度显著增强，膜转运相对丰度远高于 0%；三级通路中丙酸/丁酸等小分子有机酸代谢上升，类胡萝卜素生物合成与光合作用下降，ABC 转运蛋白显著增加。

研究背景与要解决的问题

石化、制药、电力、染料、制革、食品加工等行业排放的高盐有机废水日益增多。此类废水既富含有机污染物又含大量可溶性无机盐，直接排放会造成严重污染。物理化学法成本高、难以大规模工程应用；活性污泥、膜生物反应器等传统生物法在高盐条件下效率低、操作复杂。

光合细菌具有原始的光能合成系统与多样代谢模式，已被用于废水处理、水产养殖、种植、畜牧与新能源开发。PSB 废水处理作为新兴技术，可在去除有机物的同时合成辅酶 Q10、类胡萝卜素、蛋白与 5-氨基乙酰丙酸（5-ALA），实现废水高效处理与物质资源再生。

已有报道表明 PSB 可耐受一定盐度的有机废水并产生高值物质：3% 盐度下大规模 PSB/PTO-MBR 的 COD 与 NH4+-N 去除率分别为 76.8% 与 84%、生物量达 3.76 g/L；5% 盐度下 COD 与 NH4+-N 去除率为 52.3% 与 66.7%。但更高盐度下 PSB 能否保持优良生长与去除效果未见报道，其耐盐机制亦不明确。

本研究因此考察 0%–10% 盐度有机废水中 PSB 的生长性能、污染物去除、高值产物合成，以及 0% 与 8% 盐度下菌群结构与代谢特征的差异，以揭示耐盐机制。

概念与技术边界

体系与方法

主要结果（原文图表逐条解读）

图示信息：折线图，横轴为时间（分段 0–60 d，各盐度对应不同培养窗口），纵轴为生物量（mg/L），曲线代表 0%、2%、4%、6%、8%、10% 六个盐度处理，带误差棒（mean±SD，n=9）。

论文结果：0%–8% 盐度下生物量均>2000 mg/L；4% 盐度生物量最高 2759.7±20.2 mg/L；8% 盐度最高仍达 2505.3±50.1 mg/L；6% 盐度较 4% 略降；10% 盐度生长严重受抑，最高仅 958.6 mg/L 且发酵后期显著下降。生物量产率最高 1.24 mg-biomass/mg-CODRemoved（2% 盐度），8% 盐度仍为 1.02，均>1。

研究意义：8% 盐度未超出该菌群的耐盐阈值，逐步提盐的驯化策略减轻了盐度冲击；4% 为最适生长盐度，10% 则明显超出耐受范围。

图示信息：两幅组合图，横轴为盐度（0、2、4、6、8、10%）；左纵轴为出水 NH4+-N（a）/COD（b）浓度(mg/L)，右纵轴为对应去除率(%)，柱为浓度、折线为去除率，柱上字母表示显著差异（P<0.05）。

论文结果：NH4+-N 去除率在 2%–8% 盐度均>70%，2% 盐度最高 85.2±1.63%，8% 盐度为 71.7%，10% 盐度骤降至 5.33%。COD 去除趋势一致，2% 盐度最高 84.7±1.98%，8% 盐度显著降至 70.1±1.41%（P<0.05），10% 盐度仅 7.73±1.62%。

研究意义：高盐对氮代谢尚有保留（8% 盐度仍>70%），而 10% 盐度已同时击穿生长与代谢功能；8% 盐度较高的 NH4+-N 去除与其可观的蛋白产量相互对应。

图示信息：四幅组合图，横轴为盐度 0、2、4、6、8%，柱为含量（mg/g，左轴）、折线为浓度（mg/L，右轴），字母标注显著差异（P<0.05）(a) CoQ10 (b) 蛋白 (c) 类胡萝卜素 (d) 5-ALA。

论文结果：CoQ10 含量 6% 盐度最高 226.6±0.07 mg/g，8% 盐度降至 127.8±22.8 mg/g，2%–8% 较 0% 高 1.45–2.57 倍。蛋白含量 2% 盐度最高 501.5±33.7 mg/g，随盐度下降至 8% 盐度的 411.7±44.2 mg/g，蛋白浓度在高盐下仍保持约 900–1050 mg/L（8% 盐度 1037.2 mg/L）。类胡萝卜素 2% 盐度最高 35.5±0.25 mg/g（0% 盐度的 1.46 倍），8% 盐度降至 16.5±0.03 mg/g。5-ALA 随盐度上升，6% 盐度最高 1.92±0.40 mg/g，8% 盐度 1.50±0.09 mg/g（为 0% 盐度的 2 倍），产量 1.56–4.15 mg/L。

研究意义：盐胁迫对产物的影响具有选择性：CoQ10 与 5-ALA 被高盐诱导富集，类胡萝卜素与蛋白则被抑制；CoQ10 含量远超文献常见区间（13.3–88.8 mg/g），说明高盐可作为 CoQ10 生产的新途径。

图示信息：两幅堆叠柱状图，比较 0% 与 8% 盐度样品的相对丰度：(a) 门水平（Proteobacteria、Firmicutes、Synergistota、Bacteroidota 等）；(b) 属水平（Ectothiorhodospira、Rhodovulum、Klebsiella、Halomonas、Proteiniphilum、Anoxynatronum、Vibrio、Erysipelothrix、Enterococcus、Alkalibacterium、Dethiosulfovibrio、Acetoanaerobium、Marinobacter 等）。

论文结果：门水平 Proteobacteria 在 0% 与 8% 均>85%，8% 时增加 12.6%、占群落 98.4%；Firmicutes 降至 1.56%；Bacteroidota 由 4.51% 降至 0.05%，Synergistota 由 1.22% 降至 0。属水平 Ectothiorhodospira 占 41.4%–71.6%，8% 盐度达 71.7%（较 0% 增加 30.2%）；Rhodovulum 占 18.5%–38.1%，8% 盐度由 38.1% 降至 18.5%；Halomonas、Alkalibacterium、Marinobacter 等耐盐属在 8% 盐度上升，Proteiniphilum、Anoxynatronum、Enterococcus 则下降。

研究意义：高盐筛选出以 Proteobacteria 为主导的简单群落，Ectothiorhodospira（合成甘氨酸甜菜碱）取代 Rhodovulum（ectoine 合成需氧，厌氧下受抑）成为核心功能菌属。

图示信息：三幅分组柱状图，纵轴为相对丰度(%)，(a) KEGG 一级通路、(b) 二级通路、(c) 三级通路；比较 0% 盐度与高盐（8%）样品。

论文结果：一级通路：代谢 59.1%–59.6%、环境信息处理 19.9%–21.9%、遗传信息处理 10.3%–11.4%、细胞过程 4.9%–5.2%、人类疾病 2.4%–3.3%、有机系统 0.68%–1.03%；代谢占比最高，环境信息处理在 8% 盐度上升。二级通路共 11 条，碳水化合物代谢占比最高（8% 盐度 13.8%，0% 盐度 13.6%），氨基酸代谢在 8% 盐度显著增强，膜转运相对丰度远高于 0%。三级通路：丙酸代谢、丁酸代谢等小分子有机酸代谢在 8% 盐度上升；类胡萝卜素生物合成与光合作用下降；甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、精氨酸、脯氨酸代谢显著增加（与 5-ALA 的 C5 合成途径相关）；生物膜形成不变，ABC 转运蛋白显著增加。

研究意义：盐胁迫下 PSB 通过增强碳代谢与氨基酸代谢、提高抗氧化与膜转运能力来维持功能，而光合色素合成被抑制，构成其耐盐的代谢基础。

机制小结

• 氧化胁迫防御：高盐使细胞内活性氧大量累积，CoQ10 作为脂溶性醌可吸收电子清除活性氧、保护 PSB；CoQ10 同时是电子传递中间体，促进 ATP 合成、提高代谢效率与细胞活性，故盐胁迫下 CoQ10 显著富集。
• 渗透调节：Ectothiorhodospira 通过合成并积累甘氨酸甜菜碱等相溶溶质产生膨压以对抗高盐；甘氨酸甜菜碱还能维持胞内蛋白与核酸活性，是微生物抗盐的最佳相溶溶质。
• 耐盐菌属竞争：Rhodovulum 具完整 ectoine 合成基因簇，但 ectoine 合成需氧，本研究厌氧条件下其合成受抑，故相对丰度下降，竞争力弱于 Ectothiorhodospira。
• 膜转运强化：8% 盐度下膜转运通路相对丰度远高于 0%，ABC 转运蛋白显著增加，表明 PSB 增强离子转运以维持渗透压稳态；生物膜形成丰度不变说明细胞膜未被破坏、完整性得以维持。
• 代谢重编程：8% 盐度下丙酸、丁酸等小分子有机酸代谢增强，这些有机酸在 TCA 循环中转化为乙酰辅酶 A 参与呼吸；碳水化合物代谢（主要关联呼吸）略升。
• 产物通路权衡：类胡萝卜素生物合成与光合作用下调，与类胡萝卜素含量下降一致；CoQ10 与类胡萝卜素合成途径之间存在竞争关系，可能是 8% 盐度类胡萝卜素显著下降的原因之一。

工程与产业含义

• 处理窗口：8% 盐度是本研究验证的可行上限（COD 70.1%、NH4+-N 71.7%、生物量 2505.3 mg/L）；10% 盐度会导致处理功能崩溃（COD 7.73%、NH4+-N 5.33%），工程上须避免。
• 驯化策略：以每 10 天提高 2% 盐度逐步提盐的方式可缓解盐度冲击，使菌群在 8% 盐度保持高效代谢，可作为高盐废水启动策略。
• 产物定向：若以 CoQ10 为目标，宜控制在 6% 盐度（226.6 mg/g）；若以 5-ALA 为目标，6% 盐度同样最优（1.92 mg/g）；若以蛋白或类胡萝卜素为目标，则应维持低盐（2% 盐度）。
• 高产率优势：全盐度范围生物量产率均>1 mg-biomass/mg-CODRemoved（8% 盐度 1.02），高于非盐废水常报道的 0.25–0.99，说明该菌群在高盐下有机物向生物质转化效率高。
• 菌种选择依据：Ectothiorhodospira、Rhodovulum、Halomonas 是处理有机污染物与生产高值物质的主要菌属，可作为高盐体系的功能菌种筛选与保种对象。

适用与不适用场景

局限与不确定性

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

• 原文（Journal of Water Process Engineering 64, 105593） — https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.105593