光合细菌处理无毒废水并回收生物资源综述：单细胞蛋白与高值产物协同生产

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文献信息要点速览背景与问题概念边界体系与方法结果逐条解读机制小结工程含义适用场景局限声明来源

文献信息

英文题名

Bio-conversion of photosynthetic bacteria from non-toxic wastewater to realize wastewater treatment and bioresource recovery: A review

作者

Haifeng Lu, Guangming Zhang, Ziqiao Zheng, Fan Meng, Taisheng Du, Shichao He

期刊 / 年份

Bioresource Technology 2019

DOI

10.1016/j.biortech.2019.01.070

卷期 / 页码

278, 383–399

单位

中国农业大学水利与土木工程学院（北京）；农业农村部农业工程结构与环境重点实验室；中国人民大学环境学院；中国农业大学烟台研究院

一句话概括：综述系统比较了 PSB 的分类与代谢、无菌毒废水类型与产率、光生物反应器构型与运行方式，并给出“废水处理—再生水—食物生产”耦合范式与产业化建议。

一图不看也要知道的几件事

PSB 按生存环境与代谢分为四科：红螺菌科（紫色非硫细菌 PNSB）、着色菌科（紫色硫细菌 PB）、绿菌科（绿硫细菌 GSB）、绿弯菌科（滑行丝状绿硫细菌 GFB）。
对有机碳源的利用能力排序为 PNSB > GFB > PB > GSB，PNSB 环境适应性最强。
细菌叶绿素吸收波长 714–1050 nm，类胡萝卜素 450–550 nm；PSB 光合作用在厌氧条件下进行，不放氧。
455 株 PSB 高值产物包括辅酶 Q10、类胡萝卜素、单细胞蛋白（SCP）、烟酸、泛酸、生物碱与 5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）。
中国市场 PSB 产品（液剂或粉剂）售价 600–1200 美元/吨；年产量至少 1.036 亿吨（液剂与干粉），产值 6.216 亿–12 亿美元。
规模化纯培养条件：连续光照 100–200 μmol/m²/s，温度 23–39 ℃，pH 6.0–9.0；封闭光-厌氧模式接种 20–50%，5–10 d 进入指数期；开放光-微氧模式（100–200 L 桶，光强<40 μE/m²/s）7–10 d 进入指数期，需控氧<1.0 mg/L。
无毒废水 COD 去除率 13.0%–99.0%（多数研究>90%），TN 22.0%–98.2%，TP 64.7%–96.1%（多数>70%）。
生物质日产率 25.0–1458.3 mg/L/d，产率 0.12–1.5 g-biomass/g-COD 去除；纯培养体系为 1200–14500 mg/L/d 与 0.64 g/g-乙酸。
PSB 生物质产率最高 1.5 g-biomass/g-COD 去除，显著高于传统好氧活性污泥法的 0.3 g-MLSS/g-COD 去除。
自然光-微氧条件下，废水中的 C 有 74.2% 转化为生物质，CO2 排放较传统好氧活性污泥工艺降低 62.6%；N 回收 63.2%，无害氮 90.1%（其中 N2 占 26.9%）。
酿酒废水培养的 PSB 生物质含蛋白 420.9、多糖 177.6、类胡萝卜素 2.53、细菌叶绿素 10.75、辅酶 Q10 38.6 mg/g-biomass。
中国 2012–2015 年无毒废水年均 27 亿吨，若全部由 PSB 转化，可产 PSB 0.09–1.16 百万吨/年，对应养分价值 5500 万–13.9 亿美元/年。
传统厌氧-好氧工艺对比：PSB 技术处理淀粉废水可额外产生 17.88 美元/吨废水的收益；PSB 可耐受高达 40000 mg/L 的 COD。

研究背景与要解决的问题

废水中含大量有机碳、氮、磷，长期被视为需要处理的污染物而非资源。随着水、能源与资源短缺加剧，从废水中回收可用产品成为国际趋势，例如厌氧产沼气、微生物燃料电池产电、磷回收（Stickney 再生水厂）与 PHA 回收（荷兰 PHARIO 项目）。

光合细菌（PSB）是古老的光合原核生物，拥有自养、异养与混养等多条代谢途径，能适应不同环境。PSB 无毒，细胞内含多种可用于农业、食品与医疗的活性成分，此前已被用于白酒、禽类、食品加工、含油、酿酒、印染、市政等多种废水处理。

PSB 处理与资源回收技术已研究约 50–60 年，却仍未实现工业化。本文从 PSB 分类、代谢、市场应用出发，系统总结可行性、技术流程、反应器、污染物去除与生物资源生产的量化数据，并讨论产业化瓶颈。

核心安全前提：并非所有废水都适合 PSB 产蛋白。印染、畜禽粪污、制药等废水含毒物与致病菌且可生化性差，会导致 PSB 生长慢、生物质产量低；因此应选择更清洁、更易降解的无毒废水，其中食品加工废水为最优选择。

概念与技术边界

PSB（光合细菌）

一类能利用光能、且常以有机物/硫化物/铵作为供氢体进行光合作用的原核微生物，细胞内含细菌叶绿素与类胡萝卜素，光合过程不放氧。

PNSB（紫色非硫细菌）

PSB 中代谢途径最多的一类，可在光-厌氧与暗-好氧等多种条件下生长，能降解多种有机碳源，环境适应性最强。

5-ALA（5-氨基乙酰丙酸）

PSB 产生的天然高值化合物，常用于农业（作光敏除草/促生）与医药领域。

SCP（单细胞蛋白）

以微生物细胞形式提供的蛋白，氨基酸组成较完整，可作饲料或食品原料。

PSB-MBR

光合细菌与膜生物反应器耦合系统，用膜截留 PSB 生物质，同时进一步提高出水水质。

光-氧条件

指光照与溶氧的组合（光-厌氧、自然光-微氧、暗-好氧等），显著影响 PSB 的增殖速率、污染物去除与产物生成。

OLR/HRT/ORP

有机负荷率、水力停留时间与氧化还原电位，是 PSB 废水处理的关键运行参数。

体系与方法

环节	做法与参数
文献综述范围	汇总 PSB 分类与代谢特征、无毒废水类型与产率、光生物反应器与资源回收技术的比较，并给出产业化范式。
分类与代谢归纳	按四科（PNSB/PB/GSB/GFB）整理典型生境、pH、温度、细菌叶绿素类型、代谢类型、碳代谢途径、碳源、供氢体、电子供体、硫利用、可降解物质与敏感性（Table 1）。
技术发展阶段划分	划分为三期：1961–1972（农业物质与代谢理论）、1973–2009（中等废水处理与资源提取，出现半连续与 60 d 连续运行、PVA 固定化）、2010 至今（产业化探索、PSB-MBR、代谢模型）。
处理流程归纳	归纳两类流程：一是直接接种 PSB（预处理—PSB 处理/种子回流—后处理如混凝、膜过滤、活性污泥）；二是让 PSB 在反应器中自然生长（需滤光、红外光与连续光照保障其优势）。
反应器比较	比较摇瓶、平板式（悬浮生物质）、圆柱管溢流式、PSB-MBR（分置式与浸没式）及其他罐式反应器的容积、结构、运行参数与运行方式（Table 2）。
产率与增殖速率汇总	汇总各类无毒废水的产率、日产率、增殖速率以及初始/去除 C:N:P 比（Table 3、Table 4、Fig. 5）。
对比其他资源回收技术	将 PSB 技术与水回用、能源回收、材料回收三类技术对比，并逐条列出 PSB 的优势与限制。

主要结果（原文图表逐条解读）

Graphical abstract（原文第 1 页图形摘要；原图未能稳定匹配为该摘要的独立图片，仅文字解读）

图示信息：从 PSB 废水处理出发，产出清洁水与 PSB 生物质；生物质含蛋白、多糖、类胡萝卜素、细菌叶绿素与辅酶 Q10，进一步转为生物肥料、饲料原料与高值产品，最终服务于水与食物的供给。

论文结果：图形摘要给出的物质流为“废水处理→清洁水 + PSB 生物质→（生物肥料/饲料原料/高值产品）→食物生产”，是全文技术范式的浓缩表达。

研究意义：说明 PSB 技术的最终产品是生物质而非剩余污泥，可同时实现水质净化与资源产出，是其区别于传统末端处理的根本特征。

Fig. 1 PSB 分类（原图未能稳定匹配，仅文字解读）

图示信息：按生存环境与代谢将 PSB 分为四个科的分支关系。

论文结果：四科为 Rhodospirillaceae（PNSB）、Chromatiaceae（PB）、Chlorobiaceae（GSB）、Chloroflexaceae（GFB）。

研究意义：分类框架决定了各类 PSB 的适用废水类型与运行条件：PNSB 代谢最广、最耐受，是废水处理的优选类群。

Table 1 PSB 特征与代谢对比（表格类结果，无对应图片）

图示信息：逐科列出典型生境、适宜 pH、温度、细菌叶绿素类型、代谢类型、碳代谢途径、光-氧需求、碳源、供氢体、电子供体、硫利用、可降解底物与敏感性。

论文结果：PNSB 适宜 pH 6.0–9.0(宽)、Bchl a/b，可行光自养/混养/光异养/异养，碳代谢含 TCA/ED/EMP；PB 温度 20–30 ℃、仅光自养、TCA、对 O2 敏感；GSB pH 6.5–7.0、温度 20–30 ℃、羧酸还原循环、严格厌氧；GFB 温度 45–70 ℃、中性至碱性、TCA、可利用多种小分子有机碳。有机碳利用能力 PNSB > GFB > PB > GSB。

研究意义：为不同废水与工况选种提供依据：高有机负荷、多变光氧条件的废水应优先选 PNSB。

Fig. 2 PSB 在不同工业领域的应用（原图第 4 页第 2 张图 fig_004_02.jpeg）

Fig. 3 PSB 废水处理与资源回收技术的发展图（原图未能稳定匹配，仅文字解读）

图示信息：以时间轴呈现三阶段技术演进。

论文结果：阶段 I（1961–1972）：1961 年首次研究 PSB 与固氮菌共存促进土壤与作物，1971 年日本开始污水净化研究；阶段 II（1973–2009）：以“培养”PSB 获取高值产物为主，2000 年出现首例半连续市政废水处理，2005 年连续运行达 60 d，并引入 PVA 固定化；阶段 III（2010 至今）：聚焦产业化，2010 年首套最大中试规模 600 L PSB-MBR，出现 5-ALA 与类胡萝卜素强化生产、代谢模型与混合营养机理研究。

研究意义：显示技术已具备长期稳定连续运行的实验基础，但“培养优先”到“处理达标+资源安全”的重心转移仍在进行。

Fig. 4 PSB 废水处理与资源回收流程（原图未能稳定匹配，仅文字解读）

图示信息：两类流程并列：第一类直接接种 PSB（预处理→一罐或多罐+种子回流罐→后处理：混凝/活性污泥/膜过滤→分离：离心/沉淀/混凝）；第二类 PSB 在反应器中自然生长（浸没式 PSB-MBR）。

论文结果：直接接种方式需多级罐体保证 PSB 在菌群中的优势；单培养出水常不达标，需后处理；自然生长方式适应性更强但系统内 PSB 浓度低于直接接种方式，可能降低资源产出效率。

研究意义：流程选择直接权衡“出水达标”与“资源产率”，Lu 等（2019）将直接接种与 MBR 结合以同时获得理想出水与安全生物质。

Table 2 PSB 废水处理与资源回收的典型光生物反应器（表格类结果，无对应图片）

图示信息：列出摇瓶、立方容器固定化系统、圆柱管溢流式 PBR、SBR、分置式与浸没式 PSB-MBR、罐式等构型的废水类型、容积、结构、运行参数、运行方式与文献来源。

论文结果：关键运行区间的代表例：摇瓶 3 L 面条加工废水，光 45 W/m²、12 h/d、HRT 3–10 d、OLR 0.16–0.53 kg BOD/m³/d；圆柱溢流式 29.3 L 淀粉废水，光 12.73 W/m²、24 h 光照、HRT 10 d、33–35 ℃、ORP −200 mV，BOD 去除 80–98%、生物质 6.1 g/m³/d；SBR 8 L 食品废水 443 d 运行，COD 去除 91%、生物质 1310 mg/L；浸没式 PSB-MBR 中试 600 L 乳品废水，ORP −300~−200 mV、pH 7.0–7.5、25–40 ℃。

研究意义：反应器容积从实验室 L 级到中试 600 L、工厂 745.9 m³ 不等，平板式与 MBR 更易放大，但光传输与膜污染仍制约运行参数与出水。

Table 3 无毒有机废水类型、特征与 PSB 资源产出（表格类结果，无对应图片）

图示信息：按糖类、蛋白类、含油类、含醇类等列出处废水水质、生物质产率、日产率与高值产物产量。

论文结果：大豆废水 COD 1800–14400 mg/L，产率 0.35–0.51 g/g，日产率 493.8–1150.0 mg/L/d，5-ALA 4.5±0.5–12.5±0.6 mg/g；制糖废水产率 0.15–0.77，日产率 58.3–893.75 mg/L/d，类胡萝卜素 3.91–4.83 mg/g；食品加工废水产率 0.5–1.5，粗蛋白 0.41 g/g-biomass；西米淀粉废水产率 0.59，SCP 0.56–0.68 g/g、PHA 0.18–0.30 g/g；酿酒废水产率 0.12–0.3，蛋白/多糖/类胡萝卜素/细菌叶绿素/辅酶 Q10 分别达 420.9/177.6/2.53/10.75/38.6 mg/g；含油废水 PHA 0.15–0.75 g/g。

研究意义：不同基质的产物结构差异明显：糖类废水偏类胡萝卜素与 5-ALA，蛋白类偏 SCP，含油类偏 PHA，为定向选基质提供依据。

Fig. 5 不同无毒废水的 COD 去除与生物质生产范围（原图未能稳定匹配，仅文字解读）

图示信息：(a) COD 去除率范围；(b) 生物质产率与日产率范围，按废水类型分组。

论文结果：COD 去除率 13.0%–99.0%，多数研究>90%；生物质日产率 25.0–1458.3 mg/L/d，生物质产率 0.12–1.5 g-biomass/g-COD 去除，多数研究>0.3 g/g。

研究意义：废水体系产率总体低于纯培养（1200–14500 mg/L/d、0.64 g/g-乙酸），但部分研究（Lu 等 2019）已达可比水平，说明通过选择性优化仍可提升产率。

Table 4 不同光-氧条件下 PSB 增殖速率与初始/去除 C:N:P 比（表格类结果，无对应图片）

图示信息：按光-厌氧、自然光-微氧、暗-好氧/光-好氧条件分组，列出具体环境参数、废水类型、增殖速率、污染物去除率与 C:N:P 比。

论文结果：光-厌氧条件下增殖速率 0.016–1.42 d⁻¹（柠檬酸废水 2000 lx、DO<0.5 mg/L 达 1.42），自然光-微氧 0.56–1.36 d⁻¹，暗-好氧 0.05–1.39 d⁻¹；多数废水初始 COD:N:P 远低于厌氧处理的 200:5:1，尤以 C/N 偏低，表明 PSB 具高脱氮潜力，例如市政废水 NH4+ 去除 99.6%、PO4³⁻ 88.0%（Hülsen 等 2014）；含油污水暗-好氧下 TN 98.2%、TP 96.1%（Takeno 等 2005）。

研究意义：光照总体有利于 PSB 增殖，但不同光氧组合对去除与产率的影响不一致，需按废水性质分别优选条件。

Fig. 6 农业物资生产、再生水生产与废水处理通过 PSB 形成的协作系统（原图第 15 页第 3 张图 fig_015_03.jpeg）

机制小结

碳代谢：PNSB 具备完整 TCA 循环，可在暗-好氧与光-厌氧条件下分别进行呼吸与光合；CO2 固定经 TCA 循环，葡萄糖经 ED 途径（好氧）、果糖经 EMP（光照）与 ED（好氧）降解，光-厌氧下芳香化合物经特殊还原途径降解。
氮代谢：所有 PSB 均可固氮，可利用 NH4+ 与大气 N2；PNSB 与固氮菌（Azotobacter）共存可显著提高固氮效率；NH4+ 经 TCA 与 EMP 途径合成氨基酸进而形成蛋白。
硫代谢：仅 PB 与 GSB 可利用硫，PB 将 H2S 氧化为 S 再至 SO4²⁻（转化率很低），GSB 只能将 H2S 转为 S 并在胞外累积。
氢代谢：PSB 可利用 H2 与 H2S，缺氮时经固氮酶释放 H2，而 NH4+ 存在会抑制固氮酶活性、降低产氢。
磷代谢：相关研究较少，红螺菌（Rs. rubrum）等具强吸磷能力，在氮硫限制时于胞内累积聚磷酸盐，约占总磷 40–50%，其余以无机磷、脂磷、核酸磷、蛋白磷等形式存在。
碳减排机理：PSB 可同时固定废水中的有机/无机碳与大气 CO2 形成生物质，自然光-微氧条件下 74.2% 的碳被转化进生物质，避免好氧法约 50% 碳以 CO2 释放及剩余污泥的二次污染。

工程与产业含义

反应器选型：平板式与 PSB-MBR 更易放大并适合长期连续运行；圆柱管溢流式利用光暗循环降低遮光效应，是光合效率设计的关键原则；传统深罐式因光穿透差而不属于真正 PBR。
运行条件建议：ORP 维持在 −300~−100 mV、DO<1.0 mg/L、光照 2000–8000 lx，可兼顾 PSB 生长与出水水质；曝气量可显著低于活性污泥法，降低能耗与运行费。
分离与收集是产业化瓶颈：PSB 细胞小、带高负电荷、胞外聚合物少，难从水中收集；混凝与离心可能带来二次污染与高成本，膜污染与分离方式需从环境与经济双维度评估。
经济性参考：处理淀粉废水时 PSB 技术较传统厌氧-好氧工艺可额外获得 17.88 美元/吨废水收益；中国市场产品售价 600–1200 美元/吨。
与既有资源回收技术对比：相较磷回收无需化学试剂，相较 PHA 生产产物种类更多，相较微藻可承受更高有机负荷且更易在废水中维持优势。
资源潜力估算：按中国无毒废水年均 27 亿吨与产率 0.12–1.5 g-biomass/g-COD 推算，PSB 产量可达 0.09–1.16 百万吨/年，养分价值 5500 万–13.9 亿美元/年。

适用与不适用场景

✅ 适用场景

食品加工、制糖、淀粉/西米淀粉、豆制品、蛋白胨、酿酒、白酒、柠檬酸、含油（食用/棕榈油加工）等无毒且易降解的高有机负荷废水。
需要同步实现达标处理与生物质（SCP、类胡萝卜素、5-ALA、PHA、辅酶 Q10、生物肥料）回收的场景。
希望减少曝气能耗与剩余污泥、降低碳足迹的废水处理系统改造。
水产养殖水体净化、饲料添加剂与农业生物肥料的原料生产。

⚠️ 不适用 / 需谨慎

印染、畜禽粪污、制药等含毒物与致病菌、可生化性差的废水，不适合作为 PSB 蛋白/资源生产基质。
含硫化物敏感场景需谨慎：PNSB 对 H2S 敏感，PB/GSB 对 O2 敏感，选种与供氧须匹配。
高氮硫限制条件会诱导聚磷酸盐累积，若目标产物为蛋白需注意磷的分配。
要求出水直排达标的场合，单靠 PSB 单培养通常不足，需耦合膜或活性污泥等后处理。

局限与不确定性

作者未解决 / 需要读者注意的问题

多数研究以实验室小试与批次模式为主，中试最大仅 600 L，工厂级经验有限，缺少工程化设计原理与过程模型。
废水体系生物质产率总体低于纯培养体系，多数研究重处理轻产率，资源产出潜力未被充分利用。
缺少 PSB 从废水生产生物质的系统安全评价：仅有酿酒废水 PSB 对鱼与小鼠的急性毒性阴性结果，慢性毒性尚无证据。
光利用效率与遮光效应、反应器光传输与膜污染仍制约放大；水质色度与浊度差异导致光传输与生长表现不一。
Table 4 数据由文献计算汇总，部分条目在原文中即存在明显笔误（如去除率写成 79.0–8.05%、70.0%–9.05%），解读时需谨慎。
文献综述性质，部分产量、价格与资源量估算基于特定年份与地区统计，外推需谨慎。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

原文声明无利益冲突；研究受国家自然科学基金资助（grant number 518611255103）；补充数据见期刊在线版；正文未见数据与代码公开声明。

来源与链接

原文（Bioresource Technology 278, 383–399） — https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.01.070