文献信息
英文题名
Periodic oxygen supplementation drives efficient metabolism for enhancing valuable bioresource production in photosynthetic bacteria wastewater treatment
作者
Haifeng Lu, Shichao He, Guangming Zhang, Fengzheng Gao, Ruihan Zhao
期刊 / 年份
Bioresource Technology 2022
DOI
10.1016/j.biortech.2022.126678
卷期 / 页码
Vol. 347, 126678
单位
中国农业大学水利与土木工程学院；农业农村部农业工程结构与环境重点实验室；河北工业大学能源与环境工程学院；荷兰瓦格宁根大学生物过程工程系 AlgaePARC
一句话概括：以 Ectothiorhodospira 处理合成糖废水，设计三种周期性供氧方案并与无氧（N-O）、连续供氧（C-O）对比，考察污染物去除、生物量与蛋白、色素、辅酶 Q10 积累，并用 GC-MS 代谢组学（PCA、代谢通路影响分析、PAPi 通路活性）解析供氧策略影响代谢的机制。
一图不看也要知道的几件事
- 合成糖废水：蔗糖 1.5 g/L、苹果酸 1.5 g/L、乙酸钠 1.5 g/L、碳酸氢钠 0.5 g/L 为碳源，硫酸铵 1 g/L 为氮源，磷酸二氢钾 0.2 g/L、七水硫酸镁 0.1 g/L；COD 4455 mg/L、NH4+-N 272 mg/L，初始 pH 调至 7.0。
- 三株菌为 Ectothiorhodospira sp.，接种浓度 360 mg/L 干细胞，1000 mL 玻璃瓶反应器（工作体积 800 mL），60 W 白炽灯连续光照（40 μmol/m2/s），25-28 ℃，磁力搅拌 150 rpm；N-O 的 DO < 0.5 mg/L，供氧策略 DO 维持 0.5-1.0 mg/L。
- 供氧策略定义：A-O 每 12 h 停/供氧；A-O-1 每 12 h 停/24 h 供；A-O-2 每 24 h 停/12 h 供；此外设无氧（N-O）与连续供氧（C-O）。
- 可行性初筛中 A-O 最优：生物量 2419.3 mg/L、COD 去除 94.0%、NH4+-N 去除 96.2%；A-O 曝气时间 36 h，较 A-O-1（48 h）缩短 12 h，且指数生长期仅 12 h，短于 A-O-2。
- COD 去除：N-O 68.8%，C-O 92.8%，A-O 91.4%；NH4+-N 去除：C-O 85.3%、A-O 78.6%，分别较 N-O 高 25.4% 与 15.5%。
- C-O 与 A-O 的 COD（P=0.67）与 NH4+-N（P=0.14）去除无显著差异，但 A-O 的曝气时间仅为 C-O 的一半。
- 生物量：A-O 最高 1338.5 mg/L，较 C-O（1157.1 mg/L）高 15.7%（P=0.074）、较 N-O（1064.7 mg/L）高 25.7%（P=0.017）；A-O 与 C-O 均在 60 h 达峰（μ 分别为 0.57 与 0.52 d-1），N-O 在 84 h 达峰（1064.7 mg/L，μ=0.35 d-1）。
- 色素：A-O 的细菌叶绿素（9.57 mg/L）与类胡萝卜素（1.92 mg/L）浓度最高；BChl 较 N-O 高 24.9%（P=0.0019）、较 C-O 高 31.1%（P=3.8×10-4）；类胡萝卜素较 N-O 高 15.1%（P=0.0032）、较 C-O 高 23.7%（P=4.5×10-4）。
- 蛋白含量：N-O 最高（618.7 mg/g），其次 C-O（558.8 mg/g）与 A-O（498.1 mg/g）；辅酶 Q10 含量 C-O 最高（15.4 mg/g），较 N-O 高 63.8%、较 A-O 高 35.1%；A-O 的 CoQ10 浓度与含量仍较 N-O 高 52.5% 与 21.3%。
- 代谢组学鉴定出 154 种胞内代谢物，筛选出 18 种与碳/能量代谢相关且组间差异显著的代谢物；PCA 中 PC1 解释 35.40%、PC2 解释 13.80% 方差，三策略样本各自聚拢并相互分离。
- 关键代谢物差异：EMP 及 TCA 延胡索酸位点之前的中间产物丰度为 C-O ≥ A-O > N-O；延胡索酸之后排序改变，A-O 的苹果酸高于 C-O、与 N-O 相近（P=0.15），A-O 的 β-丙氨酸最高（较 N-O P=9.0×10-6、较 C-O P=3.0×10-6）。
- A-O 的 TCA 循环、β-丙氨酸代谢、嘧啶代谢、CoA 生物合成以及丙酸、苯丙氨酸、酪氨酸代谢活性均最高；C-O 与 A-O 中乙醇酸途径丰度高于 N-O（缓解氧对 CO2 固定的抑制）。
研究背景与要解决的问题
废水生物转化把废水养分转入含高值物质的微生物菌体，是资源回收的重要技术路径；PSB 富含蛋白、色素与辅酶 Q10（CoQ10），可处理高 COD、高氨氮废水且无需无机碳源，其耐受有机负荷（COD 500-40000 mg/L）与氨氮（3-8000 mg/L）范围较微藻更宽。
光是 PSB 的主要能源，通过循环光合磷酸化将光能转化为 ATP；氧是终端电子受体，可提高有机物去除率。此前的光-微氧（连续微氧供氧）条件虽能提高生物量与去除率，但可能抑制光捕获复合物与光合系统相关氧化还原调节因子（如 PrrA/PrrB 或 RegA/RegB）的表达、降低光合效率，并使氧化磷酸化抑制光合磷酸化造成光能浪费。
基于 LED 的人工照明是 PSB 废水处理中资本最密集的环节（约 1.9 USD/kg 生物量），因此需要既能缓解持续氧抑制、又能充分利用光能的供氧方式。
Ectothiorhodospira 属紫色硫细菌，已被证明可高效去除膜浓缩废水 COD/N，并从蔗糖废水中产出类胡萝卜素、蛋白与 CoQ10，具备作为废水生物转化菌株的潜力，且对氧有一定耐受性。
概念与技术边界
周期性供氧（A-O）
本研究提出的供氧策略，使反应器每 12 h 在供氧与停止供氧之间交替，兼顾氧的污染物去除优势与厌氧条件对光合系统的保护。
连续供氧（C-O）/ 无氧（N-O）
两个对照：C-O 全程维持微氧（DO 0.5-1.0 mg/L）；N-O 不供氧、DO < 0.5 mg/L，即光厌氧条件。
光合磷酸化与氧化磷酸化
PSB 的两条主要产能途径：前者由光能经光合电子传递链产能，后者由有机物经呼吸链产能；光-微氧下后者会抑制前者，造成光能浪费。
EMP 与 TCA 循环
糖酵解（EMP）将有机物转为乙酰辅酶 A，进入三羧酸（TCA）循环生成胞内代谢物前体，是合成脂肪、糖、蛋白等物质的基础。
β-丙氨酸代谢
β-丙氨酸是嘧啶代谢产物，也是泛酸与 CoA 生物合成的前体；泛酸与 CoA 参与糖、脂肪、蛋白代谢及细胞壁构建。
乙醇酸途径（glycolate pathway）
PSB 中可将 2-磷酸乙醇酸转化为 3-磷酸甘油酸的途径，用以缓解氧抑制 CO2 固定所导致的胞内氧化还原失衡。
CoQ10（辅酶 Q10）
光合与呼吸传递链的重要电子传递体与“限速闸门”，其醌池氧化还原电位升高有利于电子传递与 ATP 生成。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 菌株与废水 | PSB 菌株提供商购并鉴定为 Ectothiorhodospira sp.，用 RCVBN 培养基在恒温摇床（100 rpm、26-30 ℃、40 μmol/m2/s）培养 48 h。合成糖废水成分见前，初始 pH 7.0。 |
| 反应器与供氧策略 | 1000 mL 玻璃瓶（工作体积 800 mL），接种 360 mg/L 干细胞；60 W 白炽灯连续光照 40 μmol/m2/s、25-28 ℃、150 rpm。设计方案 A-O（每 12 h 停/供氧）、A-O-1（每 12 h 停/24 h 供）、A-O-2（每 24 h 停/12 h 供），初筛后选 A-O 与 N-O、C-O 对比；供氧组用泵通入经 0.22 μm PTFE 疏水膜过滤的空气，每天手动调节气量 3-4 次维持 DO 0.5-1.0 mg/L。 |
| 污染物与产品分析 | 每天每瓶取样 8 mL，6511×g 离心 10 min 分离菌体与上清；上清测 COD 与 NH4+-N（APHA 标准方法）；菌体测生物量（OD660 换算 DCW，Biomass = OD660×569+0.005）、蛋白（Lowry 法，700 nm）、CoQ10（Craven 法，620 nm）、类胡萝卜素（丙酮:甲醇 7:2 萃取，473 nm）、细菌叶绿素（乙醚:甲醇 3:1 萃取，771 nm）。 |
| 代谢组学 | 采集 N-O、C-O、A-O 三组 48 h（指数期）样品，共 18 个样本、每组 6 个重复；10173×g、4 ℃ 离心 15 min 收集菌体，PBS 洗 3 次，液氮淬灭后 -80 ℃ 保存。用 500 μL 甲醇-水（4:1，含 2% L-2-氯苯丙氨酸）提取 <1000 Da 代谢物，加 200 μL 氯仿、均质与超声（5 ℃、40 kHz、10 min，重复 3 次），-20 ℃ 静置 30 min 后 12000×g、4 ℃ 离心 20 min，上清真空干燥。经甲氧胺盐酸盐（37 ℃ 90 min）与三氟乙酰胺（70 ℃ 60 min）衍生化后，用 Agilent 8890B GC + 5977B MSD、HP-5MS 柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）分析，升温 60 ℃→310 ℃（8 ℃/min，保持 6 min），全扫描 50-500 m/z。数据用 MassHunter 处理、Fiehn 数据库鉴定，上传 Majorbio 云平台做统计，KEGG 通路富集。 |
| 统计 | 每组六平行，用 Tukey 检验（IBM SPSS 20.0）比较 A-O、C-O、N-O 的污染物去除与高值产物参数及 18 种代谢物丰度，P<0.05 为显著；用 R 3.5.1 与 PAPi 包（v3.8）计算 KEGG 通路活性得分与通路活性倍数变化 FC（FC=a/b 当 a>b，FC=−b/a 当 a |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：以示意图与结果概览形式总结三种供氧策略（A-O、C-O、N-O）对 PSB 废水处理与高值生物资源生产的影响，包含代谢通路示意与关键结果。
论文结果：图形摘要概括：交替供氧（A-O）策略提升 PSB 生物量与色素、辅酶 Q10 产出，同时保持较高污染物去除。
研究意义：整体论点：周期性供氧是兼顾污染物去除与资源产出的经济策略。
图示信息：两个并排折线图，横轴均为时间（h）0-96（刻度 0、24、48、72、96）；a 纵轴 COD 去除率（%）0-100，b 纵轴 NH4+-N 去除率（%）0-100；图例 N-O 绿色方块、C-O 蓝色圆点、A-O 红色三角，各条带小误差棒，均自 0 h 的 0% 起始。
论文结果：氧显著增强 COD 与 NH4+-N 去除。COD 去除：N-O 68.8%、C-O 92.8%、A-O 91.4%；NH4+-N 去除：C-O 85.3%、A-O 78.6%，分别较 N-O 高 25.4% 与 15.5%；C-O 与 A-O 之间 COD（P=0.67）与 NH4+-N（P=0.14）去除无显著差异。
研究意义：Ectothiorhodospira 相比厌氧条件更偏好有氧环境以去除污染物；A-O 以仅一半的曝气时间达到与 C-O 相近的去除率，可能减轻氧对光合系统的抑制。曲线上偶有去除率下降，可能与可溶性微生物产物（SMP）生成及蛋白氨化有关。
图示信息：a 为折线图，横轴时间（h）0-96，纵轴生物量（mg/L）0-1600，三策略带误差棒；b 为分组柱状图，横轴为三种供氧策略，左轴蛋白（mg/g）0-800、右轴 CoQ10/BChl/类胡萝卜素（mg/g）0-20，柱上标显著性字母。
论文结果：A-O 生物量最高 1338.5 mg/L，较 C-O（1157.1 mg/L）高 15.7%（P=0.074）、较 N-O（1064.7 mg/L）高 25.7%（P=0.017）；A-O 与 C-O 在 60 h 达峰（μ=0.57 与 0.52 d-1），N-O 在 84 h 达峰（μ=0.35 d-1）。色素：A-O 的 BChl（9.57 mg/L）与类胡萝卜素（1.92 mg/L）均最高；蛋白含量 N-O 最高（618.7 mg/g），C-O 558.8、A-O 498.1 mg/g；CoQ10 含量 C-O 最高（15.4 mg/g，较 N-O 高 63.8%、较 A-O 高 35.1%）。
研究意义：周期性供氧缩短指数生长期并提高生物量，其机制在于抑制了光能的过度浪费；A-O 与 N-O 的 BChl 含量无显著差异（P=0.60）、却较 C-O 高 15.7%（P=0.017），说明 A-O 缓解了氧对光合色素的破坏，使 PSB 保留一定的光合代谢特征，减少蛋白被氧化代谢消耗。
图示信息：a 为 PCA 得分散点图，横轴 PC1（35.40%）、纵轴 PC2（13.80%），N-O 绿色圆形、C-O 蓝色三角、A-O 红色菱形，带分组椭圆与原点虚线；b 为热图，列为供氧策略（N-O、C-O、A-O），行为 17 种代谢物（L-乳酸、3-磷酸甘油酸、1,6-二磷酸果糖、6-磷酸葡萄糖、苹果酸、延胡索酸、柠檬酸、乙醇酸、5-磷酸核糖、L-脯氨酸、L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-酪氨酸、L-苯丙氨酸、烟酸、β-丙氨酸、4-羟基苯甲酸），颜色蓝低白中红高（标度约 4.260-7.370）。
论文结果：同策略样本聚拢、不同策略样本分离（95% 置信区间），说明三策略代谢组差异显著且重复性好；延胡索酸之前的 EMP 与部分 TCA 中间产物丰度为 C-O ≥ A-O > N-O，延胡索酸之后排序改变，A-O 的苹果酸高于 C-O 且与 N-O 相近（P=0.15），A-O 的 β-丙氨酸最高（较 N-O P=9.0×10-6、较 C-O P=3.0×10-6）。
研究意义：延胡索酸可能是导致 A-O 组 TCA 循环活性最高的“拐点”；代谢组差异从分子层面支持 A-O 在维持去除的同时增强胞内物质合成。
图示信息：三个气泡/散点图，横轴 Pathway Impact、纵轴 -Log(P)，分别对应三组两两比较。
论文结果：受供氧显著影响（P<0.05 且通路影响 >0）的通路包括碳固定、D-丙氨酸代谢、β-丙氨酸代谢以及烟酸与烟酰胺代谢，这些通路在三种供氧策略间存在显著差异。
研究意义：从通路层面锁定氧供策略影响 PSB 代谢的关键节点，为后续以 PAPi 计算通路活性提供依据。
图示信息：三个横向条形图，横轴为通路活性倍数变化，分 a/b/c 三组两两比较。
论文结果：A-O 的 TCA 循环活性最高，可有助胞内物质（脂肪、糖、蛋白等）合成；丙酸代谢、苯丙氨酸代谢与酪氨酸代谢（为 TCA 提供琥珀酰 CoA、琥珀酸与延胡索酸）活性也以 A-O 最高，暗示更多物质进入 TCA 循环并产生额外前体。A-O 的 β-丙氨酸代谢、嘧啶代谢、CoA 生物合成活性均最高，依次为 A-O > C-O > N-O；C-O 与 A-O 中氧化磷酸化代谢活性高于 N-O，且烟酸丰度在 A-O 与 C-O 相近。C-O 与 A-O 的泛醌与萜类-醌生物合成活性及 4-羟基苯甲酸（CoQ10 合成关键中间体）下调程度均高于 N-O（C-O 更低）。
研究意义：A-O 通过增强 TCA 循环与 β-丙氨酸/嘧啶代谢、CoA 生物合成促进胞内物质合成与细胞结构构建，并通过降低 CoQ10 含量缓解电子传递过多对光合磷酸化的抑制，从而在利用光能的同时保留氧化磷酸化带来的收益。
图示信息：代谢通路示意图，比较 N-O、C-O、A-O 三组在中心碳代谢中的表现，含 CBB 循环、乙醇酸循环、EMP、TCA 循环四大模块；代谢物丰度用小柱状图表示（绿=N-O、蓝=C-O、红=A-O），通路活性用对应颜色箭头粗细表示，柱上标 a/b/c/ab 显著性字母。
论文结果：示意图汇总：EMP 与 TCA 中延胡索酸之前代谢物以 C-O ≥ A-O > N-O，延胡索酸之后（苹果酸、β-丙氨酸等）A-O 表现突出；C-O 与 A-O 的乙醇酸与 3-磷酸甘油酸丰度高于 N-O；关联通路包括嘧啶代谢、泛酸与 CoA 生物合成、酪氨酸/苯丙氨酸/丙酸代谢。
研究意义：整合代谢物与通路结果，指出 A-O 下物质流更集中进入 TCA 循环与胞内物质合成途径；同时乙醇酸途径在 C-O 与 A-O 中增强，缓解氧对 CO2 固定的抑制并维持胞内氧化还原平衡，保证生物量合成。
图示信息：三个并排折线图，横轴时间（h）0-72；左图纵轴生物量（mg/L）0-2500，中图 COD 去除率（%）0-100，右图 NH4+-N 去除率（%）0-100；图例 A-O 红色上三角、A-O-1 蓝色下三角、A-O-2 棕色菱形。
论文结果：三组生物量均约在 48-60 h 达峰（约 2200-2400 mg/L）后略降，A-O-2 末值最高；COD 去除随时间上升至约 90%（约 48 h 处有回落）；NH4+-N 去除中 A-O 与 A-O-1 达约 90%-95%，A-O-2 偏低（约 80%）。
研究意义：周期性供氧方案筛选结果：A-O 在生物量、COD 与 NH4+-N 去除上综合最优（生物量 2419.3 mg/L、COD 94.0%、NH4+-N 96.2%），且曝气时长最短（36 h），故被选为代表性周期供氧策略进入后续对比。
机制小结
- 氧作为终端电子受体提高有机物去除率；但连续微氧下氧化磷酸化会抑制光合磷酸化，浪费光能并可能抑制光捕获复合物与光合系统相关氧化还原调节因子的表达。
- A-O 通过间歇供氧缓解氧对光合色素（细菌叶绿素）的破坏，使 BChl 含量与厌氧 N-O 相当且高于 C-O，保留光合磷酸化能力的同时兼有氧化磷酸化收益。
- A-O 在延胡索酸之后显著增强 TCA 循环活性，并提升丙酸、苯丙氨酸、酪氨酸代谢（为 TCA 供给琥珀酰 CoA、琥珀酸、延胡索酸），产生更多胞内物质合成前体。
- A-O 提升 β-丙氨酸代谢、嘧啶代谢与 CoA 生物合成活性，促进核酸合成与细胞结构构建，支撑更快的细胞生长与增殖。
- 氧促进 CoQ10 合成（C-O 最高、4-羟基苯甲酸下调最明显），但 C-O 中过高 CoQ10 加剧对光合磷酸化的抑制；A-O 适度降低 CoQ10 含量，缓解抑制并利于光合中心电子传递。
- C-O 与 A-O 中乙醇酸途径增强，将 2-磷酸乙醇酸转为 3-磷酸甘油酸，缓解氧抑制 CO2 固定引起的胞内氧化还原失衡，保证生物量合成。
工程与产业含义
- A-O 策略以约一半的曝气时间达到与 C-O 相近的污染物去除率，可降低曝气能耗与运行成本。
- A-O 使生物量较 C-O、N-O 分别提高 15.7% 与 25.7%，色素浓度较其他两策略高 15.1%-31.1%，有助于提升单位处理量的资源产出。
- 辅酶 Q10 与色素等高值产物可随生物量一并回收；A-O 在产出与去除之间取得平衡，适合户外大规模实际废水处理系统。
- 该策略面向以 PSB 为基础的废水处理与资源回收，具备提升大规模乃至现场应用可行性的潜力。
- 后续需以转录组学进一步研究 PSB 对频繁厌氧/微氧切换的快速适应机制，并在含非 PSB 菌群的真实废水中验证其表现。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 高 COD、高氨氮且无毒的有机废水（如合成糖废水、食品类废水）的 PSB 处理与资源回收
- 希望以较低曝气成本同时提高生物量、色素与辅酶 Q10 产出的工艺
- 光照连续、需平衡光合磷酸化与氧化磷酸化的光生物反应器运行
- 以 Ectothiorhodospira 等耐氧 PSB 菌株为核心的处理系统
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 需要严格厌氧条件的产氢或特定厌氧代谢工艺
- 以最高蛋白含量为唯一目标时——本研究 N-O 的蛋白含量（618.7 mg/g）高于 A-O（498.1 mg/g）
- 未经验证的含非 PSB 菌群的真实废水与大规模系统（需另行评估）
- 以最高辅酶 Q10 含量为目标时——C-O 的 CoQ10 含量（15.4 mg/g）最高
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 研究使用合成糖废水与单株 Ectothiorhodospira，未在含杂菌的真实废水中验证；作者明确指出该方向仍需进一步研究。
- 试验规模为 1000 mL 玻璃瓶批次反应器，未做放大或连续运行验证。
- 代谢组学仅基于 GC-MS 检测 <1000 Da 代谢物与 KEGG/PAPi 推断，属代谢层面证据；对频繁厌氧/微氧切换的适应机制尚需转录组学补充。
- 部分参数组间差异未达统计显著（如 A-O 与 C-O 生物量 P=0.074、COD 去除 P=0.67），结论以趋势与多指标综合为主。
- 供氧由人工每天调节气量 3-4 次维持 DO，实际放大时的自动控制可行性未评估。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
补充数据可在线获取（https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.126678）。经费：国家自然科学基金（52070067、518611255103）与中国农业大学 2021 年顶尖农业大学合作项目。利益冲突：作者声明存在可能被视为潜在竞争利益的财务关系或个人关系（Tim Hülsen，澳大利亚昆士兰大学，学术观点分歧）。文章发表于 Bioresource Technology 347 (2022) 126678，2022 年 1 月 6 日在线。