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光合细菌污水氮转化制蛋白：氮源浓度与类型如何影响产量 | 彭博士工具屋

以合成糖废水为底物、光照厌氧条件（2000 lux，26–30 ℃，C/N=15，3 d）培养光合细菌（PSB），比较不同氮源浓度与类型对产蛋白的影响。NH4-N 200 mg/L 时蛋白含量最高（48.52%），产率 58.01 mg/(L·d)；单一氮源中尿素最好（转化率 3.35、蛋白 565.4 mg/L）；NH4-N+NO3-N 组合产率最高，达 130.35 mg/(L·d)，氮转化率 3.3。氮平衡显示被利用氮中 68.4% 来自 NH4-N、31.6% 来自 NO3-N，pro-N 增至 12.46 mg。

光合细菌污水资源化氮代谢单细胞蛋白转录组氮平衡
💡 核心结论：在 200 mg/L 氮浓度、NH4-N+NO3-N 组合供给条件下，PSB 的氮转化率达 3.3、蛋白产率峰值 130.35 mg/(L·d)，被利用氮中 68.4% 来自 NH4-N、31.6% 来自 NO3-N，pro-N 提升至 12.46 mg。
📑 目录
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
Insights into Wastewater Nitrogen Conversion to Protein via Photosynthetic Bacteria
作者
Wei Zhao, Chenghao Wu, Sijia Zheng, Guangming Zhang
期刊 / 年份
Water 2025
DOI
10.3390/w17060826
卷期 / 页码
17(6), 826
单位
黑龙江大学黑龙江河湖管理研究院；重庆市大足区发展和改革委员会；河北工业大学能源与环境工程学院
一句话概括：用合成糖废水在不同氮源浓度与类型下培养光合细菌混合菌，结合氮元素平衡与 Rp. palustris 转录组，定位控制氮向蛋白转化的关键酶基因，指出 NH4-N+NO3-N 组合与 Nas/GDH/GltS 缺失是产量差异的机制来源。

一图不看也要知道的几件事

  • 实验采用合成糖废水，PSB 接种量 20%(v/v)，光照厌氧（氩气顶空、2000 lux 白炽灯），26–30 ℃，C/N=15，周期 3 d。
  • NH4-N 去除率在 93.56%–96.89% 间，各浓度均较高。
  • NH4-N 浓度 200 mg/L 时产蛋白最佳：蛋白含量 48.52%，蛋白产率 58.01 mg/(L·d)；超过 200 mg/L 后产量随氨氮升高而下降。
  • 单一氮源中尿素最优：氮转化率 3.35、蛋白浓度 565.4 mg/L。
  • 单一 NH4-N 条件下蛋白产率 611 ± 13 mg/g，氮转化率 3.71。
  • NO2-N、NO3-N 作单一氮源均不利，两者氮转化率均低于 1.0（浓度 200 mg/L）。
  • 组合氮源氮转化率约 3.3（NH4-N+NO2-N 组为 2.15）；NH4-N+NO3-N 组蛋白产率最高 130.35 mg/(L·d)。
  • 氮平衡实验初始总氮 71.07 mg；NH4-N 占比由 47% 降至 5%，NO3-N 由 38% 降至 17%；生成 25.76 mg bio-N，其中 pro-N 12.46 mg。
  • 气态氮占 27%，有机氮占比提升 15%，NO2-N 仅 0.03 mg；被消耗氮源 68.4% 来自 NH4-N、31.6% 来自 NO3-N。
  • Rp. palustris 转录组中 nirK（4607）、norB（1479）、nosZ（4877）转录本计数高，指示显著反硝化；glnA 1744、gltB 12158 与谷氨酸形成相关；该条件下蛋白产量 437.4 mg/g。
  • Rp. palustris 因缺少硝酸还原酶、GLDH、GDH 与 GltS，蛋白产率仅 53.28 mg/(L·d)。

研究背景与要解决的问题

全球蛋白资源短缺背景下，微生物蛋白（单细胞蛋白，SCP）因蛋白、维生素、必需氨基酸与脂质含量高而受关注；光合细菌（PSB）蛋白含量一般高于 40%，可用作饲料、肥料，甚至食品或食品添加剂。

PSB 已能从啤酒废水、家禽场/屠宰场/糖厂废水等多种废水中产蛋白；但氮转化对蛋白产量的影响研究较少，已有工作基本聚焦氨氮，且多停留在实验与模型参数优化层面。

氮是蛋白的重要组成，PSB 可将底物中的氮转化为生物量中的有机氮。不同氮源如何影响氮转化与蛋白合成，其底层机制仍不清楚。

本研究系统考察氮源浓度与类型对 PSB 产蛋白的影响，并通过氮平衡与氮代谢分析揭示转化机制，确定有利于产蛋白的氮源条件。

概念与技术边界

PSB（光合细菌）
能在光照下利用有机物或 CO2 生长的细菌类群，蛋白含量高，是污水资源化与单细胞蛋白生产的候选微生物。
SCP（单细胞蛋白）
即微生物蛋白，由微生物细胞体提供的蛋白来源，可作饲料或食品补充。
氮转化率
文中定义为蛋白转化浓度与氮源消耗浓度之比，衡量氮被转为蛋白的效率（如 3.35、3.3）。
pro-N
蛋白氮，等于生物量中蛋白浓度除以氮-蛋白换算系数 6（本文取值）。
bio-N
细胞中的氮，用元素分析仪测定。
非-pro-N
bio-N 中除 pro-N 之外的氮，可能以其他含氮化合物形式存在于 PSB 生物量中。
Nas / GDH / GltS / GLDH
分别指同化型硝酸还原酶、谷氨酸脱氢酶、谷氨酸合酶、谷氨酸脱氢酶类，氨/硝酸盐同化生成谷氨酸的关键酶；其缺失会限制氮的高效利用，进而限制蛋白产量。
pro-N 与氮-蛋白换算系数 6
文中的换算方式：蛋白氮 = 蛋白浓度 / 6。

体系与方法

环节做法与参数
废水与菌种采用合成糖废水（参考文献所述配方）；PSB 为以 Rp. palustris 为优势菌的混合菌，另用来自苏州的纯 Rp. palustris 做氮代谢实验。接种前培养至生物量 2000 mg/L，改良 RCVBN 培养基、120 r/min、26–30 ℃、2000 lux 培养。
反应器与运行300 mL 锥形瓶装 240 mL 废水，接种 20%(v/v)；光照厌氧（顶空氩气冲洗 5 min 后橡胶塞密封），2000 lux 白炽灯，26–30 ℃，C/N=15，周期 3 d。
氮源浓度实验以 NH4-N 为氮源，设 50、200、500、1000、3000、5000 mg/L 共 6 组。
氮源类型实验(NH4)2SO4、NaNO2、NaNO3、尿素分别代表 NH4-N、NO2-N、NO3-N、有机氮；设置 NH4-N、NO2-N、NO3-N、NH4-N+NO2-N、NH4-N+NO3-N、尿素、NH4-N+尿素 7 组。
氮平衡实验选取上述确定的最佳浓度与类型条件，测定进水中氮、接种液中 bio-N、无机氮与有机氮；总初始氮 71.07 mg；因光照厌氧条件，气态氮由初始总氮与末期其他形态氮的差值按元素平衡计算。
氮代谢实验条件与氮平衡相同，仅菌种改为 Rp. palustris；另设不接种 PSB 的无菌阴性对照，未观察到显著的非生物氮转化影响。
分析测定11,000 rpm 离心 10 min 取上清测 TN、NH4-N、NO2-N、NO3-N（APHA 法），有机氮为 TN 减去三者；660 nm 测生物量；蛋白用改良 Lowry 法试剂盒；bio-N 用元素分析仪；pro-N=蛋白浓度/6。
分子分析TRIzol 提 RNA，NEB Next Ultra 建库，Illumina HiSeq 测序；FastQC 质检、Trimmomatic 修剪，HISAT2(v2.2.1) 比对，FeatureCounts 定量，DESeq2(v3.20) 差异表达（FDR<0.05），KEGG 注释与通路富集，构建氮代谢通路图。

主要结果（原文图表逐条解读）

Fig. 1 不同氮源浓度下的蛋白产量（原文 Figure 1. Protein production under different nitrogen source concentrations）
Fig. 1 不同氮源浓度下的蛋白产量（原文 Figure 1. Protein production under different nitrogen source concentrations）
图示信息：组合图：横轴为氮源浓度 50、200、500、1000、3000、5000 mg/L；左轴（0–500 mg/L）为蛋白浓度柱，右轴（约 32%–56%）为蛋白含量折线；内嵌小图给出各浓度下 NH4-N 去除率。
论文结果：蛋白浓度在 200 mg/L 处最高（约 415 mg/L），随后随浓度升高而下降；蛋白含量由 50 mg/L 时约 46% 微升至 200 mg/L 时约 48%，之后持续下降到 5000 mg/L 时约 37%；NH4-N 去除率在各浓度下均维持约 93%–97%。原文给出 200 mg/L 时蛋白含量 48.52%、产率 58.01 mg/(L·d)，NH4-N 去除率范围 93.56%–96.89%。
研究意义：存在明确的氨氮浓度阈值（200 mg/L），过高浓度对微生物产生毒性、抑制产蛋白；过低则氮源不足。该结果直接支撑后续氮平衡与转录组实验选择 200 mg/L 作为操作点。
Fig. 2 不同氮源类型下的蛋白产量（原文 Figure 2. Protein production under different nitrogen source types）
Fig. 2 不同氮源类型下的蛋白产量（原文 Figure 2. Protein production under different nitrogen source types）
图示信息：堆叠柱状图：横轴为 NH4-N、NO2-N、NO3-N、NH4-N+NO2-N、NH4-N+NO3-N、尿素、NH4-N+尿素 7 组；每根柱下方（橙红色）为蛋白（mg/L）、上方（浅蓝）为生物量（mg/L）；黑色方点虚线给出蛋白含量（%）。
论文结果：NH4-N+NO3-N 组总生物量最大（约 1060 mg/L）、蛋白最高（约 850 mg/L）；单一 NO3-N 组蛋白最低（约 175 mg/L）；蛋白含量约 57%–64%，NO2-N、NO3-N、NH4-N+NO3-N 组偏低，NH4-N+尿素组最高。原文给出：尿素单一氮源氮转化率 3.35、蛋白 565.4 mg/L；NH4-N 单一氮源蛋白 611 ± 13 mg/g、氮转化率 3.71；NO2-N 与 NO3-N 转化率均低于 1.0；组合氮源转化率约 3.3（NH4-N+NO2-N 为 2.15）；NH4-N+NO3-N 蛋白产率 130.35 mg/(L·d)。
研究意义：单一氮源中尿素/氨氮优于亚硝酸盐与硝酸盐；组合氮源普遍优于单一氮源，且不同组合机制不同——NH4-N+NO3-N 可能直接促进蛋白转化通路，NH4-N+尿素可能通过提高生物量间接提高总蛋白。
Fig. 3 实验起始与结束时的氮组成（原文 Figure 3. The nitrogen composition at the start and the end of the experiment）
Fig. 3 实验起始与结束时的氮组成（原文 Figure 3. The nitrogen composition at the start and the end of the experiment）
图示信息：两根 100% 堆叠柱（0 d 与 3 d，总氮 71.07 mg），并用斜线连接对应氮形态，展示各形态占比变化。
论文结果：NH4-N 由 47% 降至 5%，NO3-N 由 38% 降至 17%；生成气态氮占比 27%、有机氮占比提升 15%；pro-N 提升 14%、非-pro-N 占 7%；NO2-N 仅 0.03 mg；被消耗氮源中 68.4% 来自 NH4-N、31.6% 来自 NO3-N。
研究意义：气态氮的出现证明 PSB 混合菌存在反硝化途径，可将 NO3-N 转为 N2；但微生物仍主要依赖 NH4-N 转化产蛋白，后续优化应聚焦如何促进 NH4-N 向蛋白的转化。
Fig. 4 该实验条件下的氮代谢网络（原文 Figure 4. The nitrogen metabolism network based on this experimental condition）
Fig. 4 该实验条件下的氮代谢网络（原文 Figure 4. The nitrogen metabolism network based on this experimental condition）
图示信息：氮转化通路图：蓝色为反硝化（胞外硝酸盐经 nrtA/B/C 转运，nasS → 亚硝酸盐，nirK → NO，norB → N2O，nosZ → N2）；绿色为同化型硝酸盐还原（nirA）；橙色为固氮（nifD）；紫色为铵同化（glnA → 谷氨酰胺，gltB → 谷氨酸）；虚线为其他反应（ncd2/npdA、nitrilase、formamidase、cynS、碳酸酐酶等）。
论文结果：该条件下的关键酶基因使用情况与常规反硝化（narBGHI、nirBDKS、nrfAH、napAB）不同，使用的是同化型硝酸还原酶基因 nasS；谷氨酸脱氢酶通路相关关键酶基因未被检出，只剩谷氨酰胺途径可走；这与 53.28 mg/(L·d) 的较低蛋白产率相符。
研究意义：硝酸还原酶整体活性偏低、关键酶基因适配性不佳，可能解释 NH4-N+NO3-N 条件下硝酸盐转化较低；同时存在其他可能影响产蛋白的氮代谢支路（硝基烷烃、氰酸盐、腈类转化为氨等），提示处理含此类化合物废水时适度浓度或可促进产蛋白。
Table 1 样品（SPL）与 Rp. palustris TIE-1（REF）在氮代谢中的转录本计数比较（原表无法提取为图片，仅文字解读）
图示信息：两列对比 SPL 与 REF 的基因转录本计数，并列出对应酶名。
论文结果：多数基因 SPL 与 REF 计数一致：nrtA 13/13、nrtB 3/3、nrtC 14/14、nasS 46/46、npdA 580/580、nirK 4607/4607、norB 1479/1479、nosZ 4877/4877、nifD 25/25、nirA 15/15、cynS 22/22、glnA 1744/1744、gltB 12158/12158；另列出碳酸酐酶 393、甲酰胺酶 42、腈水解酶 25、ncd2 677。大计数转录本的 nirK、norB、nosZ 证明反硝化显著；glnA 与 gltB 的显著计数可解释该条件下 437.4 mg/g 的蛋白产量。
研究意义：转录本水平表明实验条件下 Rp. palustris 的氮代谢基因表达与已知全基因组菌株 TIE-1 总体一致，为通路推断提供了基因层面的对照基准。

机制小结

  • 同化作用：PSB 通过氮转运（amtB、nrtABC）、铵同化（glnA、gltB、gltD）与硝酸盐还原（nasA、narB）相关基因上调，将氮源转化为生物量中的有机氮与蛋白。
  • 反硝化：nirK、norB、nosZ 高表达证明存在显著反硝化，NO3-N 可被还原为 N2 而损失，也可经同化还原为 NH4-N 再进入生物量。
  • 氨同化路径缺失：谷氨酸脱氢酶（GLDH/GDH）与谷氨酸合酶（GltS）相关关键酶基因未检出，只剩氨→谷氨酰胺→谷氨酸途径，限制氨向谷氨酸的高效转化。
  • 氮源偏好：被利用氮中 68.4% 来自 NH4-N，说明在氨氮与硝酸盐共存时 PSB 优先利用氨氮。
  • 高浓度亚硝酸盐可通过提高氧化胁迫、破坏细胞膜、降低光合作用抑制 PSB 生长与产蛋白。

工程与产业含义

  • 氮源选型：若以产蛋白为目标，优先考虑 NH4-N 与 NO3-N 组合（产率 130.35 mg/(L·d)），单一氮源中尿素最优。
  • 浓度控制：氨氮控制在约 200 mg/L 附近，超过该值产蛋白下降，高浓度（如 1000 mg/L）对微生物有明确抑制。
  • 氮损失核算：氮平衡中 27% 转化为气态氮，意味着系统存在不可忽视的氮损失，实际工程需权衡脱氮与蛋白回收。
  • 优化方向：应聚焦促进 NH4-N 向蛋白的转化而非单纯脱氮；对含硝基烷烃、氰酸盐、腈类等化合物的废水，适度浓度可能不仅无毒性还可促进产蛋白。
  • 菌种差异：不同 Rp. palustris 菌株在关键酶基因上的有无会直接决定产蛋白能力，选育时应关注 Nas、GDH、GltS 等酶的存在情况。

适用与不适用场景

✅ 适用场景
  • 以氨氮和硝酸盐共存为主的合成糖废水或类似高氮工业/市政废水的 PSB 产蛋白工艺设计
  • 选择 PSB 处理氮源的浓度阈值与氮源类型组合时的参数参考
  • 利用转录组与氮平衡识别氮代谢瓶颈（如氨同化路径缺失）的菌种筛选与改造研究
⚠️ 不适用 / 需谨慎
  • 以实际复杂废水为对象时需重新验证，本研究使用合成糖废水
  • 仅 3 d 实验周期，不能直接外推到长期连续运行的稳定性
  • 高浓度氨氮（>1000 mg/L）体系，本研究表明该条件对微生物有毒性

局限与不确定性

作者未解决 / 需要读者注意的问题
  • 实验为 300 mL 锥形瓶批次试验、周期 3 d，与连续流放大运行存在差距。
  • 氮平衡中气态氮由差值法计算，且光照厌氧条件，未直接测定气体组成。
  • 转录组仅取单一条件、单一菌株（Rp. palustris）样本，未做多条件比较或时间序列。
  • 蛋白采用 Lowry 法并除以系数 6 换算 pro-N，换算系数的普适性未在本文验证。
  • 阴性对照仅说明未观察到显著非生物氮转化，未给出定量数据。
  • 文中未给出各氮源类型组生物量的具体数值。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

数据可用性：研究产生和分析的数据集可向通讯作者索取（available from the corresponding author on request）。经费：国家水体污染控制与治理科技重大专项 2018ZX07110003、黑龙江省自然科学基金 LH2022C098、城市水资源与水环境国家重点实验室 2022 年开放基金 ES202217、黑龙江省省属高校基本科研业务费 2023-KYYWF-1495。利益冲突：作者声明无利益冲突。

来源与链接

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