紫色非硫细菌同步处理果汁废水并产单细胞蛋白：pH 与两种果汁废水对比

📑 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

Simultaneous treatment of fruit juice industry wastewater and single-cell protein synthesis using purple non-sulfur bacteria

作者

Naim Rashid, Mirna N. A. Abdelnabi, Annette Shoba Vincent, Hamish R. Mackey

期刊 / 年份

Biomass Conversion and Biorefinery 2023

DOI

10.1007/s13399-022-03669-6

卷期 / 页码

13: 16321-16332

单位

哈马德·本·哈利法大学（卡塔尔基金会）；卡塔尔卡内基梅隆大学生物科学项目

一句话概括：以两种真实果汁工业废水（柑橘汁与混合果汁）为底物，在四个初始 pH 下考察 PNSB 的生长、碳氮去除、生物量产率、SCP 与光色素含量，并用 16S 测序解析 PNSB 与其他菌群的共存关系。

一图不看也要知道的几件事

CJW 生长无停滞期，最高吸光度出现在 pH 8.0（2.65 ± 0.01），pH 7.0 紧随（2.63 ± 0.02）；pH 5.0 仅 1.18 ± 0.06。
MJW 最高吸光度出现在 pH 6.0（2.73 ± 0.01），pH 7.0、8.0、5.0 分别为 2.41、2.29、2.20。
VSS：CJW 以 pH 8.0 最高（852 ± 115 mg/L），pH 5.0 最低（278 ± 5 mg/L）；MJW 以 pH 8.0 最高（625 ± 35 mg/L），pH 6.0 最低（175 ± 35 mg/L）。
COD 去除率：CJW 随 pH 升高，pH 8.0 达 89 ± 0.1%；MJW 在 pH 7.0 达 94 ± 1%、pH 8.0 为 92 ± 1%（两者无显著差异，p>0.05）。
生物量产率：CJW pH 8.0 为 0.493 ± 0.07 g-VSS/g-COD；MJW pH 8.0 为 0.397 ± 0.02 g-VSS/g-COD，各组间无显著差异。
总氮去除：CJW 在各 pH 均高于 MJW，最高 pH 8.0 为 70 ± 3.13 mg/L；MJW 各 pH 相近，为 19–26.3 mg/L。
SCP：Lowry 法为 CJW 48 ± 1%、MJW 40 ± 3%；按 TN×6.25 估算的粗蛋白为 64.5 ± 2.1% 与 60 ± 3.8%。
光色素：CJW 类胡萝卜素 1354 ± 64、细菌叶绿素 2097 ± 110 µg/g；MJW 为 1558 ± 218 与 3100 ± 614 µg/g，两种废水间无显著差异。
群落：Xanthobacteraceae（含 Rhodoplanes、Rhodopseudomonas 等 PNSB 属）在 CJW pH 6.0 达 51%、pH 8.0 为 22%；MJW pH 8.0 达 51%、pH 6.0 为 20%；PNSB 最高可占培养物的约 51%。

研究背景与要解决的问题

果汁工业经清洗、浸泡、压榨等工序产生大量废水，每生产 1 L 果汁约产生 10 L 废水。果汁废水（FJW）COD 与悬浮/溶解固体高、氮磷等营养低、pH 低，直排会造成环境与生态问题；混凝、电絮凝、电氧化、膜过滤等物化法因能耗高、污泥量大而难以规模化。

厌氧生物处理被视为成熟且经济的高浓度废水方案，近年与单细胞蛋白（SCP）合成耦合以获取额外经济收益。SCP 可用于人、动物或水产饲料，相比植物蛋白（缺赖氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸）与动物蛋白（粪污与肥料污染）更具环境优势，但生产成本高制约规模化。

紫色非硫细菌（PNSB）为兼性厌氧菌，可利用复杂有机物，在营养失衡条件下在光异养与混养模式间切换，其光异养模式便于在混培体系中富集，避免灭菌与菌种维护成本；PNSB 菌体还含类胡萝卜素、细菌叶绿素、辅酶 Q10 与必需氨基酸，提升 SCP 营养价值。

FJW 富含糖与有机酸（含 VFAs，可作 PNSB 光厌氧的电子供体），虽 pH 偏酸但 PNSB 耐 pH 范围宽且在光异养中自然升 pH。单一种类果汁与混合果汁在有机物、防腐剂与添加剂上差异明显，因此本研究比较柑橘汁废水（CJW）与混合果汁废水（MJW），系统考察 pH 的影响。

概念与技术边界

PNSB / PPB（紫色非硫/紫色光养细菌）

兼性厌氧光异养细菌，可富集于混培体系，菌体富含蛋白与光色素，常用于废水碳回收。

SCP（单细胞蛋白）

微生物菌体蛋白，可替代传统动植物蛋白用于水产与畜禽饲料。

CJW / MJW

柑橘（橙）汁废水与混合果汁废水，分别为最常消费果汁品类中的第一与第三位，组分差异显著。

光异养与光自养

光异养代谢有机碳并释放 CO₂（使 pH 下降）；光自养消耗 CO₂（使 pH 回升），两种模式交替解释 pH 变化。

ORP（氧化还原电位）

反映体系还原性；pH 8.0 处理初始 ORP 最低（−26 ± 6 mV），表明还原条件最强。

碳产率（g-Cbiomass·g-CConsumed⁻¹）

以假定菌体分子式 C5H7O2N 计算，衡量消耗碳向菌体碳的转化效率。

体系与方法

环节	做法与参数
废水采集与表征	取自卡塔尔本地果汁厂加工设备冲洗初期水样，4 °C 保存；CJW/MJW 的 CODt 为 6730 ± 141、5590 ± 99 mg/L，CODs 为 5710 ± 28、5060 ± 14 mg/L，pH 为 4.12 ± 0.05、3.85 ± 0.03，TOC 2564 ± 3、2560 ± 34 mg/L，TSS 500 ± 18、271 ± 13 mg/L，电导率 548、478 µS/cm，ORP 126、140 mV。
预处理与接种	原废水因低 pH 与高 COD 不宜直接培养，故用清水稀释至 COD 约 1700–2000 mg/L；按 ATCC-2672 配方补加 NH4Cl、KH2PO4、维生素与微量元素；工作液 CODs 为 CJW 1950 ± 14、MJW 1703 ± 3 mg/L；接种实验室已在其他高有机工业水上培养的 PNSB 混培体系。
pH 与培养条件	用 0.1 M NaOH 与 0.1 M H2SO4 调初始 pH 至 5.0、6.0、7.0、8.0；转移至 160 mL 血清瓶，通氮 2 min 除氧，橡胶塞加铝盖密封；恒温摇床 150 rpm、35 ± 1 °C，光照 42 µmol·m⁻²·s⁻¹，主峰 640–660 nm；培养至第 7 天（早期稳定期）结束。
生长与水质分析	以 420 nm 吸光度监测生长（全光谱 400–700 nm 扫描显示最大吸收峰在 420 nm）；TSS/VSS 用玻璃纤维滤膜（Whatman GF/C）标准法；COD 用 HACH 试剂盒（21258-51）与 DR1900 分光光度计；TOC/IC 用 TOC-L 分析仪配 TNM-1 模块。
元素与蛋白测定	冻干菌体 0.5–1.5 mg 于 980 °C 燃烧，EA 3000 元素分析仪，氦气载气 121 mL/min，乙酰苯胺校准；蛋白用改良 Lowry 试剂盒，粗蛋白按总氮×6.25 估算。
色素测定	丙酮提取，473 nm 与 771 nm 测定，按 Carotenoid = A473×10000/(250×L×W)、Bacteriochlorophyll = A771×10000/(76×L×W) 计算（L 为比色皿光程，W 为初始菌体量/提取液体积）。
群落分析	Ion 16S Metagenomics 试剂盒扩增 V2,4,8 与 V3,6–7,9 区；2% 琼脂糖凝胶回收、AxyPrep 纯化；TruSeq DNA LT 加接头，MiSeq 双端测序；QIIME2 2019.10 + dada2 去噪，SILVA 99% 数据库注释，MiDAS 4.8.1 辅助注释属水平。
统计	所有测定双重复并报标准差；组间用 Student's t 检验，p<0.05 显著（JASP 0.14.1）。

主要结果（原文图表逐条解读）

Fig. 1 (a) CJW 与 (b) MJW 中不同 pH 下 PNSB 的生长曲线。

Fig. 3 (a) CJW 与 (b) MJW 的 pH 变化，以及 (c) CJW 与 (d) MJW 的 ORP 变化。

Fig. 6 (a) CJW 与 MJW 的 COD 去除量及 (b) COD 去除率。

Fig. 2 CJW 与 MJW 作底物时的 VSS 产量对比。（原图未能稳定匹配，仅文字解读）

图示信息：比较两种废水在四个初始 pH 下的 VSS 产量。

论文结果：CJW 的 VSS 以 pH 8.0 最高（852 ± 115 mg/L），pH 7.0 为 760 ± 96、pH 6.0 为 557 ± 125、pH 5.0 最低（278 ± 5 mg/L），与吸光度高度相关。MJW 的 VSS 随 pH 升高而增加但相关性较差：pH 8.0 625 ± 35、pH 7.0 450 ± 141、pH 5.0 225 ± 35、pH 6.0 175 ± 35 mg/L。

研究意义：CJW 上的生物量增长快于 MJW，差异归因于两种底物组成不同；MJW 中吸光度最高（pH 6.0）与 VSS 最低的背离，提示光学读数与真实生物量在该底物下不一致。

Fig. 4 CJW 与 MJW 在 pH 6.0 与 8.0 下的科水平相对微生物丰度。（原图未能稳定匹配，仅文字解读）

图示信息：相对丰度柱图（>1% 丰度，QIIME2view 生成，最多 5 个分类层级）。

论文结果：Xanthobacteraceae（含 Rhodoplanes、Rhodopseudomonas 等 PNSB 属）在 CJW pH 6.0 与 8.0 分别占 51% 与 22%，在 MJW 则分别为 20% 与 51%。Rhizobiaceae 仅见于 MJW（pH 6.0 为 4%、pH 8.0 为 8%），在 CJW 中接近可忽略（<0.2%）。Pleomorphomonadaceae 在所有处理中出现，最高 9%（MJW pH 6.0），其余约 2%。厌氧发酵菌 Clostridiaceae 在 CJW pH 8.0 为 18%、MJW pH 6.0 为 31%，其余样仅约 1%。Rikenellaceae 仅在 pH 8.0 的两种废水中检出；Enterobacteriaceae 仅在 CJW pH 6.0 占主导（22%），其余 2%–4%。Sphingomonadaceae 各处均有但量少（0.1%–4%）。未归类部分占 14%–25%。

研究意义：两种底物与不同 pH 下群落结构明显不同，潜在 PNSB 丰度可观（最高约 51%）；PNSB 相关类群丰度与 420 nm 吸光度呈相反趋势，推测与摇床光照强度偏低、随吸光度升高光穿透受限有关。

Fig. 5 CJW 与 MJW 在不同 pH 下的 TOC 与 IC 去除。（原图未能稳定匹配，仅文字解读）

图示信息：TOC 与 IC 去除量随 pH 的变化（CJW 初始 TOC 635 ± 45、IC 481 ± 9 mg/L；MJW 初始 TOC 692 ± 55、IC 597 ± 5 mg/L）。

论文结果：CJW 的 TOC 去除随 pH 升高：pH 5.0–8.0 为 259 ± 7、329 ± 47、371 ± 12、422 ± 13 mg/L；IC 去除呈相反趋势，pH 5.0 最高（452 ± 2）、pH 8.0 最低（119 ± 19）。MJW 的 TOC 去除以 pH 7.0 最高（357 ± 0），pH 5.0、6.0、8.0 为 259 ± 33、227 ± 16、274 ± 30 mg/L；IC 去除在 pH 6.0 最高（344 ± 11），pH 8.0 最低（36 ± 25）。碳产率（g-Cbiomass/g-Cconsumed）：CJW 在 pH 8.0、7.0、6.0、5.0 为 0.82、0.70、0.45、0.24；MJW 为 1.06、0.46、0.16、0.32。

研究意义：CJW 的 TOC 去除与生长（VSS）密切相关；MJW 的 TOC 去除不完全对应生物量，pH 7.0 下高 TOC 去除而 VSS 偏低，作者推测部分碳被转化为聚羟基脂肪酸酯（未测定），这也解释了较低的 CO₂ 转化；低 pH 下高 IC 去除源于碳酸氢盐降解。

Fig. 8 CJW 与 MJW 中 PNSB 的生物量产率。（原图未能稳定匹配，仅文字解读）

图示信息：生物量产率（g-VSS/g-COD）随 pH 的变化。

论文结果：CJW 在 pH 5.0、6.0、7.0、8.0 的产率为 0.393 ± 0.01、0.371 ± 0.08、0.456 ± 0.06、0.493 ± 0.07 g-VSS/g-COD，随 pH 升高而提升；MJW 为 0.340 ± 0.05、0.295 ± 0.06、0.281 ± 0.09、0.397 ± 0.02，在低 pH 与高 pH 偏高、以 pH 8.0 最优，但各组间无显著差异（p>0.05）。

研究意义：本研究最高产率 0.49 g-VSS/g-COD 与好氧异养培养（约 0.45 g-VSS/g-COD）相当，但与文献报道的 PNSB 产率（生活污水 0.66、肉加工废水 0.49、食品加工与水产废水 0.42）相比偏低，归因于果汁废水营养组成不理想及摇床光照强度偏低导致的 PNSB 富集不足。

Table 2 PNSB 菌体的生化组成。（表格未提取为图片，仅文字解读）

图示信息：列出 CJW 与 MJW 菌体的蛋白、类胡萝卜素、细菌叶绿素含量及 CHN 元素组成。

论文结果：蛋白（Lowry 法）：CJW 48 ± 1%、MJW 40 ± 3%；粗蛋白（TN×6.25）：CJW 64.5 ± 2.1%、MJW 60 ± 3.8%。类胡萝卜素：CJW 1354 ± 64、MJW 1558 ± 218 µg/g；细菌叶绿素：CJW 2097 ± 110、MJW 3100 ± 614 µg/g；两种废水间色素产出无统计学差异（α=0.05）。元素组成：CJW 的 C 49.8 ± 2.3%、H 7.53 ± 0.21%、N 11.9 ± 1.1%、S 11.17 ± 3.71%；MJW 的 C 52.7 ± 4.0%、H 8.1 ± 1.2%、N 13.14 ± 0.9%；C/N 分别为 4.20 ± 0.22 与 4.0 ± 0.22。试验末期氮仍充足，最低残余总氮为 CJW pH 8.0 的 19 ± 5 mg/L 与 MJW pH 8.0 的 59 ± 0.05 mg/L。

研究意义：FJW 可使 PNSB 菌体达到中等 SCP 水平，其 11%–13% 的氮含量对应较高蛋白含量；类胡萝卜素含量与文献纯培养基单菌株（1783 µg/g）相当，说明真实复杂废水同样适宜产色素。粗蛋白估算高于 Lowry 法，源于 6.25 系数未必适用于该混培体系，需建立针对性的氮-蛋白换算关系。

机制小结

PNSB 在光厌氧条件下以果汁废水中的糖、有机酸与 VFAs 作电子供体进行光异养生长，将有机物同化为菌体碳并释放 CO₂（初期 pH 下降）。
后期 CO₂ 被光自养消耗作碳源，导致 pH 回升；ORP 数据显示初期 pH 下降并非发酵主导（发酵需 ORP<−100 mV）。
高 pH 降低未解离挥发性脂肪酸的抑制，提升 PNSB 活性，形成更高生物量与更快 COD 降解的正反馈。
Clostridiaceae 等厌氧发酵菌与 PNSB 共存：前者把复杂有机物水解发酵为可用底物，与 PNSB 形成协同；其在 MJW pH 6.0 达 31% 与该 pH 下最高吸光度一致。
PNSB 通过戊糖磷酸途径与三羧酸循环去除碳，并通过光合作用供能以驱动有机碳去除。

工程与产业含义

果汁废水稀释至 COD 约 1700–2000 mg/L 并补充氮、磷、维生素与微量元素后，方可支持 PNSB 生长；CJW 控 pH 8.0、MJW 控 pH 7.0 可获得最高处理性能。
光厌氧处理的生物量产率可与好氧系统相当，但无需曝气，且同时产出 SCP 与光色素，具备生物炼制价值。
PNSB 菌体蛋白含量 40%–48%（粗蛋白 60%–64.5%）并含类胡萝卜素与细菌叶绿素，适合作水产饲料原料，可提升饲料品质。
主要工程瓶颈是低生物量产率与需额外补充营养盐；应寻找富含氮磷与微量元素的其他废水替代补充，或开展过程优化提升产率。
光照强度是关键限制：摇床光照不足导致 PNSB 富集度偏低，规模化需提高光供给以提升 PNSB 占比。

适用与不适用场景

✅ 适用场景

柑橘汁、混合果汁等果汁工业废水（稀释并补充营养盐后）。
以水产/畜禽饲料蛋白与天然光色素为目标的 PNSB 光厌氧处理。
需要在酸性高糖废水中以 pH 调控优化碳氮去除与生物量回收的场景。

⚠️ 不适用 / 需谨慎

未稀释的原果汁废水：pH 过低、COD 过高，PNSB 难以生长。
氮磷与微量元素缺乏且不补充营养盐的废水：可持续性与经济性存疑。
以高 PNSB 纯度或高色素产率为唯一目标且光照受限的系统：PNSB 占比可能因光限制而下降。
直接外推到连续流与中试规模：本研究为 160 mL 血清瓶、7 天批次实验。

局限与不确定性

作者未解决 / 需要读者注意的问题

为 160 mL 血清瓶批次实验，培养仅 7 天，未做连续流与放大验证。
光照强度偏低（42 µmol·m⁻²·s⁻¹）导致 PNSB 富集不足，作者提出需在高光强下进一步验证。
粗蛋白用 TN×6.25 估算，对该混培体系可能高估，需建立专属换算系数。
MJW 中吸光度与 VSS 背离，说明光学法在酵母或杂菌占优时不准确。
MJW pH 7.0 高 TOC 去除而低 VSS 被推测为转化为 PHA，但未做测定。
群落分析仅覆盖 pH 6.0 与 8.0 两个条件，且 14%–25% 序列未归类，群落结论存在盲区。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

数据可用性："Not applicable"。利益冲突：作者声明无竞争性利益。经费：卡塔尔国家图书馆提供开放获取资助；卡塔尔市政与环境部项目 MME01-0910–190,029 提供资助。论文以 CC BY 4.0 开放获取。

来源与链接

Springer 原文 — https://doi.org/10.1007/s13399-022-03669-6