单细胞蛋白生产的途径与机制：富集紫色非硫细菌的碳氮磷转化与污泥发酵液资源回收 | 彭博士工具屋

一图不看也要知道的几件事

• 红外光下 R. palustris 相对丰度从种子菌的 53% 升至 93%，暗条件下仅为 60%。
• 乙酸为唯一碳源时：乙酸约 120 h 耗尽，生物量由 0.94±0.06 增至 1.41±0.01 gVSS/L，生物量产率 0.85 gCODbiomass/gCODremoved。
• PHB 在 120 h 峰值达 0.56 mg/mg 生物量，约为既往报道的 4.3 倍；磷在 72–96 h 释放 109±6 mg/L、在 PHB 峰值时回吸 90±1 mg/L。
• 蛋白由 TN 估算约占菌体 58%（乙酸基质）；15 种氨基酸被检出，丙氨酸最高约 0.344±0.001 g/g 生物量，为文献值的 7.8 倍。
• 类胡萝卜素在光照 120 h 达 8.82 mg/g 生物质（DCW），暗条件全程维持低位。
• 以 FL 为基质：7 天内去除 53.4% TOC，其中 72% 由乙酸与戊酸贡献；NH₄⁺-N 转化 43.4%、PO₄³⁻-P 转化 36%。
• FL 试验中生物量由 0.72±0.01 增至 1.14±0.21 gVSS/L，产率 0.89 gCODbiomass/gCODremoved；蛋白约占菌体 65%，每克生物质得 0.65 g 单细胞蛋白。
• FL 试验中 PHB 累积 0.24–0.3 mg/mg，以天冬氨酸为主要氨基酸（约 0.224±0.007 g/g 生物量），总氨基酸升至 0.87 g/g 生物量。
• FL 特性：TOC 2.43 g/L、铵 479.01±69.79 mg/L、磷酸盐 465.61±5.17 mg/L、乙酸 17.85±0.63 mM、戊酸 1.65±0.25 mM，溶解性总 COD 约 5340 mg/L（其中 30.7% 为 VFA）。

研究背景与要解决的问题

PPB（紫色光养细菌）可从废水中回收碳、氮、磷，以光和“免费”光能为能源；既有研究显示在最优 COD:N:P 下总 COD、氮、磷去除率可达 97%、92%、94%，回收营养可转化为蛋白并用作鱼饲料。

与异养微生物的碳矿化不同，PPB 通过碳同化去除有机物，在简单底物上生物量产率可达 1.0 gCOD/gCODremoved；磷可通过无机多聚磷酸盐形式去除，氮固定于菌体并生成有价值的氨基酸，此外还检出 PHA。

PPB 代谢可能同时涉及碳、氮、磷与光四种关键生物转化，但是否同时发生、如何安排转化优先级尚不清楚，尤其碳、氮、磷代谢途径之间的相互作用被长期忽视。

传统污泥处理用厌氧消化将有机物转为沼气再发电/热，但能量转化效率较低（47.01 J·gCOD⁻¹·d⁻¹）；通过热水解等使污泥溶出 VFA 后的发酵液富含碳、磷与铵，适合作 PNSB 的碳氮源。

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：左侧为受光照的血清瓶，向瓶内输入乙酸钠（C）、铵（N）与磷酸二氢钾（P）；右侧为菌体内部放大示意，C、N、P 进入细胞后经电子传递与 ATP 生成，转化为生物质（单细胞蛋白）、poly-P（来自磷摄取）以及糖原与 PHB（胞内碳/能量储存）。

论文结果：示意图概括本研究提出的转化框架：PNSB 利用光能与简单 C/N/P 底物合成富含蛋白的生物质，同时以 poly-P 形式储磷、以 PHB 与糖原形式储存碳与能量。

研究意义：该框架是全文的机制主线：碳、氮、磷三条转化并非各自独立，而是共同服务于生物质（蛋白）合成，并在外源碳受限时由胞内储存物接续供能。

图示信息：热图形式，列为 MFC 出水、Light、Dark，行为各 OTU/物种并按门分类（Proteobacteria、Firmicutes、Actinobacteria、Bacteroidetes），色阶表示相对丰度。

论文结果：光照条件下 R. palustris 相对丰度从种子菌的 53% 升至 93%；暗条件下仅 60%。暗条件下还出现 Rhodocyclaceae（2%）等电活性菌，以及与复杂有机物降解相关的 Pseudomonas caeni（2%）、Escherichia coli（1%）、Lactobacillus pentosus（1%）。

研究意义：光源是维持 R. palustris 高丰度的关键，也说明可从生物电化学系统中富集 PNSB；暗条件下群落向化能异养与电活性菌偏移。

图示信息：双联时间序列图，横轴为时间（约 0–170 h），纵轴为浓度；按 PHB 谱将反应周期分为 I（0–72 h）、II（72–120 h）、III（120 h 后）三阶段。

论文结果：乙酸自起始迅速下降并在约 120 h 基本耗尽，同时伴随 NH₄⁺-N 与 PO₄³⁻-P 消耗；生物量由 0.94±0.06 升至 1.41±0.01 gVSS/L，产率 0.85 gCODbiomass/gCODremoved，终点仍有 34.7 mg TOC/L 残留（LC-OCD 检出小分子有机酸，非 VFA）。阶段 I（0–72 h）储存 PHB 被快速降解，25% 的磷被去除并转化为 poly-P，同时生成 5.34 mg 碳水/g 生物量；此阶段摄取 0.43 g 乙酸/L（相当于 0.466 g COD/L）、生物量增长约 0.342 gVSS/L（0.48 g COD/L），乙酸几乎全部转化为活性生物质（产率 1.03 gCOD/gCOD乙酸）。阶段 II（72–120 h）乙酸与 NH₄⁺-N 继续被摄取而磷被释放，PHB 迅速累积至 120 h 的 0.56 mg/mg 生物量，期间 72–96 h 释放 109±6 mg P/L、在 PHB 最高时回吸 90±1 mg/L。阶段 III 外源碳耗尽后 NH₄⁺-N 消耗与生物量增长仍继续，累积的 PHB 被快速消耗、磷再现释放-摄取周转；氢仅在 120 h 后被检出。

研究意义：碳、氮、磷的转化并不同步，而是由外源碳源可得性而非营养盐水平决定；PHB 既是碳源也是能量源，poly-P 水解与光合磷酸化共同供能。氢仅在无外源碳、PHA 无法累积后出现，说明还原力需另寻排出途径。

图示信息：三张同视野荧光照片，A 为 Nile red 通道（红色，标记 PHA），B 为 DAPI 通道（蓝色，标记 poly-P），C 为二者叠加。

论文结果：PHB 与 poly-P 颗粒被检出位于同一批细胞内，重叠信号表明两类储存物共定位于细胞中。

研究意义：为胞内 PHB 与 poly-P 的同步储存提供直接形态学证据，印证富集 PNSB 在严格厌氧与红外光照下可同时捕获 COD、氮与磷。

图示信息：四联图：A 为 15 种氨基酸在不同时间点（初始、24、48、72、96、120、144 h）的含量柱状图；B 为蛋白随时间的折线；C 为总氨基酸随时间的变化；D 为光照与暗条件下类胡萝卜素含量对比。

论文结果：共检出 15 种氨基酸（组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、缬氨酸等），丙氨酸为主要氨基酸（约 0.344±0.001 g/g 生物量，为既往报道的 7.8 倍），天冬氨酸、谷氨酸与脯氨酸也较高；总氨基酸随时间逐渐升高。由 TN 估算的蛋白含量约 58%，即周期末活性生物质的大部分细胞重量为蛋白。光照下类胡萝卜素在 120 h 快速累积至 8.82 mg/g 生物质（DCW），此后因外源碳受限而基本稳定；暗条件下全程偏低，残余量可能来自前次富集培养的携带。文献报道 PPB 类胡萝卜素为 0.5–13 mg/g 生物质、均值 <4.0 mg/g。

研究意义：氮被同化进胞内蛋白，氨基酸随铵消耗与 TN 累积同步上升；类胡萝卜素生成在乙酸耗尽的 120 h 停止，说明储存的 PHB 并不支持类胡萝卜素生成，光合磷酸化可能也在 120 h 后停止。作者提示氨基酸实测值可能高于真实值。

图示信息：双联 7 天时间序列图，A 左轴为 TOC 与乙酸浓度（mg/g VSS）、右轴为戊酸（mg/g VSS）；B 左轴为 NH₄⁺-N（mg/g VSS）、右轴为 PO₄³⁻-P（mg/g VSS）与生物量（gVSS/L）。

论文结果：乙酸自周期开始被快速优先利用，约 5 天基本耗尽；乙酸耗尽后自第 5 天起消耗 13.43 mg 戊酸/g VSS。7 天内去除 53.4% TOC，其中 72% 由乙酸与戊酸贡献，其他低分子量中性化合物也被逐步转化或消耗。碳去除伴随 NH₄⁺-N 与 PO₄³⁻-P 消耗，43.4% NH₄⁺-N 与 36% PO₄³⁻-P 被转化（期间亦观察到释放）。生物量由 0.72±0.01 增至 1.14±0.21 gVSS/L，产率 0.89 gCODbiomass/gCODremoved。

研究意义：证实发酵液可替代纯乙酸作为 PNSB 的碳氮源，碳、氮、磷的同步转化在复杂基质下依然成立，且出现与纯乙酸试验相似的释放-摄取周转。

图示信息：双联柱状图，横轴为 0、1、2、3、4、5、7 天；A 为总蛋白与胞内 PHB（mg/g 生物量），B 为总氨基酸（mg/g 生物量）。

论文结果：以 FL 为基质时 PHB 累积约 0.24–0.3 mg/mg 生物量且未检出其他类型 PHA，PHB 经历快速消耗与再生成、磷出现释放-摄取周转。蛋白随时间逐渐升高并在第 7 天达约 0.65（图中量级），由 TN 估算的蛋白约占生物质 65%（正文写作约 65%），总氨基酸升至 0.87 g/g 生物量。FL 基质下的主要氨基酸为天冬氨酸（约 0.224±0.007 g/g 生物量），胱氨酸、丝氨酸与亮氨酸含量较高。

研究意义：以 FL 为基质产出的蛋白与最优条件下纯乙酸基质相当，说明 PNSB 用发酵液生产蛋白可行；氨基酸组成随基质不同而变化，反映不同碳源会诱导不同代谢途径与产物，具体机制仍需进一步研究。

机制小结

• 碳、氮、磷转化不同步，由外源碳源可得性而非营养盐水平决定：乙酸充足时碳优先流向活性生物质合成（阶段 I 产率 1.03 gCOD/gCOD乙酸），碳源受限时转向储存聚合物的消耗与再累积。
• PHB 兼具碳源与能量源功能：外源碳耗尽后 PHB 被快速消耗以支撑生物量增长与氮同化，其累积则受乙酸可得性调控，而非氮磷是否充足。
• 磷经历多轮摄取与释放，且胞内 TP 与液相 PO₄³⁻-P 对应；poly-P 水解与光合磷酸化共同供能，PHB 与 poly-P 颗粒共定位于同一细胞。
• 无外源碳时还原力需另寻出路：氢仅在 120 h 后（外源碳耗尽、PHA 无法累积时）被检出，说明 PNSB 需替代途径排出生物量增长产生的还原力。
• 氮以胞内 TN 形式逐步累积并转化为蛋白与氨基酸，液相无亚硝酸盐与硝酸盐检出，溶解态氮几乎全部转化为胞内 TN。
• 暗条件下代谢显著放缓，但胞内 PHB 与 poly-P 仍出现周转，PNSB 转向化能营养以维持厌氧暗环境下的生存。

工程与产业含义

• 污泥发酵液可经稀释 10 倍、离心去固形物并调 pH 至中性后直接作为 PNSB 底物，7 天即可获得 0.65 g 单细胞蛋白/g 生物质，为污泥资源高值化提供路线。
• 相比厌氧消化产沼气（能量转化效率约 47.01 J·gCOD⁻¹·d⁻¹），将污泥转化为单细胞蛋白更有利于减少资源损失。
• 过程可利用红外光选择性富集光养菌（光源仅透 >680 nm 以抑制产氧光养菌），并以非无菌的富集混合菌群运行。
• 系统可同步实现 COD/TOC 与氮磷去除，减少后续处理负担；生物质同时含蛋白、类胡萝卜素与 PHB，具备多产品回收潜力。

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 — https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00084