膜接触器耦合厌氧光生物反应器系统实现挥发性脂肪酸气相传质强化及紫色非硫细菌单细胞蛋白的可持续生产

本研究针对传统单细胞蛋白(SCP)生产过程中发酵液与生物质直接接触导致的污染风险问题，开发了一种新型闭路膜接触器(MC)系统，通过气相传质方式将挥发性脂肪酸(VFAs)输送至厌氧光生物反应器(AnPBR)，用于紫色非硫细菌(PNSB)的连续培养。结果表明，在有机负荷率(OLR)为3.9±0.8 gCOD·L-1·d-1时，生物质产率达0.36 kgXPB·m-3·d-1，粗蛋白含量达62%，氨基酸组成满足水产饲料需求，同时联产色素和聚羟基脂肪酸酯(PHAs)。该技术为高质量SCP的可持续生产提供了创新解决方案。

　　

随着全球人口增长和饮食结构变化，对动物蛋白的需求持续攀升，给传统饲料原料（如豆粕、鱼粉和谷物）供应带来巨大压力。气候变化、地缘政治冲突和自然资源枯竭进一步加剧了蛋白质供应链的脆弱性。欧盟高度依赖进口蛋白原料，市场波动和食品安全风险日益凸显。据估计，蛋白饲料市场价值将从2023年的149亿欧元增长至2032年的285亿欧元，而全球肉类蛋白需求预计在本十年内增长14%。这种增长态势迫切需要开发可持续、可扩展的替代蛋白来源。

单细胞蛋白(SCP)生产作为一种生物技术途径，利用微生物（如酵母、真菌、藻类和细菌）将各种碳源转化为蛋白质，提供了一条环境友好且经济可行的解决方案。其中，紫色非硫细菌(PNSB)因其独特的代谢特性受到广泛关注。PNSB能在厌氧条件下生长，高效利用有机废弃物发酵产生的挥发性脂肪酸(VFAs)等底物，转化为高价值的生物产品，如SCP。PNSB生物质具有高蛋白含量（50-60%），并富含类胡萝卜素和聚羟基脂肪酸酯(PHAs)等增值化合物，营养价值和经济效益显著。类胡萝卜素具有抗氧化特性，广泛应用于药品、食品、化妆品和生物燃料领域，其天然来源比合成替代品更安全、更可持续。此外，PNSB可利用近红外光(NIR)进行光养生长，避免与其他光养生物竞争，且碳氮同化效率高（最佳COD:N:P摄取比为100:5:1，同化率>90%），符合欧盟废弃物框架指令(2008/98/EC)和循环经济行动计划强调的资源回收和再利用理念。

然而，利用废弃物流培养PNSB面临诸多挑战。复杂的微生物群落可能导致PNSB生物质被稀释，且病原体污染风险限制了其直接作为水产饲料蛋白来源的应用。此外，从复杂发酵液中分离纯化VFAs是大规模生产的主要瓶颈。高效回收VFAs对于确保其用于SCP生产和避免酸诱导的微生物应激至关重要。尽管蒸馏、吸附、溶剂萃取、离子交换和膜技术等多种分离技术已被开发用于解决此问题，但如何实现高效、安全的VFA供应仍是关键难题。

在此背景下，Riccardo Lo Coco、Marco Pezzuto、Aleksandra Jelic、Stefano Cazzaniga和Nicola Frison等研究人员在《Bioresource Technology》上发表了一项创新研究，探索了一种新型连续生产系统，通过闭路膜接触器(MC)将VFAs以气相形式传输至厌氧光生物反应器(AnPBR)，用于PNSB培养和SCP生产，避免了发酵液与生物质的直接接触，降低了污染风险，提高了生物质质量。

本研究采用膜接触器(MC)与厌氧光生物反应器(AnPBR)耦合系统，其中MC采用微孔聚丙烯中空纤维膜模块(Liqui-Cel? MM-1x5.5)实现VFAs的气相分离，AnPBR则作为序列间歇式反应器(SBR)运行，以气相VFAs为唯一碳源进行PNSB培养。实验使用合成VFA混合物（70%乙酸、10%丙酸、20%丁酸，浓度13.6±1.6 gCOD·L^-1，pH 3.0±0.1），通过真空泵维持系统压力，驱动VFA气相传质。AnPBR接种Rhodopseudomonas palustris(DSM 126)，在近红外光照(31.7 W·m^-2，波长810-870 nm)、温度30±2°C、pH 7.5±0.2条件下运行，污泥停留时间(SRT)和水力停留时间(HRT)均为5天。研究通过调节MC操作温度(20-32°C)和接触时间(0.96-4.32 min)优化有机负荷率(OLR)，评估了对生物量产率、蛋白质含量、色素和PHA产量的影响，并采用离子色谱、气相色谱、光谱分析和16S rRNA基因测序等方法对系统性能和微生物群落进行了全面表征。

3.1 反应器系统优化

通过四个实验阶段系统优化了MC-AnPBR系统的操作条件。初步试验表明，延长接触时间可提高VFA传质效率，但过长的剥离时间会导致传质速率下降。阶段2在20°C和1.92 min接触时间下，实现了1.3±0.3 gCOD·L^-1·d^-1的OLR，生物量产率达0.16±0.05 gX_PB·L^-1·d^-1，粗蛋白含量58%。阶段3将温度升至25°C，OLR提高至1.9±0.3 gCOD·L^-1·d^-1，生物量产率增至0.21±0.01 gX_PB·L^-1·d^-1，蛋白含量达60%。阶段4进一步将温度升至32°C，OLR达到5.8±0.6 gCOD·L^-1·d^-1，但由于pH下降至6.07±0.21导致系统不稳定。调整剥离时间为4小时后(阶段4.2)，OLR稳定在3.9±0.8 gCOD·L^-1·d^-1，pH维持在6.6-6.8，生物量产率达0.36±0.01 gX_PB·L^-1·d^-1，粗蛋白含量62%，系统表现出长期稳定性。

3.2 厌氧光生物反应器的微生物分析

16S rRNA测序显示，PNSB在整个实验期间占主导地位，但其丰度受pH变化影响。阶段2中pH接近中性，PNSB相对丰度超过70%，以Xanthobacteraceae科（主要为Rhodopseudomonas sp.）为主。阶段3中PNSB丰度保持64.9%，阶段4由于pH降低，PNSB丰度下降至约50%，但Rhodopseudomonas sp.和Rhodobacter sp.仍是优势属。非PNSB菌群（如Sphingobacteriaceae、Dysgonomonadaceae和Paludibacteraceae）的出现与pH适应范围相关，反映了系统微生物群落对操作条件的动态响应。

3.3 实验期间色素浓度的动态变化

色素产量与OLR和厌氧条件密切相关。阶段2在严格厌氧和NIR光照下，细菌叶绿素(BChl)和类胡萝卜素(Crts)浓度分别达10.20±0.27 g·kgMLVSS^-1和1.08±0.05 g·kgMLVSS^-1。阶段3中BChl略降至8.39±0.03 g·kgMLVSS^-1，而Crts增至2.29±0.03 g·kgMLVSS^-1。阶段4在优化条件下，BChl和Crts分别达到12.10±0.14 g·kgMLVSS^-1和2.79±0.02 g·kgMLVSS^-1的最高水平。色素合成受到氧气浓度、光照质量和强度的调控，厌氧条件和NIR光照有效促进了光合装置的形成。

3.4 单细胞蛋白的氨基酸谱

生物质的氨基酸组成从阶段2到阶段4持续改善，总氨基酸从469 g·kgMLVSS^-1增加至546 g·kgMLVSS^-1。关键氨基酸如l-天冬氨酸(52.0-54.5 g·kg^-1)、l-谷氨酸(50.0-52.3 g·kg^-1)和l-亮氨酸(42.8-49.9 g·kg^-1)含量丰富。必需氨基酸(EAA)分析显示，l-赖氨酸(53.6 g·kg^-1)、l-亮氨酸(49.9 g·kg^-1)和l-异亮氨酸(29.1 g·kg^-1)的化学评分(CS)超过100%，满足尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)和奇努克鲑鱼(Chinook salmon)的膳食需求。尽管l-缬氨酸、l-蛋氨酸和l-苯丙氨酸略低于需求，但整体EAA谱证实了该生物质作为水产饲料蛋白替代源的潜力。

本研究通过MC-AnPBR耦合系统成功实现了VFAs的气相传输和PNSB的连续培养，避免了发酵液与生物质的直接接触，降低了污染风险。在OLR为3.9±0.8 gCOD·L^-1·d^-1时，系统达到最佳性能，生物量产率0.36 kgX_PB·m^-3·d^-1，粗蛋白含量62%，氨基酸组成符合水产物种需求，同时联产色素和PHA等高值化合物。微生物群落分析表明，PNSB在整个操作期间占主导地位，但其相对丰度受pH变化调控。色素产量与厌氧条件和NIR光照密切相关，最高达到BChl 12.10 g·kgMLVSS^-1和Crts 2.79 g·kgMLVSS^-1。质量平衡显示，系统实现了87%的COD去除率，91%的氮和80%的磷同化效率，印证了其资源回收效能。

该技术的创新之处在于通过膜接触器实现了VFAs的安全高效传输，解决了传统SCP生产中的污染问题，同时提高了生物质质量。生产的SCP不仅蛋白含量高，氨基酸均衡，还富含色素和PHA等增值化合物，显著增强了其营养功能和经济价值。研究结果对推进循环生物经济、支持可持续水产养殖实践具有重要意义，为废弃资源的高值化利用提供了技术范例。未来研究可进一步探索系统放大、真实废弃物流应用以及生物质在水产饲料中的实际效能，推动该技术的产业化应用。