结合微藻与氢氧化细菌的新型光-化能自养系统用于从二氧化碳生产微生物蛋白
摘要
本研究探索了利用由微藻和氢氧化细菌（HOB）组成的新型微生物群落生产微生物蛋白（MP）的方法。这种光-化能自养群落旨在捕获和利用二氧化碳（CO₂），同时克服单一微生物类群的典型局限性。通过在不同氧气（O₂）、CO₂和氢气（H₂）混合气体条件下进行批次试验，从生物量增长、氮同化、气体消耗、最终生物量及微生物群落组成等方面评估工艺性能。将该群落与分别在光自养和化能自养条件下培养的单一微藻和HOB培养物进行比较。该群落在非爆炸性混合气体条件下实现了显著生长（5.5 g VSS/L），蛋白质含量达到40.3±8.5%。与单一微藻和HOB培养物相比，该群落的生物量增长分别高达1.8倍和10倍，表现出更高的CO₂消耗量并促进光合产氧。
研究亮点
- 探索了从CO₂通过光-化能自养生产微生物蛋白的方法。
- 微藻与氢氧化细菌共培养产生协同效应。
- H₂/O₂/CO₂比例为68/3.4/16的混合气体实现最高生物量增长。
- 微生物群落的生物量浓度达5.5±0.3 g VSS/L。
- 产生的生物量蛋白质含量为40.3±8.5%。
1. 引言
全球人口增长（预计到2050年将超过90亿人，Areniello等，2023）以及日益普遍的经济富裕，正推动对高蛋白食品的需求。在此背景下，满足未来全球蛋白质需求需要将当前蛋白质生产潜力提高78%（Areniello等，2023；Henchion等，2017）。通过传统蛋白质来源（如动物和植物）满足这一增长需求将进一步加剧畜牧业产生的人为温室气体（GHG）排放——其已占全球GHG排放的14.5%（Bateki等，2023）。
基于上述原因，开发能够将替代蛋白质生产与碳捕获利用（CCU）技术相结合的系统日益受到关注。微生物蛋白（MP）是一种潜在解决方案，其由微藻、酵母、真菌和细菌的干燥微生物细胞组成，可从自养型固碳微生物中获得（Ritala等，2017）。微藻是公认的自养型MP来源，平均蛋白质含量约40%，最高可达70%，且核酸水平低（Spiller等，2020）。作为光自养生物，微藻通过光能固定无机CO₂，转化为富含蛋白质的生物量，同时通过光合作用产生氧气（O₂）（Cardol等，2011）。尽管微藻具有诸多优势，但其培养受多种因素限制，如高密度培养中的光穿透率低（自遮光）或强光辐射抑制光受体（光抑制）（McGinn等，2011）。另一个限制因素是高浓度O₂的积累——当与过量光照结合时，可能导致叶绿素光氧化（Hong等，2020）和/或引发光呼吸。当O₂:CO₂比例较高时，加氧酶会与O₂而非CO₂反应，激活光呼吸，最终导致更高的能量消耗和有限的生物量增长（Kliphuis等，2011）。此外，其他代谢途径（如光还原）的激活也会受到O₂的负面影响——光还原可通过氢化酶激活消耗H₂，从而在H₂存在下促进微藻生长（Sleutels等，2020）。
除微藻外，细菌也特别适合生产自养型MP，因其高蛋白含量（干重中蛋白质可达80%）和快速生长（Areniello等，2023）。化能自养细菌（如好氧氢氧化细菌HOB，又称“Knallgas细菌”）已被多家公司用于生产饲料和食品（Pander等，2020）。作为化能自养生物，HOB可通过氧化H₂释放的化学能固定CO₂并合成新生物量（Ishizaki和Tanaka，1990）。尽管无需光照，HOB培养的主要问题在于需要H₂和O₂的混合气体，当O₂体积百分比超过5%时存在燃爆风险（Zlochower和Green，2009）。
为克服单一微生物类群培养的局限性，HOB与微藻的微生物群落可能提供多种优势和尚未探索的协同效应。事实上，微藻与HOB共培养可帮助限制O₂积累，从而减轻光呼吸的负面影响，并在H₂存在下实现有效的光还原。HOB生长所需的H₂可被这些细菌利用微藻通过光合作用持续产生的O₂进行氧化，从而避免需要供应大量潜在爆炸性混合气体。
鉴于此，本研究探索了通过光-化能自养系统将MP生产与CCU结合的可能性，该系统采用HOB-微藻微生物群落，暴露于光照并供给不同水平的CO₂、H₂和O₂。实验的主要目标是优化批次光生物反应器中HOB-微藻群落的生长，并从生物量产量、蛋白质生产以及CO₂和H₂消耗方面确定共培养的优势。将光-化能自养微藻-HOB混合群落在不同气体组成下培养，并与对照组比较——对照组中微藻和HOB分别在典型的光自养和化能自养条件下单独生长。监测顶空压力、气体组成、生物量浓度和铵态氮浓度，同时从蛋白质和碳水化合物含量方面评估生物量的大分子组成。最后，还评估了所形成的微藻-HOB群落的微生物群落组成。
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