光生物反应器来源混合细菌生物质水解用于肽类与可发酵糖回收：与剩余活性污泥的比较

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hydrolysis of photobioreactor-derived mixed bacterial biomass for recovery of peptides and fermentable sugars: comparison with waste activated sludge

　　

接种紫色光合细菌的厌氧光生物反应器中产生的生物质，可作为废水生物炼制体系内蛋白质和碳水化合物高值化利用的潜在来源。本研究评估并比较了光生物反应器来源混合细菌（PMB）生物质与常规剩余活性污泥（WAS）的水解行为，以实现肽类和可发酵糖的回收。

研究人员通过改变温度与停留时间，并采用HCl或NaOH（0.5–1 M），设置了不同的水解条件。水解处理包括温和条件（50oC，180 min）以及中等至较强热处理条件（120oC，30/60 min）。

方差分析（ANOVA）表明，处理条件（温度/停留时间）与试剂类型是控制组分释放与回收的显著运行因素（p<0.05），而试剂浓度的影响有限。16S rRNA基因扩增子测序显示，PMB生物质主要由革兰氏阴性菌（Gram-negative bacteria，约72%）构成，而WAS则主要由革兰氏阳性菌（Gram-positive bacteria，约76%）构成，这与二者表现出的不同水解响应一致。

在低至中等强度条件下，PMB生物质可释放超过70%的蛋白质、60%的碳水化合物、97.1%的脂质以及87%的腐殖质；而WAS在碱性条件下表现出更高的溶出水平，并且需要更严苛的条件（120oC，60 min）才能达到相近的溶出程度。蛋白质以肽和氨基酸形式的平均回收率分别达到67.4%（PMB）和50%（WAS）；碳水化合物以可发酵单糖形式的平均回收率分别达到57.1%（PMB）和52.5%（WAS）。这些结果表明，PMB生物质是废水生物炼制应用中一种具有前景的原料。

该研究发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，聚焦于废水处理副产生物质的高值化利用问题。传统废水处理体系中形成的剩余生物质通常被视为处置负担，但在循环经济与生物炼制框架下，这类生物质实际上富含蛋白质、碳水化合物、脂质及腐殖样物质，具有转化为高附加值产物的潜力。接种紫色光合细菌的厌氧光生物反应器（photobioreactor，PBR）因可利用近红外光（near-infrared，NIR）驱动污水净化而受到关注，不仅可在较低能耗下实现有机物和营养盐去除，还可产生富含有机成分的混合细菌生物质。然而，当前研究多集中于将此类微生物生物质直接作为单细胞蛋白或肥料使用，对于其内部不同组分的定向分离与回收研究仍较少，尤其缺乏与常规剩余活性污泥（waste activated sludge，WAS）的系统对照。由于细胞结构与胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）构成会显著影响组分释放效率，因此有必要明确不同来源生物质在热化学水解过程中的响应差异，并进一步评估蛋白质衍生产物与可发酵糖的回收潜力。

基于这一背景，研究人员系统评估了来源于处理真实城市污水的、接种紫色光合细菌的厌氧PBR所产生的光生物反应器来源混合细菌（photobioreactor-derived mixed bacterial，PMB）生物质的热化学水解性能，并以常规WAS作为参照。研究核心在于考察不同水解条件下蛋白质和碳水化合物的释放、回收及降解情况，并进一步评价蛋白水解产物的分子量分布、氨基酸组成及纯度，同时结合微生物群落结构解释两类生物质水解行为差异。研究结果表明，PMB较WAS具有更高的水解可及性，在相对温和的条件下即可获得较高的蛋白质与单糖回收率，尤其适合蛋白衍生产物回收，这为将PMB作为废水生物炼制原料提供了依据。

作者采用的主要技术方法包括：采集同月同日获得的PMB与WAS样本，其中PMB来自处理350 m³/d城市污水的厌氧PBR二沉池，WAS来自市政污水处理厂二沉池好氧消化后污泥；设置HCl与NaOH两类热化学水解体系，在50oC 180 min及120oC 30/60 min条件下比较水解效果；通过16S rRNA基因扩增子测序解析菌群组成；采用总悬浮固体（TSS）、挥发性悬浮固体（VSS）、总凯氏氮（TKN）、高效液相色谱（HPLC）、SDS–PAGE、BCA法和茚三酮法分析组分释放与产物性质；通过多因素ANOVA和Pearson相关性分析评估关键运行因素。

在“Macromolecular composition and bacterial communities of the waste biomasses”部分，研究人员首先比较了两类废弃生物质的菌群结构和初始组成。16S rRNA基因扩增子测序结果显示，PMB具有更高的丰富度与多样性，且以革兰氏阴性菌为主；WAS则以革兰氏阳性菌占优势。属水平分析发现，PMB中仅有少量推定光营养类群，说明该体系形成的是混合细菌联合体，而非单纯由紫色光合细菌主导的培养物。组成分析进一步显示，PMB的有机组分比例高于WAS；两者蛋白质含量接近，均约占初始VSS₀的45%，且必需氨基酸/非必需氨基酸比例相同。PMB脂质含量更高，而WAS碳水化合物含量更高，提示其絮体中EPS贡献更大。PMB中的腐殖酸含量也高于WAS。研究据此指出，两类生物质在细胞壁特性、胞外基质组织以及絮体致密程度上的差异，是后续水解表现不同的重要结构基础。

在“Effect of hydrolysis conditions on biomass solubilization”部分，研究人员考察了整体生物质溶解化程度。结果显示，PMB在多种条件下均表现出较高溶解化率，范围为37.3%–86.4%，平均为60.1%；WAS范围更宽，为13.3%–85.1%，总体略低。ANOVA表明，处理条件即温度/停留时间是影响溶解化的主导因素，试剂类型次之，而试剂浓度影响较小。随处理温度由50oC升至120oC，溶解化明显提高；将120oC作用时间由30 min延长至60 min，仅带来有限增益。NaOH总体优于HCl，尤其在WAS中更明显。研究认为，PMB较低的结构顽固性和较高的基质可及性，使其在较温和条件下即可达到较高溶解化水平；而WAS由于富含EPS且絮体更致密，对工艺参数更为敏感。

在“Protein release”部分，研究人员发现蛋白质释放趋势与整体溶解化高度一致，与生物质溶解化之间具有很强相关性。PMB蛋白释放量为22.0–40.2 gPR·100gVSS₀^-1，平均30.6 gPR·100gVSS₀^-1；WAS为3.7–35.1 gPR·100gVSS₀^-1，平均23.1 gPR·100gVSS₀^-1。在PMB中，自处理A升至B后蛋白释放显著增加，而由B至C则无显著差异，说明120oC、30 min已足以实现大部分蛋白释放。碱性条件下，PMB可释放相当于初始蛋白81%–83%的蛋白质；而WAS需在最严苛条件下才可达到相近水平。酸水解结果同样表明，PMB蛋白组分更易接近，进一步支持其结构较疏松、蛋白相关组分较易释放的特性。

在“Carbohydrate release”部分，碳水化合物释放表现出比蛋白质更复杂的响应模式。处理条件仍是主导因素，且在PMB中控制作用尤其明显。PMB碳水化合物释放量为8.8–25.8 gCH·100gVSS₀^-1，WAS为6.1–32.2 gCH·100gVSS₀^-1。PMB在处理B时即达到大部分可释放碳水化合物，而延长至处理C并未显著提高释放量；相反，WAS则表现为随处理强度增加而逐步上升，说明其糖类组分在絮体中结合更紧密。对PMB而言，试剂类型影响很小，提示温度和时间主导了糖类的可及性变化；对WAS而言，NaOH明显优于HCl。单糖分析进一步表明，PMB中的葡萄糖在A至B阶段迅速增加后趋于稳定，而木糖需要略强条件才能充分释放；WAS中的木糖对碱处理依赖更强，提示其与较难破坏的结构组分相关。

在“Other component release”部分，研究人员分析了脂质和腐殖酸释放。脂质释放是响应最简单的一类组分。在PMB中，试剂类型几乎决定了脂质释放结果，NaOH促进皂化反应，使脂质迅速从固相中失去可提取性；在最温和的碱性条件下，PMB就可释放97%的初始脂质，之后提高处理强度并无显著增益。WAS脂质释放则更具渐进性，需要更严苛条件才能达到最高值。腐殖酸释放模式则不同于前述组分，PMB在所有条件下均表现出一定程度的腐殖酸溶出，而WAS释放较低且更依赖处理强度，说明WAS中的腐殖样物质更多与难接近结构相关联。

在“Recovery of value-added macrocomponents”部分，研究重点从“释放”转向“回收”，即考察释放后的产物是否以目标形式稳定存在于液相中。

在“Carbohydrate recovery as monosaccharides”部分，研究人员以葡萄糖和木糖为主的总单糖（MS）作为可发酵糖回收指标。PMB的单糖回收量为6.3–22.6 gMS·100gVSS₀^-1，平均15.7 gMS·100gVSS₀^-1。其最高回收出现在B–R1C2条件下，对应葡萄糖和木糖较高回收比例。由A提升至B显著增加单糖回收，但由B提升至C并未继续改善，反而因糖类降解导致净回收略降。PMB中碳水化合物损失范围为2.2–5.2 gCH·100gVSS₀^-1，木糖受影响更明显。结果说明，对于PMB，提高处理强度超过中等水平后，额外效果主要体现为单糖降解，而非进一步释放。WAS则表现出不同规律，其单糖回收随处理强度增加而逐步上升，说明更复杂的基质结构使额外释放效应能够部分抵消更高降解。

在“Recovery of protein-derived products such as peptides and amino acids”部分，蛋白衍生产物回收与蛋白释放趋势基本一致，显示大部分溶出蛋白最终可作为总氨基酸形式被回收。PMB总氨基酸回收量为21.4–34.7 gAA·100gVSS₀^-1，平均28.7 gAA·100gVSS₀^-1；WAS范围更宽且均值更低。与碳水化合物相比，蛋白衍生产物损失较低，说明其在所设条件下稳定性更高。处理中，A到B的提升显著改善回收，而B到C则无明显统计学增益。NaOH虽可提高回收，但也伴随更高损失，体现出溶出促进与二次降解之间的权衡。PMB在不同因素间无显著交互作用，提示其回收响应更稳定；WAS则存在显著处理×试剂交互作用，进一步说明其对组合工艺条件更敏感。总体而言，PMB在中等条件下即可实现高水平蛋白衍生产物回收，具有较好应用潜力。

在“Composition and quality of protein hydrolysates”部分，研究人员进一步评价蛋白水解液的性质。结果显示，水解液由不同数量的多肽（polypeptides，Pp）和游离氨基酸（free amino acids，Faa）组成，其比例受处理条件显著影响。温和酸性条件下，产物更偏向游离氨基酸和小分子肽；温和碱性条件则更有利于较大分子多肽的回收。中等条件B产生了最富多肽的水解液，说明该条件有利于蛋白质溶出而不过度断裂；最强条件C则使组成趋于更均衡或更富含氨基酸，反映已溶出蛋白发生进一步裂解。SDS–PAGE定性结果支持这一趋势：A条件下条带较弱且分子量偏低，B条件下出现较高分子量且清晰的条带，C条件下条带更弥散、分布更宽。蛋白纯度整体为中等水平，表明存在非蛋白组分共提取，但PMB水解液在较高蛋白回收基础上仍保持可接受纯度。氨基酸组成方面，水解液以Asp、Glu、Ala和Gly为主，必需氨基酸约占35%–41%，极性氨基酸占比较高，有利于其在水相中的溶解性，并可能赋予其一定功能特性。该结果说明，可通过调控水解条件，将PMB定向转化为偏氨基酸型或偏多肽型产品，以适应不同资源化用途。

讨论部分总体指出，PMB与WAS在热化学水解中的差异，本质上来源于微生物群落组成、细胞壁类型、胞外基质组织及絮体结构的不同。PMB以革兰氏阴性菌为主、结构相对疏松，因而在较低至中等强度条件下就能实现较高溶解化、蛋白释放和单糖回收；WAS则因EPS丰富、絮体致密及以革兰氏阳性菌占优势，需要更强碱性和更高热强度才能达到相近效果。研究同时表明，蛋白质较碳水化合物更耐受降解，因此PMB尤其适合用于蛋白衍生产物回收，而糖类回收则需严格控制处理强度，以避免过度降解。蛋白水解液组成可通过工艺调控实现功能导向，这使PMB在废水生物炼制中不仅是可回收原料，而且是可按目标产品特性进行定制开发的底物。

研究结论部分可译为：本研究表明，光生物反应器来源混合细菌（PMB）生物质较常规活性污泥表现出更高的水解可及性，可实现更高的溶解化产率（约65% 对 约55%）。这一表现与两类微生物群落在群落组成、生物质结构及胞外基质组织上的差异一致。水解性能主要受处理强度和试剂类型控制，其中中等条件即可在限制二次降解的同时实现较高的组分释放与回收。PMB在蛋白衍生产物回收方面表现尤为突出，初始蛋白最高可回收约80%，且损失有限（<5%）；相比之下，碳水化合物回收对降解更为敏感，尤其是在强处理条件下。此外，通过调节水解条件，可实现蛋白水解液组成的调控，从而获得富肽或富氨基酸产物。总体来看，PMB生物质在相对温和的水解条件下即可实现蛋白衍生产物和单糖的高效回收，显示出其作为废水生物炼制替代原料的显著潜力，但在实际应用前仍需进一步评估回收组分中的污染物含量及其下游适用性。