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Water Res:硫对嗜酸性甲烷氧化菌利用生物气产可食用单细胞蛋白的影响

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析 


人口的快速增长给全球农业发展和食品供应带来了巨大的挑战,联合国粮食及农业组织(UNFAO)预测2050年全球粮食产量必须加倍才可满足人口需求。然而,传统农业的发展势必对环境造成一定的影响,如温室气体排放、土地大量占用、潜在农药污染,以及过度耕种和放牧导致的生态破坏。因此,研发环境友好的食品蛋白作为传统食物的补充和替代具有非常大的市场潜力和科学意义。单细胞蛋白(Single Cell Protein, SCP)是高蛋白微生物的干燥细胞产品,包括藻类、真菌、细菌和酵母等,被誉为未来最具潜力食用蛋白来源。其中细菌细胞因其具有更高的蛋白质含量、更快的生长速率、温和的培养环境和均衡的氨基酸组成,受到了广泛的关注。近期,利用好氧甲烷氧化菌(Methane-Oxidizing Bacteria, MOB)转化甲烷和氧气产SCP技术已经研发成熟,并在欧美地区进行了商业化应用,SCP产品已成为鱼食和动物饲料的重要组成。


然而,目前市面上的第一代“MOB-SCP”技术使用的原料局限于天然气甲烷,其依然存在不可再生和成本的问题。因此,利用可再生生物气作为原料供给MOB产SCP(第二代技术)将是大势所趋,该技术还可使农业残余生物质的利用大大增值。然而,第二代“MOB-SCP”技术的概念尚处于萌芽时期,其效果、实用性以及性能鲜有文章报道。近日,丹麦技术大学(Technical University of Denmark, DTU)环境工程学院张翼峰副教授课题组预测第二代“MOB-SCP”技术最大的挑战将来源于生物气中残存的硫化氢对MOB的毒性,并基于此进行了针对性的研究,同时首次报道了利用嗜酸性甲烷氧化菌(Methylocapsa acidiphila)产单细胞蛋白的可能性


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作者研究发现嗜酸性Methylocapsa acidiphila的干燥细胞中含有58.6%的总氨基酸含量,达到了单细胞蛋白载体的要求,可作为常用的嗜中性Methylococcus capsulatus的潜在替代。在研究硫对M. acidiphila生长及产蛋白性能的影响的实验中,作者发现会造成显著性抑制的临界硫化钠浓度为8.13 mg/L(相当于1000 ppm气体硫化氢),被抑制的细胞中获得的总氨基酸含量降幅超过一半。在临界硫浓度范围内,虽然细胞蛋白质产量有所下降,但关键氨基酸占比没有受到影响,即硫抑制对蛋白产品的质量影响不大。另外,实验还探究了在硫抑制的情况下改变运行条件(如进气CH4和O2比例、补气频率、震荡速率、接种比、氮源形式)对产蛋白性能的影响,以及细菌在硫环境中的驯化能力。同时,该研究还通过间歇进气的方式分别探究了CH4和O2在硫抑制环境中对M. acidiphila生长的不同阶段所产生的影响及原因,以及生物气中CO2的影响。


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这一成果近期发表于Water Research 期刊上,文章第一作者为课题组博士研究生许明熠同学。


原文:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135420306758?via%3Dihub

Sulfide restrains the growth of Methylocapsa acidiphila converting renewable biogas to single cell protein

Mingyi Xu, Huihui Zhou, Xiaoyong Yang, Irini Angelidaki, Yifeng Zhang

Water Res.2020, DOI: 10.1016/j.watres.2020.116138


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张翼峰副教授课题组简介


Yifeng Zhang(张翼峰),男,1982年生。2012年博士毕业于丹麦技术大学环境工程学院,现任该学院副教授(终身),博士生导师,课题组在读博士及博士后十余人,多次指导学生获得重量级奖项。主要研究方向为微生物电化学技术原理及其与传统污水处理工艺的耦合与创新应用,专注于厌氧消化及深度发酵、废水处理及资源回收、生物传感、生物能源合成、生物产氢产甲烷、生物修复、废水脱氮脱盐等。发表SCI论文80余篇,其中在环境领域顶级期刊Energy & Environmental Science、Environmental science & Technology、Water Research发文20余篇,被引2700余次,H-index为28。主持及参与多项丹麦国家及欧盟科研项目(总经费超300万欧元)。作为科学术委员会成员或特邀报告人参与多次生物技术,厌氧及电化学领域国际会议。担任Science of the Total Environment期刊副主编,40多个SCI期刊的审稿人,并作为特邀主编参与多个SCI期刊的特刊发表。欧盟第七研发框架计划(FP7)与科研创新计划(Horizon 2020)以及丹麦,瑞士,比利时,新加坡等国家科学基金远程评审专家。国际微生物电化学协会(ISMET)及美国化学会(ACS)会员。


X-MOL导师介绍:

张翼峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/230780


科研思路分析


Q:这项研究的想法是如何产生的?主要能解决什么问题?

A:固体废弃物资源化利用一直是丹麦技术大学环境学院的王牌方向之一,特别地,针对厌氧消化(Anaerobic Digestion)过程及其应用和发展的研究也是本课题组的重要根基。因此,在面对新的领域如甲基营养性微生物蛋白研究中,我们可以基于自身的强项进行思维碰撞,在提出利用可持续生物气生产蛋白质概念的同时,敏锐观察到潜在的硫化氢抑制问题,从而产生了这项研究的想法。这项研究可以针对性地指导生物气产蛋白的工程化应用,从根源上解决第一代“MOB-SCP”技术存在的化石燃料消耗的弊端,可真正实现可持续新型蛋白质的研发。


Q:为什么选取一种新的甲烷氧化菌生产单细胞蛋白?

A:利用一株新的甲烷氧化菌是本研究另一创新点,由于目前应用于SCP生产的MOB绝大部分为嗜中性的Methylococcus capsulatus,寻找不同的细菌可以为将来应用于不同生产条件提供新的思路。此外M. acidiphila具备其他独特的优势,如嗜酸特性使发酵酸化过程中无需进行加碱平衡pH;嗜常温特性使反应过程无需控温加热;其可代谢多种形态氮源,使其未来具有结合污水氮回收技术的可能性;其还具有固氮能力,未来可进一步研究利用氮气作为氮源使成本大幅度降低。


Q:该研究成果可能有哪些应用?或者未来的优化方向?

A:该研究成果直接服务于后续集厌氧消化、污水氮资源回收、好氧甲烷氧化生物合成一体化的“利用生物气产蛋白质”技术,在对抗硫抑制方面有针对性地提供了理论基础及相关条件探究。同时,该研究拓展了嗜酸性M. acidiphila的应用途径,并探讨了其未来广阔的研究空间,如固氮应用、酸性废水应用、生物电化学系统应用等。此外,这项技术尚处于起步阶段,还有很多问题值得讨论,如与硫氧化细菌的结合应用,细胞的富集及蛋白质的提取纯化技术等。


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