Food from the air: Selection and characterization of hydrogen oxidizing bacteria for sustainable anaerobic production of single-cell protein

空氣中的食物 ：用于單細胞蛋白可持續(xù)厭氧生產(chǎn)的氫氧化菌的選擇和表征

來源：Department of Bioprocess Engineering, Wageningen University  MSc thesis  3/8/2023

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文旨在篩選高效能的氫氧化細菌（HOB）培養(yǎng)方法（有氧 vs. 無氧）及最佳菌株，用于可持續(xù)生產(chǎn)單細胞蛋白（SCP）。通過比較四種HOB菌株（C. necator、H. flava、P. denitrificans、S. barnesii）在兩類條件下的生長效率，重點關(guān)注生物質(zhì)氫轉(zhuǎn)化率（YX/H2） 和 能量成本。然而，實驗設(shè)計存在缺陷（手動測量誤差、分析方法不一致、樣本重復(fù)性差），導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可靠，未能實現(xiàn)目標(biāo)。論文最終提出改進方案，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

 

2. 研究目的

 

核心目標(biāo)：選擇能量效率最高的HOB培養(yǎng)策略（有氧呼吸 vs. 無氧硝酸鹽呼吸）及最優(yōu)菌株。

科學(xué)問題：

實驗設(shè)計是否適用于HOB的有氧/無氧培養(yǎng)？

分析方法能否提供可靠的底物消耗與生物量數(shù)據(jù)？

不同菌株在兩類條件下的生物質(zhì)氫轉(zhuǎn)化率（YX/H2）如何？

結(jié)合電子受體回收策略，哪種培養(yǎng)體系的能量效率最高？

 

3. 研究思路

 

菌株與條件：

菌株：4種HOB（C. necator Δpha、H. flava、P. denitrificans、S. barnesii）。

條件：有氧（O?為電子受體） vs. 無氧（NO??為電子受體）。

培養(yǎng)系統(tǒng)：

小規(guī)模血清瓶實驗（120 mL封閉瓶，圖2、3示意流程）。

批次生物反應(yīng)器實驗（僅C. necator有氧培養(yǎng)，圖7）。

 

 

 

 

測量參數(shù)：

氣體消耗（H?、O?、N?、CO?）。

液相底物（NO??、NH??）。

生物量濃度（OD、細胞干重CDW）。

細胞元素組成（總碳TC、總氮TN）。

蛋白質(zhì)含量（Lowry法）。

數(shù)據(jù)分析：

計算產(chǎn)率（YX/H2、YNO3/X、YNH4/X）。

構(gòu)建生物質(zhì)形成反應(yīng)方程式及焓變（ΔH）。

評估能量成本（包括H?電解、電子受體回收能耗）。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及其意義

關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源與意義

測量參數(shù) 數(shù)據(jù)來源 研究意義

生物量濃度 圖10、11、13 評估菌株生長效率。S. barnesii有氧培養(yǎng)生物量最高（1.3 g/L），無氧培養(yǎng)普遍低下（<0.16 g/L）。

 

 

 

 

 

氣體消耗效率 圖16（O?）、17（N?）、18（H?） 反映呼吸效率。有氧H?消耗＞80%，但對照組也有消耗，提示泄漏或測量誤差。

 

 

硝酸鹽/銨產(chǎn)率 圖19（YNO3/X）、圖20（YNH4/X） 量化無氧呼吸效率及氮同化能力。數(shù)據(jù)離散大（如H. flava YNO3/X 0.49–3.02 mol/mol），可靠性低。

 

 

 

 

 

元素組成（C/N） 圖14（C）、圖15（N） 構(gòu)建分子式（CHαOβNγ）。數(shù)據(jù)矛盾（如C含量＞100%），因TC/TN分析誤差。

 

 

 

蛋白質(zhì)含量 表9 評估SCP營養(yǎng)價值。結(jié)果異常（＞100%），因生物量測量誤差（如C. necator批次培養(yǎng)58.4%較合理）。

 

生長速率（μ） 圖22、23（C. necator批次） 揭示規(guī)模化潛力。μ=0.021 h?1，低于文獻值（0.011–0.094 h?1），受傳質(zhì)限制（圖27）。

 

 

 

 

 

5. 結(jié)論

 

主要結(jié)論：

實驗設(shè)計失敗：手動操作誤差、分析方法不一致（如生物量圖10 vs. 11矛盾）、樣本重復(fù)性差（標(biāo)準(zhǔn)差＞60%），導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可靠。

目標(biāo)未達成：無法比較菌株效能或計算能量效率。

潛在發(fā)現(xiàn)：

有氧培養(yǎng)普遍優(yōu)于無氧（生物量高2–8倍），S. barnesii有氧生物量最高（1.3 g/L）。

無氧培養(yǎng)生長緩慢，可能與低能量釋放（表1）及未優(yōu)化培養(yǎng)基有關(guān)。

 

改進方向：延長培養(yǎng)時間（＞3周）、升級分析方法（如CHN分析儀）、降低底物濃度以減少誤差。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的意義（圖27）：

測量目標(biāo)：實時監(jiān)測批次反應(yīng)器氣相H?飽和度。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

H?濃度線性下降（非指數(shù)下降），表明傳質(zhì)限制（氣體從袋→反應(yīng)器擴散不足）。

直接解釋生長速率低（μ=0.021 h?1，圖23）：H?限制導(dǎo)致非指數(shù)生長。

研究意義：

揭示規(guī)模化瓶頸：10L氣袋與反應(yīng)器間的氣體交換效率低下。

指導(dǎo)反應(yīng)器設(shè)計：需優(yōu)化氣體循環(huán)系統(tǒng)（如增加攪拌或氣液接觸面積）。

驗證安全措施必要性：H?濃度＜4%可防爆，但需平衡安全與傳質(zhì)效率。

 

總結(jié)

 

該論文嘗試篩選高效HOB培養(yǎng)體系，但受限于實驗設(shè)計和方法學(xué)問題，核心目標(biāo)未達成。其價值在于系統(tǒng)暴露了無氧HOB培養(yǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)（如測量一致性、傳質(zhì)限制），并提出了改進路徑。Unisense電極數(shù)據(jù)雖有限，但首次量化了規(guī)模化HOB培養(yǎng)的H?傳質(zhì)瓶頸，為后續(xù)反應(yīng)器設(shè)計提供了關(guān)鍵依據(jù)。未來研究需聚焦分析方法標(biāo)準(zhǔn)化（如生物量測量）、延長無氧培養(yǎng)周期，并整合電子受體回收策略的能量平衡分析。