紫色非硫细菌固氮助力蛋白质生产：开拓可持续生物制造新路径

当前食品生产依赖高耗能的哈伯 - 博施法生产氨，氮利用效率低且污染环境。研究人员开展紫色非硫细菌（PNSB）用于蛋白质生产的研究。结果显示，PNSB 固氮产量高、吸收速率快，其生物质蛋白适合人类营养需求。该研究为可持续蛋白质生产提供新方向。

　　在全球粮食需求不断攀升的当下，蛋白质的供应问题愈发凸显。传统的食品生产体系对通过哈伯 - 博施（Haber - Bosch）工艺生产的氨高度依赖，这一工艺不仅需要在高温（约 500°C）、高压（>100 bar）的条件下进行，消耗全球 2 - 4% 的能源，还会排放大量的二氧化碳（每生产 1 吨氨排放 2.9 吨当量的二氧化碳），其能源需求高达每固定 1 摩尔氮 500kJ。而且，氨肥在农业中的使用效率极低，大约 50 - 70% 的氮肥会因径流、挥发、反硝化和淋溶等途径流失，导致氮利用效率（NUE）低下。在动物农业中，由于饲料链的低效率，氮损失更是高达 90%，这些氮损失引发了诸如富营养化、土壤酸化、生物多样性丧失和温室气体排放等严重的环境问题。因此，寻找可持续且高效的固氮方法用于蛋白质生产迫在眉睫。

在此背景下，来自国外研究机构的研究人员开展了一项关于紫色非硫细菌（PNSB）的研究，旨在探索其在蛋白质生产中的潜力。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为解决全球蛋白质需求问题提供了新的思路。

研究人员采用了一系列关键技术方法。首先，通过顺序异养和自养富集培养，获取能够高效固氮的 PNSB 开放菌群。在培养过程中，使用特定的培养基，并控制光照、温度和搅拌条件。同时，利用气体色谱、光谱分析等多种分析技术，对培养过程中的气体成分、压力，以及液体中的各类物质浓度进行精确测定。此外，通过 16S rRNA 基因测序分析微生物群落组成，对优势菌株进行分离和基因组测序。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 固氮生物质产量：PNSB 在光异养条件下，不同底物的生物质产量相似，如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐的平均产量分别为 0.88±0.02、0.85±0.04 和 0.87±0.01 g COD_biomass·g COD_consumed^-1 。由于固氮过程中产生氢气，其固氮产量略低于非固氮条件下的值（约 1 g COD_biomass·g COD_consumed^-1 ），但高于其他固氮生物，如氢氧化细菌和根瘤菌。而且，固定的氮完全用于生物质合成，没有氮的分泌。
2. 二氮固定对吸收速率的影响：以乙酸盐为底物时，PNSB 的特定吸收速率最高，达到 5.20±0.83 g COD_substrate·g COD_biomass^-1·d^-1 ，显著高于非固氮条件下的吸收速率。光自养的特定吸收速率（1.02±0.33 g COD_substrate·g COD_biomass^-1·d^-1 ）低于光异养，这可能是由于二氧化碳和氮固定之间的电子竞争。特定吸收速率随光照强度增加而增加，在 53 W?m^?2 时达到饱和。
3. 蛋白质含量和氨基酸谱：PNSB 生物质中的粗蛋白（CP）和总氨基酸（TAA）含量在不同条件下较为一致，分别为 43 - 54% 和 38 - 43%。必需氨基酸（EAA）的比例在 42 - 46% 之间，所有样品都含有完整的必需氨基酸谱，蛋白质质量指标表明其适合人类食用。
4. 厌氧固氮光养条件的选择性：厌氧固氮光养条件对 PNSB 群落具有高度选择性。在异养条件下，主要的操作分类单元（OTU）属于红杆菌科（Rhodobacteraceae） ；在自养条件下，沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）和球形红杆菌（Cereibacter sphaeroides）占主导。同时，也检测到一些非 PNSB 细菌，如假单胞菌属（Pseudomonas）等。
5. 固氮产量和吸收速率的潜力：与其他固氮生物相比，PNSB 的固氮产量和吸收速率表现出巨大的潜力。其整体蛋白质生产率在固氮条件下可达 312±23 mg_protein•L^-1•d^-1 ，高于非固氮自养 PNSB 系统和氢氧化细菌。

研究结论和讨论部分强调了 PNSB 作为高效固氮生物在可持续蛋白质生产中的巨大潜力。虽然 PNSB 的固氮产量略低于以铵离子为氮源的生长条件，但其特定吸收速率显著更快，且能将固定的氮保留在生物质中，氮利用效率更高。此外，研究还发现了一些有待进一步研究的问题，如固氮增强光异养吸收速率的具体机制，以及如何优化培养条件以提高生物质浓度和生产效率等。该研究为利用 PNSB 解决全球蛋白质需求问题提供了理论基础和实践指导，有望推动可持续生物制造领域的发展，为实现高效、环保的蛋白质生产开辟新的道路。