污水厂变身生物精炼厂：基于氢氧化细菌的生物蛋白制造工厂
减少温室气体的排放以及回收有价值的资源已成为全球污水处理行业迫在眉睫的新任务。环境生物技术和可再生能源领域的发展，例如工艺的创新和能效的提高，给环保产业提供了许多新的机遇和可能性。荷兰能源谷基金会(Stichting Energy Valley)的Power-to-gas项目就曾关注利用从水中释放的氢能实现资源综合回用。如何运用环境生物技术释放污水中的宝贵资源也是比利时根特大学研究团队的关注点，他们为此对名为氢氧化细菌的微生物开展了相关研究。氢氧化细菌被视作生物精炼厂（bio-refinery）的“引擎”之一，能在未来污水处理厂转型中发挥重要作用。氢氧化细菌氢氧化细菌(Hydrogen-oxidizing bacteria)，又称氢氧混合气细菌（Knallgas bacteria），是一种好氧或者兼性的化能无机营养菌(lithoautrophs) 。它们能用氢气和氧气分子做为电子供体和受体，快速固定二氧化碳，通过1,5-二磷酸核酮糖(RuBP – ribulose biphosphate)或者逆三羧酸循环(reverse tricarboxilic cycle)进行细胞合成。根据吉布斯自由能的理论公式计算，这个过程会产生大量的能量和生成ATP，所以能够自发进行：
重要的是，它们还能够通过氧化糖、有机酸和氨基酸等有机物来获取能量，因此属于兼性化能的营养模式。它们能够生存在氧气浓度波动较大的低氧缺氧区，这使得它们能与厌氧产氢细菌共生。氢氧化细菌在上世纪70年代就开始吸引到大家的注意，当时被视作能制造多种产品的细菌，例如它能生成微生物单细胞蛋白(Single cell protein - SCP)、供发酵工业用的生物质和PHB聚酯塑料。当时大家对其前景充满期待，其中最具代表的氢氧化细菌是Cupriavidus necator，它还有好几个其它的名字：Hydrogenomonas eutrophus, Alcaligeneseutropha, Wautersia eutropha和Ralstonia eutropha 。这种细菌之所以得到额外的关注，是因为它们在新陈代谢机理上超高的灵活性和多功能性——不仅能在异养和自养模式间轻松切换，而且可以间歇或者连续进行。德国科学家曾在2006年发表了这种细菌的基因组测序的结果，并制作了其新陈代谢机理示意图：它依靠NAD+的溶解性氢化酶还原吡啶核苷酸用于生物合成，而颗粒氢化酶则引导电子从氢直接到电子传递链以产生质子动力势。
▲ 氢气氧化细菌Cupriavidus necator的新陈代谢机理示意图能产塑料的细菌氢氧化细菌最大的一个亮点是能积聚生物聚合物，例如PHB。其中一个有待解答的问题是能否通过Cupriavidus necator菌的混合培养基制造PHB。而PHB除了自身作为塑料之外，最近被发现还能作为微生物控制介质，可以作为益生元(prebiotics)用作水产养殖中，抑制有害菌的生长。
理论计算显示，1kg的氢气分子能生成1.3kg的PHB，换算成COD来计算则为0.16 kg PHB/kg H2-COD。这个产率跟其他利用甲烷生成PHB的细菌相当(0.14 kgPHB/kg H2-COD)，但跟以碳水化合物（葡萄糖）、乙酸和丁酸作为能量底物相比，则差距较大（三者的系数分别为0.45、0.45和0.64）。尽管大家已经对单个氢氧化细菌种类的基因组进行了研究，但是至今没有关于氢氧化细菌混合培养的报告。后者是处理污水和实现其资源化的更经济可行的方法，只有实现混合培养才能适应环境的多变性。这是氢氧化细菌能否实现进一步的突破，走上工业应用的有待验证的技术难点之一。经济可行性分析氢氧化细菌因为能固定二氧化碳转化成新的生物质，取代通过光合作用生成的植物，作为动物饲料的单细胞蛋白来源。根特大学研究团队从多方面对氢氧化细菌的应用前景进行的经济分析。产率方面，这些细菌的生长速率高达0.42/h，单位体积产率达5.23 g CDW/L/h (CDW – Cell Dry Weight)。早在1990年，就有意大利的团队对氢氧化细菌和高效作物的能量效率进行了比较。他们建议用太阳能对水进行电解，生成的氢气和氧气作为供细菌生长的底物。其太阳能利用效率为2%，已经远高于生长最快的作物0.5%的光合作用利用率。他们根据自己的数据估算，通过合理的反应系统的设计，每年每公顷干物质(dry matter)的产量高达几百吨，目前用玉米等生成丁酸的产量仅为10-20吨/年/公顷。也就是说，两者的产率相差超过10倍。上述已经提到，氢氧化细菌被视作生成微生物蛋白的潜在合成工具。有研究对三种细菌的蛋白进行了评估，它们分别是Alcaligenes eutrophus Z1, Ralstonia eutropha B5786 和具有一氧化碳抗性的 carboxydobacterium Seliberia carboxydohydrogena Z1062。这些细菌生成的蛋白包含了所有有价值的氨基酸种类，跟酵母、藻类(microalgae)和干酪素（casein）相当。价格方面，根据现有的成本估算显示，用天然气（甲烷）转化产氢的成本约为1.7欧元/千克，生物质气化为1.2欧元/千克，而风能产氢为1.8欧元/千克。一般用后者1.8这个值作参照，并一般换算为0.23 欧元/千克 H2-COD来表示。报告把相关关键参数总结成下表。表格信息显示，富含蛋白质的生物质的成本是黄豆粉的市场价的两倍，但是后者的蛋白含量只约为40%，而前者则可高达75%。如果把CAPEX和OPEX等考虑在内，估计SCP的售价约在每千克蛋白1.75欧元，这是大豆粉实际价格的1.7倍，但依然低于酵母2.1欧元/千克的价格。表1. 氢氧化细菌的产率和副产品的估算成本(下游加工成本不计算在内)工艺/产品理论产率(kg product /kg H2-COD)实测较高产率(kg product/kg H2-COD)最终成本(€/kg product)市场成本参考产品成本(€)富含蛋白质微生物质0.280.300.82黄豆粉0.41PHB0.160.121.44PHB1.47脱氮和同化作用0.03-7.67脱氮1.0-6.0注：a 最终成本价按理论产率计算(不包括OPEX和CAPEX)b €1.47/kg是PHB生产的估算价格c 脱氮成本的计算是假设都通过微生物的同化作用其实，甲烷氧化菌同样能够生成SCP、PHB等生物产品，而且已经有了生产SCP的工业应用案例，并被用作喂养牛和鱼的饲料添加剂。因为能从现成的厌氧发酵工艺获得甲烷作为原材料，所以甲烷氧化菌的应用貌似更加方便。但是跟氢氧化细菌相比，甲烷氧化菌的代谢条件更加苛刻，例如底物只能是甲烷，另外虽然两者的PHB产率相当，但甲烷氧化菌的生长速率更低、蛋白质含量也更低。因为报告认为氢氧化细菌还是有被工业化应用的潜力。
▲甲烷氧化菌和氢氧化细菌的对比未来污水厂的升级路线既然氢氧化细菌有这么多优点，是否可以把它应用到现有的污水厂中呢？报告的答案是肯定的。研究人员描绘了一个用氢气作为原材料的生物精炼厂技术路线路的愿景。
▲ 基于氢气并与现有污水厂结合的生物精炼厂工艺流程图，其中灰色字体和虚线表示的传统的脱氮方法这个生物精炼厂(bio-refinery)的思路是将污水厂的各种副产品变成氢氧化细菌合成细胞的原材料：氨氮来自厌氧消化的沼渣或者渗滤液水电解生成的氢气和氧气电源由可再生能源或者非峰值时间用电提供二氧化碳来自沼气加工去除的“废气”或来自沼气的热电联产然后将各种原材料送入氢氧化细菌反应器，生成可食用蛋白和益生元等产品，从而将工业或者市政污水厂变成生物精炼厂。传统作物种植造成的土地紧缺问题以及易于回收氨氮的创新技术的出现，将为未来污水厂对氮的处理提供新视角和方法，并且减少温室气体的排放。除了电解水可以提供氢气之外，利用污水厂的甲烷与二氧化碳反应生成氢气也是另一条潜在的技术路线。实验室的数据表明转化率可高达94%-95%。但其工业应用前景如何仍有待验证。学术界的研究展示了资源综合回用的多种新思路，我们期待能在不久将来看到这样的生物梦工场的建成。参考资料Silvio Matassa, Nico Boona, Willy Verstraetea, Resource recovery from used water: The manufacturing abilities of hydrogen-oxidizing bacteria, Water Research 68 (2015), 467-478.