厌氧消化是有机废弃物资源化利用的重要技术，而含有高浓度氨氮的沼液处理是沼气和生物天然气产业发展的难题。沼液利用和处理方式有作为肥料还田利用和当作废水达标处理排放。沼液中的氨氮来自于有机废弃物中的蛋白氮，蛋白氮来自于种植阶段使用的肥料氮，而肥料氮是合成氨厂花费大量天然气能源将空气中的氮气转化得到的氮化合物，若采用硝化-反硝化的方式处理沼液，将氨氮转化为氮气又排到大气中，这是不经济的、甚至是无用的冗余氮循环(即“氮气-肥料氮-蛋白氮-氨氮-硝氮-氮气”)。而饲料化利用，构建“氨氮-蛋白氮”一步法转化的经济有效的短流程氮循环，可以避免二次污染，实现资源化利用，延伸沼气和生物天然气的产业链和价值链。

2016年，为了实现沼液氨氮的高值生物转化利用，中国科学院成都生物研究所生物质能源项目组研究员李东提出沼液氨氮生产单细胞蛋白(SCP)饲料的利用途径和技术路径。与植物源蛋白饲料相比，微生物单细胞蛋白具有较快的合成速率，无须日照和大量土地。项目组从自然生境中分离出两株具有自养、异养和混合营养产SCP能力的氢氧化细菌--脱氮副球菌(Paracoccus. denitrificans Y5)和善变副球菌(Paracoccus. versutus D6)。这两株氢氧化细菌具有独特的代谢特点，能以葡萄糖等有机碳源和氨氮异养合成SCP，且在提供还原力H2的条件下能够以CO2为无机碳源和氨氮自养合成SCP。菌株Y5和D6的单细胞蛋白含量为细胞干重的67.34%~73.73%，高于大豆的蛋白含量。而氢氧化细菌的细胞生物质(菌体干重)浓度较低，自养、混合营养和异养条件下最高仅为2.13 g/L、3.19g/L、5.17 g/L。

为了进一步提高菌体干重浓度，李东团队在10余株酵母中筛选出两株能够耐受鸡粪沼液且高效利用沼液氨氮生产单细胞蛋白的菌株，分别为蜂蜜酵母(Nectaromyces rattu)和白地霉(Galactomyces candidum)。蜂蜜酵母(Nectaromyces rattu)能够在初始NH4+-N浓度2000 mg/L、C/N比6:1，初始pH 5.50条件下，通过二次发酵达到总细胞干重(CDW)12.58 g/L，蛋白质含量35.96%，其中脯氨酸占细胞干重的12%。白地霉(Galactomyces candidum)在初始NH4+-N浓度2000 mg/L、C/N比6:1条件下，通过二次发酵达到总细胞干重(CDW)9.24 g/L，蛋白质含量39.39%。研究进一步发现，有机废弃物中的硫元素在厌氧消化过程中转变为硫化氢随着沼气流失，因而这两种酵母单细胞蛋白中缺乏半胱氨酸和甲硫氨酸等含硫氨基酸。该研究通过添加硫酸盐，促进含硫氨基酸的合成，并通过推进谷氨酸和谷氨酰胺的合成显著提高蛋白质含量，总氨基酸含量从38.6 g/100g提高到53.2 g/100g。

相关研究成果表在Appl Biochem Biotechnol、Poultry Science、Electronic Journal of Biotechnology上，并获得中国发明专利授权。研究工作得到中科院环境与应用微生物重点实验室、中科院“西部之光”人才培养计划“西部青年学者”项目、中科院青年创新促进会、四川省科技计划项目等的支持。

氢氧化细菌利用沼液自养和异养产单细胞蛋白饲料

蜂蜜酵母(Nectaromyces rattu)利用沼液生产单细胞蛋白饲料

白地霉(Galactomyces candidum)利用沼液生产单细胞蛋白饲料

来源:中国科学院成都生物研究所

【来源:中科院之声】

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