光合细菌合成高价值物质的代谢研究

有机废水的光合细菌（PSB）处理技术，不仅可以有效去除废水中的有机污染物，同时还能回收菌体蛋白、类胡萝卜素和5-氨基乙酰丙酸（ALA）等高价值物质，因而得到了广泛关注和研究。然而，用PSB处理食品加工废水时，普遍存在污染物去除率不理想，菌体产量及类胡萝卜素、ALA等高价值物质产率不高等不足，阻碍了PSB技术在废水处理领域的推广和应用。

近年来，关于PSB污水处理系统中的污染物降解原理、高价值物质的合成及其调控机制、光合细菌-膜生物反应器（PSB-MBR）的开发与应用、高价值物质的分离与纯化等下游技术的开发，成为PSB污水资源化发展的热点研究课题。但PSB污水处理技术在研究与应用中仍存在以下问题：①利用单独的PSB污水处理系统生产回收菌体及其高价值物质的应用具有很大的局限性，由于污染物去除周期和PSB生长周期较长、菌体易流失，系统难以长期稳定运行；②PSB-MBR工艺的应用可提高污水处理效率，解决了菌体难富集、产率低及易流失的问题，然而，系统中膜污染的形成机理及其调控机制仍是未攻克的难题；③PSB内物质能量代谢途径及高价值物质合成途径关系复杂，具有重叠或竞争的代谢通路，相互促进或抑制，关键基因和酶及各代谢途径中关键因子的调控机制仍不明晰，限制了PSB污水处理系统中高价值物质合成效率的进一步提高。本书为PSB污水资源化提供理论依据，又推动高价值物质的绿色生产。

本书共七章，第一章综述了光合细菌废水处理及其资源化研究现状，主要介绍了光合细菌废水处理概论，PSB分类、生理特性及废水处理机理，典型的紫色非硫细菌废水处理技术的研究进展，类胡萝卜素、5-氨基乙酰丙酸（ALA）、单细胞蛋白（SCP）等高价值物质的研究现状及瓶颈问题。第二章重点介绍了PSB废水处理工艺，包括工艺特点、附属物质回收的典型案例、影响因素调控、膜生物反应器回收生物资源的潜力、基于PSB的资源回收和废水处理的未来发展。第三章介绍了试验材料和方法。第四章介绍了类胡萝卜素合成的关键影响因素优化及作用机制，重点剖析Mg2+、光照条件及生物菌剂的影响机制。第五章介绍了ALA合成的关键影响因素优化及作用机制，重点阐述合成底物、Fe2+及生物菌剂的影响机制。第六章在基于第四、五章相关机制解析的基础上，构建了连续流PSNB处理废水并生产高价值物质的光反应系统，通过系统参数的优化和调控，进一步提高了系统效能，推动了该技术的实际应用。第七章为结论。

本书的出版得到了国家自然科学基金青年项目（编号：51708214）、国家科学技术部高端外国专家引进计划项目（编号：G2022026015L）、河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目（编号：202102310265）、华北水利水电大学高层次人才启动项目（编号：40550）的资助，特此表示感谢。

限于篇幅和作者水平，书中难免有存在不足之处，恳请同行和广大读者提出宝贵意见。

前言
第一章 光合细菌废水处理及其资源化研究现状 1
一、背景 1
二、光合细菌废水处理及其资源化 2
（一）光合细菌废水处理概论 2
（二）PSB分类、生理特性及废水处理机理 7
（三）紫色非硫细菌废水处理技术的研究进展 9
三、PSB菌体资源化的研究现状 12
（一）类胡萝卜素生产的研究现状 12
（二）ALA生产的研究现状 16
（三）SCP生产的研究现状 23
（四）PNSB合成类胡萝卜素、ALA以及SCP存在的问题 26
第二章 PSB废水处理工艺 28
一、PSB废水处理工艺和特点 28
二、从PSB废水处理到附属物质回收的典型案例总结 29
三、PSB废水处理及生物质循环利用的影响因素 31
（一）光照 33
（二）温度 35
（三）pH 36
（四）氧气 36
（五）金属离子 37
（六）HRT与OLR 38
（七）SRT 39
（八）PSB废水处理中的光生物反应器 39
四、膜生物反应器回收生物资源 40
五、基于PSB的资源回收和废水处理的未来发展 41
（一）PSB废水处理的新设计需求 42
（二）PSB和高价值物质生物合成机制的调控 43
（三）高价值物质的分离纯化 44
第三章 试验材料和方法 45
一、试验材料 45
（一）试验菌种 45
（二）试验废水 46
二、试验方法 48
（一）试验装置 48
（二）试验仪器 50
（三）批式试验设计 51
三、检测项目及其分析方法 52
（一）常规分析项目及其检测方法 52
（二）类胡萝卜素和ALA的测定 52
（三）酶活性的测定方法 53
（四）菌株鉴定方法 57
（五）基因差异表达分析 58
（六）微生物定量分析方法 61
（七）挥发酸的测定方法 63
（八）数据处理及统计学分析方法及应用的软件 64
四、菌株筛选及其适宜的废水选择 64
（一）类胡萝卜素高产菌株的筛选 64
（二）ALA高产菌株的筛选 65
（三）不同类型废水对类胡萝卜素产率的影响 65
（四）不同类型废水对ALA产率的影响 66
第四章 类胡萝卜素合成的关键影响因素优化及作用机制 68
一、引言 68
二、Rp. palustris产类胡萝卜素的生长条件优化 69
（一）光照条件的优化 69
（二）pH的优化 72
（三）接种量的优化 74
（四）微量元素的优化 75
（五）菌剂的优化 78
三、Mg2+对类胡萝卜素合成的影响机制 80
（一）Mg2+促进类胡萝卜素合成的可行性研究 80
（二）污染物去除效能 81
（三）菌体产量及类胡萝卜素产率 82
（四）关键功能基因的表达 83
四、光照条件对类胡萝卜素合成的影响 86
（一）光强对类胡萝卜素产率合成的影响 86
（二）光周期对类胡萝卜素产率的影响 88
五、pH影响类胡萝卜素产率的机制研究 92
（一）特征污染物去除效能 92
（二）pH变化和ORP变化 92
（三）光谱分析 93
六、菌剂Strain L2对类胡萝卜素产率的影响研究 94
（一）污染物去除效能 94
（二）菌体产量及类胡萝卜素产率 95
（三）影响机制解析 97
七、四种关键因素对类胡萝卜素产率的综合影响 101
（一）正交试验设计 101
（二）类胡萝卜素产率及因素影响分析 101
八、本章小结 102
第五章 ALA合成的关键影响因素优化及作用机制 104
一、引言 104
二、Rb. sphaeroides产ALA的生长条件优化 105
（一）光照条件的优化 105
（二）pH的优化 107
（三）接种量的优化 109
（四）微量元素的优化 109
（五）菌剂的优化 112
三、合成底物对ALA合成的影响 122
（一）底物单因素的影响 122
（二）复合底物的影响 123
四、Fe2+对ALA合成的影响机制 133
（一）污染物去除效能 133
（二）菌体产量及ALA产率 134
（三）ATP产率 135
（四）相关性分析 137
（五）关键功能基因的表达 138
五、菌剂影响ALA合成的机制研究 141
（一）污染物去除效能 141
（二）菌体产量及ALA产率 141
（三）共代谢影响解析 142
六、三种关键因素对ALA产率的综合作用 145
（一）正交试验设计 145
（二）ALA产率及因素影响分析 145
七、本章小结 146
第六章 连续流PNSB处理废水系统的调控与效能 148
一、引言 148
二、HRT和OLR对Rp. palustris类胡萝卜素合成效能的影响 149
（一）Rp. palustris生长及类胡萝卜素合成的动力学特性 149
（二）污染物去除效能 153
（三）特征污染物去除规律 155
（四）菌体产量变化 155
（五）类胡萝卜素产率的变化 156
（六）pH和ORP的变化分析 158
（七）PNSB的定量分析 159
（八）相关性分析 160
三、HRT和OLR对Rb. sphaeroides合成ALA效能的影响 161
（一）Rb. sphaeroides生长及ALA合成的动力学特性 161
（二）污染物去除效能 164
（三）特征污染物去除规律 166
（四）菌体产量变化 166
（五）ALA产率变化 167
（六）pH和ORP的变化分析 168
（七）PNSB定量分析 170
四、PNSB有机废水处理系统合成高价值物质的效率分析 171
（一）光反应器R1和R2的效率分析 171
（二）光反应器R1和R2基于HRT和OLR调控的应用 172
五、本章小结 173
第七章 结论 174
参考文献 176

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