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成都生物所在沼液生产单细胞蛋白饲料研究获进展
发表日期: 2021-11-24 作者: 李东 文章来源:生物能源项目组
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 厌氧消化是国际上公认的有机废弃物资源化利用主流技术,然而,含有高浓度氨氮的沼液处理是我国沼气和生物天然气产业发展的瓶颈。沼液利用和处理方式主要有作为肥料还田利用和当作废水达标处理排放。作为肥料还田利用,需要大量的土地用于种植,且受气候影响较大,最为重要的是,由于我国种养不平衡,很难完全消纳沼液,此时很容易造成二次污染。为了避免二次污染,将沼液当作废水进行生物脱氮处理达标排放不得不作为一种选择。沼液中的氨氮主要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,如果我们采用硝化-反硝化的方式处理沼液,将氨氮转化为氮气又排到大气中,这无疑是一种非常不经济的、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”。如果我们进行饲料化利用,构建“氨氮-蛋白氮”一步法转化的非常经济有效的短流程氮循环,不仅可以避免二次污染,还可以实现资源化利用,延伸沼气和生物天然气的产业链和价值链。这一举措完全符合发改委《关于推进污水资源化利用的指导意见》(发改环资〔202113号)和《“十四五”循环经济发展规划》(发改环资〔2021969号)的文件精神。 

 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李东研究员于2016年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,无需日照和大量土地。项目组首先从自然生境中分离到两株具有自养、异养和混合营养产SCP能力的氢氧化细菌,分别为脱氮副球菌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,能够以葡萄糖等有机碳源和氨氮异养合成SCP,同时,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Y5D6的单细胞蛋白含量为细胞干重的67.34%~73.73%,远远高于大豆的蛋白含量。然而,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/L3.19g/L5.17 g/L 

 为了进一步提高菌体干重浓度,李东研究员团队从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/LC/N6:1,初始pH 5.50条件下通过二次发酵达到总细胞干重(CDW12.58 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/LC/N6:1条件下通过二次发酵达到总细胞干重(CDW9.24 g/L,蛋白质含量39.39%。通过研究还发现,由于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,因此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,不仅促进含硫氨基酸的合成,还通过促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 

 本研究得到中国科学院环境与应用微生物重点实验室、环境微生物四川省重点实验室青年创新团队项目,中国科学院、四川省委组织部“西部之光”西部青年学者项目,中国科学院青年创新促进会,四川省科技计划项目等的支持。研究成果以窦俊伟、张露、周攀为第一作者,李东研究员为通讯作者发表在Appl Biochem BiotechnolPoultry ScienceElectronic Journal of Biotechnology期刊上;同时获得中国发明专利授权,专利号为ZL 201911334463.0ZL 201911334498.4 

 原文链接1 

 原文链接2 

 原文链接3

 ZL 201911334463.0 一株白地霉及用其处理高氨氮沼液产单细胞蛋白的方法 

 ZL 201911334498.4一株蜂蜜酵母及用其处理高氨氮沼液产单细胞蛋白的方法 

  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 


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