污水變蛋白？荷比科學(xué)家探索下水道到餐桌的創(chuàng)新氮循環(huán)技術(shù)
來源：奧尼卡水處理創(chuàng)新中心（微信號：Organica_Water）
本文已獲得授權(quán)
2015年5月，比利時根特大學(xué)的榮譽教授Willy Verstraete和他的學(xué)生Silvio Matassa在著名期刊《Environmental Sciene & Technology》發(fā)表一篇文章，文中他們第一次提出“能量變蛋白質(zhì)”的概念（Power-to-Protein， 簡稱PtP）。
這個“新”概念背后是污水處理的一種脫氮工藝——將氨氮直接轉(zhuǎn)化成微生物蛋白質(zhì)，跳過氮氣轉(zhuǎn)化這一步，形成一個抄近路的氮循環(huán)的升級模式 。理論上，它似乎是挺綠色環(huán)保的生產(chǎn)蛋白質(zhì)的方式，比經(jīng)典方法耗能更少，還將“廢物”轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品。
Willy Verstraete對Power-to-Protein概念的講解視頻
四年過去了，這項目進展如何呢？在本期的“學(xué)術(shù)星期四”專欄里，我們一起來看看吧。
奧尼卡水處理創(chuàng)新中心
作者：瓦村農(nóng)夫
污水變蛋白的脫氮新工藝
這個脫氮工藝的原理是通過吹脫，去除污水中的氨氮，并轉(zhuǎn)化為硫酸銨。在后續(xù)的生物反應(yīng)器里，硫酸銨通過生物合成直接轉(zhuǎn)化為單細胞蛋白（Single cell protein，簡稱SCP）。
促成這個生物合成的是一群叫氫氧化細菌(Hydrogen-oxidizing bacteria)的微生物，它是一種好氧或兼性的化能無機營養(yǎng)菌(lithoautrophs)。它能用氫氣和氧氣作為電子供體和受體，快速固定二氧化碳，通過1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)或逆三羧酸循環(huán)進行細胞合成。重要的是，吉布斯自由能的理論計算也支持這個反應(yīng)的自發(fā)進行——這個反應(yīng)會產(chǎn)生大量的能量和生成ATP。
除銨之外，還原性氫氧化細菌使用二氧化碳作為碳源，氫作為能量源，氧作為電子受體。這不都是可以在污水處理廠可以找到的原材料嗎？這引起了以Verstraete教授為代表的污水資源回收專家的興趣！
基于氫氧化細菌的生物精煉廠藍圖 | 圖源：Water Research
其實早在上世紀70年代，就已經(jīng)科學(xué)家就開始關(guān)注這種細菌，當(dāng)時它被視作能制造多種產(chǎn)品的細菌，其中就包括微生物單細胞蛋白(SCP)的合成。這種細菌之所以被給予厚望，是因為它在新陳代謝方面超高的靈活性和多功能性——它不僅能在異養(yǎng)和自養(yǎng)模式間輕松切換，而且可以間歇或連續(xù)進行。
項目進展
2016年初，他們開展可行性研究，地點選在荷蘭的阿姆斯特丹西區(qū)污水廠。目標(biāo)是分析Power-to-Protein的項目跟當(dāng)?shù)啬男撛谫Y源需求相匹配，確定其技術(shù)和經(jīng)濟可行性，確立最終的研究方向。
初步分析結(jié)果顯示，污水中蘊含的SCP潛力可觀——阿姆斯特丹西區(qū)污水廠一年產(chǎn)生的污泥消化液可轉(zhuǎn)化出6300噸SCP，這相當(dāng)于能滿足阿姆斯特丹36%的凈蛋白需求。另外他們還對蛋白的營養(yǎng)價值、可消化性、變應(yīng)原性以及公眾接受度進行了初步評估，以求確定高效的氨提取方法。
阿姆斯特丹污水廠的SCP的可行性分析
基于可研結(jié)果，他們通過TKI水技術(shù)項目申請資助，并和阿姆斯特丹水委會Waternet、垃圾發(fā)電公司AEB、水循環(huán)研究所KWR等機構(gòu)合作，籌集了在阿姆斯特丹繼續(xù)中試實驗的資金。
P-to-P項目的合作機構(gòu)組織
中試工廠有兩個地點，一個在阿姆斯特丹西邊的Horstermeer污水廠，一個為荷蘭東部的Enschede污水廠。設(shè)計的反應(yīng)器體積為400L，產(chǎn)能為1kg蛋白質(zhì)/天。他們通過用氣相轉(zhuǎn)移氨來確保微生物產(chǎn)品的安全性，通過綜合測量來確定氮氣回收率，生物反應(yīng)器的表現(xiàn)和產(chǎn)品的微生物可靠性。
到了2019年，我們等來了中試進展報告。結(jié)果顯示，當(dāng)前工藝的安全性得到進一步確認——源自污水處理的硫酸銨病原體可以忽略不計。遺憾的是，中試的產(chǎn)能并不理想，反應(yīng)器每天平均只能生產(chǎn)0.5kg/m³的SCP，遠低于預(yù)期的1.7kg/m³的水平。這說明目前的生物轉(zhuǎn)化效率還有待提高，設(shè)計理念需要進一步優(yōu)化。
位于Horstermeer污水廠的中試設(shè)備和提取的SCP產(chǎn)品展示 | 圖源：Allied Water
未來計劃
盡管聽上去進展有所受挫，合作方似乎還沒有放棄，今年年初他們再次通過TKI啟動了后續(xù)項目：他們總結(jié)中試的教訓(xùn)，將回過頭研究生物反應(yīng)器的氫轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)進程，希望通過加深對原理的認識來改進反應(yīng)器的設(shè)計。畢竟，在安全的前提下，他們還需要顯著提高優(yōu)質(zhì)蛋白的產(chǎn)量才能使這個美好概念變成經(jīng)濟可行的商品。
PtP位于荷蘭NEMO 博物館的展示柜 | 圖源：PowertoProtein
如果這個9月你剛好路過荷蘭，可以考慮去一趟阿姆斯特丹的NEMO科學(xué)博物館。館里最近有個"未來食品"(FUTURE FOOD)展，你在那里將體驗一段高科技的未來食品之旅，你會看到各種昆蟲美食、試管牛肉以及各種新的育種方法。展館給“POWER to PROTEIN”也安排了展出的空間。10月6日之前大家如果恰好經(jīng)過，都還來得及去看個熱鬧。
參考資料
1.https://www.powertoprotein.eu/
2.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004313541400726X?via%3Dihub
3.https://www.alliedwaters.com/news/power-to-protein-safe-protein-production-from-wastewater/
4.http://edepot.wur.nl/441213
【奧尼卡水處理創(chuàng)新中心】
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