南京农业大学，Nature Water评述！
文摘
2024-11-06 19:30
青海
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南京农业大学邱博诚课题组2人发表见解，他们认为，废污泥升级为食品是一种有前景的方法，可以同时解决环境问题并实现循环经济。一个结合机械化学、电化学和生物催化的混合系统展示了从废污泥合成单细胞蛋白的潜力。污泥是污水处理过程中产生的副产品，浓缩了污水中约30%到50%的污染物和有机物。全球废污泥的年产量高达8000万吨，并呈上升趋势。这一增长带来了对环境完整性和人类健康的重大威胁。传统的污泥处理方法通过焚烧不可避免地释放有毒空气污染物，主要是由于持久性有机污染物的存在，如多环芳烃和多氯联苯。鉴于污水污泥富含碳和氮资源，它作为一种低成本的原料，具有相当大的未开发潜力。因此，将污水污泥升级为有价值的商品化学品在废物管理和资源回收方面具有很大的前景。目前常用的污泥升级方法是厌氧发酵，可以生产短链脂肪酸。然而，污泥中复杂的微生物成分以及高浓度的有害物质（例如重金属和微塑料）显著阻碍了厌氧微生物处理过程的有效性。在《自然水》上，Hu Zhao及其同事建立了一种综合机械-电化-生物系统，以将废污泥升级为单细胞蛋白，获得超过46%的总有机碳（TOC）回收率。在他们的系统中，废污泥首先经过机械化学分解过程（即球磨），以溶解有机物并去除重金属。生物质的内在易损性以及污泥中的高水分促进了大生物聚合物在湿润条件下在碱的存在下的无定形化和解聚，形成水溶性聚合物分子，并实现91.4%的TOC回收率。与此同时，嵌入有机生物基质中的重金属离子被释放，主要以金属氧化物和氢氧化物的形式沉淀。在机械化学处理后，得到的溶液直接送入膜电极组件（MEA）电解槽进行电化学改性。溶解的生物有机物在分层多孔镍阳极上选择性氧化为醋酸，醋酸的最高产率可达37.8%，并伴随阴极水分解以生成绿色氢气。值得注意的是，在阳极氧化过程中，有机氮物种转化为氨和硝酸。前者作为微生物合成蛋白的优质氮源，而后者大多数微生物不利用。为了减少反应后阳极液中的硝酸比率，进行额外的电还原步骤，将剩余的硝酸物种转化为氨，使用铜-镍催化剂。令人印象深刻的是，在硝酸还原反应中，醋酸在铜-镍阴极上保持惰性，这确保了醋酸和氨的共存。这种串联电化学设计为后续的微生物蛋白合成提供了高质量的碳和氮营养物质。得益于醋酸和氨的高选择性，以及所提出的串联电化学系统的广泛电位窗口，利用间歇性太阳能进行大规模电合成醋酸和氨似乎是可行的。因此，五个光伏面板连接到大型MEA（84.6 cm²）上，用于电解生物有机物（每升12克TOC），在工业级电流密度为500
mA cm–2下，实现了43.2%的高醋酸产率。醋酸和氨的持续生产为后续的微生物碳氮固定提供了可持续的原料。紫色非硫细菌（PNSB）可以从污水中提取，通过简单的离心提取收集，然后直接用于单细胞蛋白的生产，而无需分离特定细菌或进行基因改造。特别是在PNSB群落中，Rhodopseudomonas palustris被称为代谢最为多样化的细菌，能够在照明下通过厌氧发酵有效地将醋酸转化为单细胞蛋白，达到超过63%的TOC利用率。结果中鉴定出十六种不同的氨基酸，其中谷氨酸被认为是主要的氨基酸。使用几百升的生物反应器进行单细胞蛋白生产显示出工业应用的良好潜力。总体而言，通过依次结合机械化学处理以溶解生物有机物和去除重金属、电化学改性以生产醋酸和氨，以及微生物发酵以合成蛋白，该混合系统代表了从废污泥中回收碳和氮资源的重要里程碑。尽管高浓度支持电解质对减少阴极和阳极之间的离子电阻是有益的，但这导致醋酸和氨产品暴露在高浓度碱性电解质中。因此，在这些原料进入生物合成之前，需要向废水中引入大量酸以进行中和。鉴于此，未来的研究工作可以集中在开发固体电解质上，以生成可以直接被微生物利用的无电解质原料。展望未来，结合广泛可用的太阳能，这种混合化学-生物合成系统的应用可能使得从废污泥中生产更多食品（如葡萄糖和淀粉）成为可能，从而可能导致食品生产的范式转变。
