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成都生物所在耐碱汉逊德巴利酵母利用高氨氮沼液生产单细胞蛋白研究中获进展
发表日期: 2023-12-04 作者: 刘科匀 文章来源:
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 全球人口的增长和人们生活水平的提高导致对蛋白质食品的需求不断增加。由微生物(如微藻、细菌和真菌)生产的单细胞蛋白(single cell protein,SCP)被认为是传统动植物蛋白饲料的可持续性替代品。碳源和氮源是微生物合成蛋白质所必需的,其费用一般占SCP生产总成本的45-75%。目前许多研究都集中在以工农业废弃物作为SCP生产的碳源,而对氮源的研究欠缺。廉价且高效的氮源是SCP可持续生产的重要一环。 

 沼液,作为厌氧消化的主要副产物,其含有各种氨基酸、挥发酸和氮、磷、钾等元素,其中氨氮(NH4+-N)含量占总氮的60%以上。传统上将沼液作为肥料施用于农田,但沼气工程周边农田土壤承载力有限、易造成二次污染且蛋白获取周期长。沼液可被当作污水进行处理,但成本较高,也是对氮资源的一种浪费,还产生大量污泥。沼液中的高浓度氨氮是一种潜在的廉价氮源,利用微生物将其回收生SCP,可实现氨氮一步转化为蛋白质。中国科学院成都生物研究所生物质能源项目组前期挖掘了大量SCP生产菌,如脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans )和善变副球菌(Paracoccus versutus)、产朊假丝酵母(Candida utilis)、蜂蜜酵母(Nectaromyces rattu)和白地霉(Galactomyces candidum,进行了大量的技术研发,并获得多项授权发明专利。  

 然而由于沼液本身呈碱性,尤其是鸡粪沼液的pH极高,可达到pH 9,发酵系统pH的调节将大大增加生产成本和劳动力。与此同时,发酵效率是该工艺应用的另一个关键因素,其在很大程度上又取决于微生物对碳氮底物的转化率。因此,具有耐碱性和高碳氮转化率的微生物对于提高发酵系统的稳健性、成本效益和生产效率至关重要。  

  1 沼液中氮源的利用途径  

 基于此,研究团队从食物样品中筛选并鉴定了多株耐碱酵母菌,其中汉逊德巴利酵母Debaryomyces hansenii JL8-0可用于回收沼液氨氮高效生产SCP。研究首先评估了JL8-0的生产性能,该菌株在pH 8.52500 mg/L NH4+-N的条件下生长最佳。瓶式条件下,JL8-0的最高细胞生物量达8.44 g/L,蛋白质含量为31.23%。同时,JL8-0能有效利用沼液中的乙酸作为额外碳源,并能耐受大约600 mg/L NH3和至少0.4 M NaCl的添加量。因此,D. hansenii JL8-0是一株耐碱、耐盐和耐氨氮的高效SCP生产菌。为进一步评估该菌株对沼液中碳氮底物的利用程度,研究探究了不同罐压、C/N和接种量对D. hansenii JL8-0罐式发酵的影响,并采用罐式分批补料发酵的方式进行了培养。最终,JL8-0几乎能完全回收沼液中的氨氮,回收率达到97.4%,产生32.21 g/L的细胞生物量,生产率达到0.32 g/L h-1。与其他SCP生产菌相比较,JL8-0SCP的产量、产率和得率方面都表现出优势。鉴于其独特的特征,该研究提出将D. hansenii与其他特征互补的酵母菌共培养以实现沼液向SCP的高效生产,该策略有望成为一项有前景的沼液处理替代技术。该研究获得的D. hansenii JL8-0,其耐碱和耐氨氮特性、高氨氮转化率和高效乙酸利用率,为沼液的资源化利用和未来饲料蛋白的供应提供了优良的菌种资源和前景广阔的工艺。  


2 图文摘要  

 本研究得到国家重点研发项目(2023YFC3905803)、中国内蒙古自治区重点研发项目及科技开发与产业化项目(2023YFDZ0067)、中国科学院"西部之光"项目(2021XBZG_XBQNXZ_A_003)的联合资助。研究结果以《Efficient production of single cell protein from biogas slurry using screened alkali-salt-tolerant Debaryomyces hansenii》为题发表在国际期刊Bioresource Technology上。成都生物研究所生物质能源项目组博士研究生刘科匀和已毕业硕士研究生黄思源为共同第一作者,李家宝副研究员为通讯作者。

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