最新进展 | 污水变蛋白？荷兰比利时科学家探索下水道到餐桌的创新氮循环技术

2015年5月，比利时根特大学的荣誉教授Willy Verstraete和他的学生Silvio Matassa在著名期刊《Environmental Sciene & Technology》发表一篇文章，文中他们第一次提出“能量变蛋白质”的概念（Power-to-Protein， 简称PtP）。

这个“新”概念背后是污水处理的一种脱氮工艺——将氨氮直接转化成微生物蛋白质，跳过氮气转化这一步，形成一个抄近路的氮循环的升级模式 。理论上，它似乎是挺绿色环保的生产蛋白质的方式，比经典方法耗能更少，还将“废物”转化为高附加值的产品。

四年过去了，这项目进展如何呢？在本期的“学术星期四”专栏里，我们一起来看看吧。

污水变蛋白的脱氮新工艺

这个脱氮工艺的原理是通过吹脱，去除污水中的氨氮，并转化为硫酸铵。在后续的生物反应器里，硫酸铵通过生物合成直接转化为单细胞蛋白（Single cell protein，简称SCP）。

促成这个生物合成的是一群叫氢氧化细菌(Hydrogen-oxidizing bacteria)的微生物，它是一种好氧或兼性的化能无机营养菌(lithoautrophs)。它能用氢气和氧气作为电子供体和受体，快速固定二氧化碳，通过1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)或逆三羧酸循环进行细胞合成。重要的是，吉布斯自由能的理论计算也支持这个反应的自发进行——这个反应会产生大量的能量和生成ATP。

除铵之外，还原性氢氧化细菌使用二氧化碳作为碳源，氢作为能量源，氧作为电子受体。这不都是可以在污水处理厂可以找到的原材料吗？这引起了以Verstraete教授为代表的污水资源回收专家的兴趣！

其实早在上世纪70年代，就已经科学家就开始关注这种细菌，当时它被视作能制造多种产品的细菌，其中就包括微生物单细胞蛋白(SCP)的合成。这种细菌之所以被给予厚望，是因为它在新陈代谢方面超高的灵活性和多功能性——它不仅能在异养和自养模式间轻松切换，而且可以间歇或连续进行。

项目进展

2016年初，他们开展可行性研究，地点选在荷兰的阿姆斯特丹西区污水厂。目标是分析Power-to-Protein的项目跟当地哪些潜在资源需求相匹配，确定其技术和经济可行性，确立最终的研究方向。

初步分析结果显示，污水中蕴含的SCP潜力可观——阿姆斯特丹西区污水厂一年产生的污泥消化液可转化出6300吨SCP，这相当于能满足阿姆斯特丹36%的净蛋白需求。另外他们还对蛋白的营养价值、可消化性、变应原性以及公众接受度进行了初步评估，以求确定高效的氨提取方法。

基于可研结果，他们通过TKI水技术项目申请资助，并和阿姆斯特丹水委会Waternet、垃圾发电公司AEB、水循环研究所KWR等机构合作，筹集了在阿姆斯特丹继续中试实验的资金。

中试工厂有两个地点，一个在阿姆斯特丹西边的Horstermeer污水厂，一个为荷兰东部的Enschede污水厂。设计的反应器体积为400L，产能为1kg蛋白质/天。他们通过用气相转移氨来确保微生物产品的安全性，通过综合测量来确定氮气回收率，生物反应器的表现和产品的微生物可靠性。

到了2019年，我们等来了中试进展报告。结果显示，当前工艺的安全性得到进一步确认——源自污水处理的硫酸铵病原体可以忽略不计。遗憾的是，中试的产能并不理想，反应器每天平均只能生产0.5kg/m³的SCP，远低于预期的1.7kg/m³的水平。这说明目前的生物转化效率还有待提高，设计理念需要进一步优化。

未来计划

尽管听上去进展有所受挫，合作方似乎还没有放弃，今年年初他们再次通过TKI启动了后续项目：他们总结中试的教训，将回过头研究生物反应器的氢转移的基础进程，希望通过加深对原理的认识来改进反应器的设计。毕竟，在安全的前提下，他们还需要显著提高优质蛋白的产量才能使这个美好概念变成经济可行的商品。

如果这个9月你刚好路过荷兰，可以考虑去一趟阿姆斯特丹的NEMO科学博物馆。馆里最近有个"未来食品"(FUTURE FOOD)展，你在那里将体验一段高科技的未来食品之旅，你会看到各种昆虫美食、试管牛肉以及各种新的育种方法。展馆给“POWER to PROTEIN”也安排了展出的空间。10月6日之前大家如果恰好经过，都还来得及去看个热闹。

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