🧬 生物学

Biogas biodesulfurization and simultaneous valorization into high–value bioproducts by Rhodopseudomonas telluris

本研究表明，*Rhodopseudomonas telluris* 能通过完全氧化作用有效去除沼气中的硫化氢，同时产生包括类胡萝卜素、细菌叶绿素和聚羟基丁酸酯在内的高价值生物产品，从而为沼气净化提供了一种可持续的循环经济解决方案。

原作者： Sergio Cisneros de la Cueva, Virginia Montiel Corona, Francisco Javier Choix Ley, Cesar Soto Figueroa, Iván Salmerón Ochoa, Yuhe Cao

发布于 2026-10-28

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CC BY 4.0

原作者： Sergio Cisneros de la Cueva, Virginia Montiel Corona, Francisco Javier Choix Ley, Cesar Soto Figueroa, Iván Salmerón Ochoa, Yuhe Cao

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ⚕️ 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。阅读完整免责声明

生物气是一种可再生燃料，是由细菌在缺氧环境下分解有机废弃物（如食物残渣或粪便）而产生的。它是一种极具前景的能源，因为它捕捉了强效温室气体甲烷，并将其转化为有用的东西。然而，该过程产生的原始气体通常含有大量的硫化氢，这是一种具有毒性和腐蚀性的气体，闻起来有臭鸡蛋的味道。这种杂质不仅危害人类健康，还会损坏用于燃烧燃料的金属管道和发动机，并破坏能源的质量。传统上，去除这种硫磺需要使用严苛的化学物质或昂贵的过滤器，而这些方法本身也会产生废物问题。科学家们长期以来一直在寻找一种更温和的生物方式来净化这种气体，希望找到一种能够“吃掉”这种毒素并将其转化为无害甚至有价值物质的微生物。

在最近的一项研究中，研究人员探讨了一种被称为 Rhodopseudomonas telluris 的特定紫色细菌是否能够完成这项双重任务。这些细菌天然存在于废水池塘等环境中，具有利用光能的同时消耗硫化合物的独特能力。研究团队试图观察是否可以训练这种微生物来清除生物气中的硫化氢，并在这一过程中生产有用的生物材料。其目标不仅仅是净化气体，还要看这些细菌能否将废弃的硫转化为高价值产品，如色素和生物可降解塑料，从而有效地将污染物转化为资源。

研究人员首先分离出一种细菌菌株并在实验室环境中进行培养。他们将微生物置于装有营养液的容器中，然后引入含有硫化氢的小剂量、受控脉冲式的生物气。实验持续运行了近两周，期间团队仔细监测了气体水平、液体酸度和细菌培养物的健康状况。他们发现，这些细菌确实能够摄取硫化氢。在整个实验过程中，该培养物共清除了约 2,917 ppm 的气体。这并非微不足道的量；它代表了所供应总硫含量的约 35%，证明了细菌是在积极代谢这种毒素，而非其仅仅消失或粘附在容器壁上。

在细菌消耗硫磺的过程中，它们并不只是将其破坏，而是对其进行了转化。研究检测到液体中出现了显著的硫酸盐积累，这表明细菌已将硫化氢完全氧化。这一过程至关重要，因为硫酸盐是一种稳定、无毒的硫形式，不会腐蚀设备或破坏环境。当液体保持在略微酸性至中性的状态（具体而言是在 pH 值 6.0 到 7.0 之间）时，细菌生长得最好。当环境变得过酸，即 pH 值降至 5.5 以下时，细菌生长会减慢并最终停止，这表明维持正确的化学平衡是保持过程高效运行的关键。

在净化气体的同时，细菌也在构建有价值的内部结构方面发挥作用。培养物呈现出深红色，这是微生物正在产生类胡萝卜素和细菌叶绿素的视觉标志。这些是天然色素，有助于细菌捕获光能并保护自身免受损伤。研究人员测量了这些色素，发现它们在大量积累，其中类胡萝卜素的含量达到了每克生物量约 1.06 毫克的水平。这非常值得注意，因为这些色素常被用于食品着色、化妆品和健康补充剂。此外，细菌还产生了聚羟基丁酸酯（一种生物可降解塑料），细胞将其作为能量储备。这种物质的浓度超过了每升 200 毫克，证明该过程可以产出能够替代石油基塑料的材料。

研究还密切观察了这种生物清理的速度和极限。细菌以稳定的速度生长，最大生长率达到每小时 0.2。研究人员确定，在硫化氢浓度达到约 4,600 ppm 之前，细菌仍能处理该气体，否则气体本身会对细胞产生毒性。有趣的是，即使硫酸盐的水平上升到接近 337 毫克/升，其积累似乎并未对细菌造成中毒。这表明该过程的主要挑战不是废物本身，而是随硫气产生的酸度。团队使用数学模型来描述细菌的生长和气体消耗情况，发现他们的预测与现实世界的结果高度吻合，这增强了数据的可靠性。

最终，这项研究强调了符合循环经济概念（即废物被不断重复利用）的生物气生产新路径。通过使用 Rhodopseudomonas telluris，人们可以在产生可再生燃料的同时去除危险污染物，并同步生成色素和生物塑料。研究证实，只要将环境控制在正确的化学限度内，这种特定的细菌是此类系统的有力竞争者。尽管由于酸度增加，实验过程中的效率有所下降，但结果证明了这种生物机制是行之有效的。细菌成功地将有毒气体转化为无害的硫酸盐和有价值的生物产品，展示了自然界的工具如何有望解决我们目前面临的一些棘手的工业难题。

技术摘要：利用 Rhodopseudomonas telluris 进行生物气脱硫与增值化研究

问题陈述
硫化氢（ $H_2S$ ）是厌氧消化过程中产生的有毒、具有腐蚀性且带有恶臭的副产物，其在生物气中的浓度通常为 700–2000 ppm。它的存在不仅对人体健康构成风险，还会导致设备腐蚀，因此在生物气利用前必须进行去除。虽然目前存在物理化学脱硫方法，但这些方法往往面临高能耗、高化学成本和产生废弃物等问题。生物脱硫提供了一种更可持续的替代方案，然而目前的商业化进程受到技术限制。具体而言，需要评估那些不仅能够去除 $H_2S$ ，还能在循环经济框架内将其转化为高价值生物产品的微生物。

研究方法
本研究评估了紫色的非硫细菌（PNSB）Rhodopseudomonas telluris 氧化生物气中 $H_2S$ 并同时生产高价值化合物的代谢能力。

菌株与鉴定： 该菌株分离自墨西哥的一个废水池，通过革兰氏染色（革兰氏阴性、运动性杆菌）及 16S rRNA 系统发育分析进行了确认，结果显示其与 R. telluris (MW010429.1) 具有高度亲缘关系。
实验设置： 实验采用半连续模式，使用含有改良矿物培养基（省略了乙酸盐和酵母提取物以强制执行光能自养条件）的 300 mL 培养瓶。接种量为 20% (v/v)，并以 2 mL/min 的流速每 24 小时供应一次来自厌氧共消化过程的生物气，持续时间为 312 小时。
条件： 培养物维持在 35°C、1500 lux 光照强度和 150 rpm 搅拌条件下。对 pH 值和氧化还原电位（ORP）进行了监测。
分析测量：
- 使用便携式多气体检测仪测量 $H_2S$ 去除情况。
- 通过浊度法对硫酸盐产量进行定量。
- 通过光密度（OD630）追踪生物量生长。
- 使用分光光度法提取并定量高价值产物（类胡萝卜素、细菌叶绿素和聚羟基丁酸酯 [PHB]）。
建模： $H_2S$ 去除动力学数据拟合至修正的 Gompertz 模型。微生物生长动力学采用包含底物抑制和产物抑制项的修正 Monod 方程进行建模。

关键结果

生物脱硫性能： R. telluris 展示了显著的 $H_2S$ 氧化代谢能力。该菌株实现了 2917.36 ± 38.77 ppm 的最大累积去除量，代表了所供给总 $H_2S$ 的约 35%。最大去除速率为 28.0 ± 0.28 ppm h⁻¹，迟滞期为 66.44 小时。非生物对照组的去除量微乎其微（<0.4%），证实了该过程的生物学特性。
代谢途径与硫酸盐生成： 检测到硫酸盐含量为 336.80 ± 7.21 mg L⁻¹，证实了 $H_2S$ 被完全氧化为硫酸盐，表明了硫氧化酶系统（如硫化物-醌氧化还原酶和 SOX 系统）的活性。
最佳操作条件： 研究确定了最大生长和去除效率的最佳 pH 范围为 6.0–7.0，以及最佳 ORP 范围为 -162.6 至 -132.3 mV。在 168 小时后，培养基酸化（pH 降至约 5.0）与生物量和去除效率的下降相关联。
动力学参数： 修正的 Monod 模型估算出最大比生长速率 ( $\mu_{max}$ ) 为 0.20 ± 0.01 h⁻¹。底物饱和常数 ( $K_s$ ) 为 3047.48 ppm， $H_2S$ 的抑制常数 ( $K_i$ ) 为 4632.74 ppm。硫酸盐的临界产物浓度 ( $P_{CRIT}$ ) 为 338.57 ppm；由于最终硫酸盐水平接近此阈值但并未显著超过，因此硫酸盐积累并非生长的主要抑制因素。
增值化（高价值产物）： 在使用生物气的光能自养条件下，该菌株积累了：
- 类胡萝卜素： 最大浓度为 1.06 ± 7.64E⁻⁰² mg g⁻¹。
- 细菌叶绿素： 最大浓度为 0.43 ± 1.29E⁻⁰² mg g⁻¹。
- 聚羟基丁酸酯 (PHB)： 在 192 小时达到最大浓度 200.69 ± 9.78 mg L⁻¹。
- 这些化合物的产生与生物量生长及 $H_2S$ 去除速率相关。PHB 的积累在 $H_2S$ 去除率趋于渐近阶段时达到顶峰，表明其作为一种瞬时碳储备的作用。

意义与主张
论文得出结论，Rhodopseudomonas telluris 具备作为生物催化剂进行生物气净化并同时产生高价值生物产品的代谢多样性。研究证实，该菌株可以利用 $H_2S$ 作为电子供体、 $CO_2$ 作为碳源进行光能自养生长，从而有效地去除有毒气体并生产色素和可生物降解聚合物（PHB）。

作者断言，这些发现支持了将 R. telluris 用于符合循环经济框架的生物气净化工艺中的潜力。通过将废物污染物（ $H_2S$ ）转化为有价值的化学品（色素和 PHB），该过程兼顾了环境修复与经济可行性。研究也审慎地指出，尽管该菌株表现出巨大潜力，但由于培养基酸化导致的效率下降凸显了进行过程优化（如 pH 控制）的必要性，以充分实现其商业应用。该研究并非声称已达到工业化就绪状态，而是建立了进行未来开发所需的根本代谢能力和动力学参数。

技术摘要：利用 Rhodopseudomonas telluris 进行生物气脱硫与增值化研究

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