无需日照和大量土地的单细胞蛋白饲料来了!

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日期:2021-11-28 06:42:08    来源:成都商报电子版    

无需日照和大量土地的单细胞蛋白饲料来了!

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含有高浓度氨氮的沼液处理是我国沼气和生物天然气产业发展的瓶颈。但在科学家的“魔法”下,这一难题正在被破解。

近日,中国科学院成都生物研究所公布其在沼液生产单细胞蛋白饲料研究项目上获得新进展——

利用沼液氨氮生产微生物单细胞蛋白饲料的利用途径和技术路线,可以将高浓度氨氮的沼液转化为微生物单细胞蛋白饲料供养殖使用。在避免二次污染的同时,实现沼液氨氮的高值生物转化利用。

这一研究成果,在“碳中和”的语境下,尤其具有现实意义。

谈意义 /

构建“氨氮-蛋白氮”一步法转化氮循环

延伸沼气和生物天然气的产业链和价值链

中国科学院成都生物研究所生物质能源项目组李东研究员是该项目的负责人。

他提到,近年来,厌氧消化技术,也称沼气发酵技术,已经被广泛用于处理畜禽养殖粪污、餐厨垃圾、工业有机废水废渣,是国际上公认的有机废弃物资源化利用主流技术。然而,在生产清洁能源(生物燃气或生物天然气)的同时,会产生大量的高氨氮沼液。

当前,沼液利用和处理方式主要有作为肥料还田利用和当作废水达标处理排放。

李东提到,沼液作为液体肥还田虽是一种不错的选择,但需要大量的土地用于种植,且受气候影响较大。最重要的是,由于我国种养不平衡,生物燃气工程周边土地有限,很难完全消纳沼液,当沼液的施用超过土地的承载能力时,就是一种污染物,会污染水体,很容易造成二次污染。加之沼液肥效较低,运输成本较高,所以作为肥料还田利用,在实践中较为困难。

为了避免二次污染,将沼液当作废水进行生物脱氮处理达标排放,是一种不得已的选择。

李东介绍,目前高氨氮沼液的处理采用的是传统物化法、生物法等污水处理工艺,这些工艺均是通过“硝化-反硝化”生物过程将氨氮转化为氮气排放到大气中。

实际上,沼液中的氨氮主要来自于有机废弃物中的蛋白氮,蛋白氮来自于种植阶段使用的肥料氮,而肥料氮是合成氨厂花费大量天然气能源将空气中的氮气转化得到的氮化合物。“在自然界中,氨氮是一种经过生物固氮得到的宝贵氮资源,如果我们采用‘硝化-反硝化’的方式处理沼液,将氨氮转化为氮气又排到大气中,这无疑是一种非常不经济,甚至是无用的冗余氮循环。”

在此现实背景下,李东提出:“如果我们进行饲料化利用,构建‘氨氮-蛋白氮’一步法转化的非常经济有效的短流程氮循环,不仅可以避免二次污染,还可以实现资源化利用,延伸沼气和生物天然气的产业链和价值链。”

谈进展 /

近期将开展中试

未来有望落地大规模应用

为了实现沼液氨氮的高值生物转化利用,李东于2016年提出沼液氨氮生产单细胞蛋白饲料的利用途径和技术路径。

李东研究员团队首先从大豆根际土壤、鱼塘废水、沼液中分离到两株具有自养、异养和混合营养产单细胞蛋白能力的氢氧化细菌,分别为脱氮副球菌Paracoccus.denitrificans Y5和善变副球菌Paracoccus.versutus D6。这两株氢氧化细菌具有独特的代谢特点,能够以葡萄糖等有机碳源和氨氮异养合成单细胞蛋白,同时,在提供还原力氢气的条件下能够以二氧化碳为无机碳源和氨氮自养合成单细胞蛋白。菌株Y5和D6的单细胞蛋白含量为细胞干重的67.34%~73.73%,远远高于大豆的蛋白含量,且Y5的蛋白具有比大豆蛋白更丰富的氨基酸组成。

“该研究为沼液的高值化利用提供更多选择。”李东表示,当沼液中化学需氧量浓度较高时,可进行异养培养,利用氨氮生产单细胞蛋白;当沼液中化学需氧量浓度较低时,可进行自养培养,利用沼气或者利用尾气产生的二氧化碳和氨氮生产单细胞蛋白,助力“碳中和”目标实现。

然而,氢氧化细菌的细胞生物质(菌体干重)浓度较低。为了进一步提高菌体干重浓度,李东研究员团队从10余株酵母中筛选出两株能够耐受鸡粪沼液且高效利用沼液氨氮生产单细胞蛋白的菌株,分别为蜂蜜酵母(Nectaromyces rattu)和白地霉(Galactomycescandidum)。

通过实验发现,在相同条件下,通过蜂蜜酵母二次发酵,可达到总细胞干重(CDW)12.58g/L,蛋白质含量35.96%;通过白地霉二次发酵,可达到总细胞干重(CDW)9.24g/L,蛋白质含量39.39%。

此外,项目组通过研究还发现,由于有机废弃物中的硫元素在厌氧消化过程中转变为硫化氢随着沼气流失,因此这两种酵母单细胞蛋白中缺乏半胱氨酸和甲硫氨酸等含硫氨基酸。项目组通过添加硫酸盐,不仅促进含硫氨基酸的合成,还通过促进谷氨酸和谷氨酰胺的合成显著提高蛋白质含量,总氨基酸含量从38.6g/100g提高到53.2g/100g。

与植物源蛋白饲料相比,通过该生物技术处理高浓度氨氮的沼液所得的微生物单细胞蛋白具有较快的合成速率,且无需日照和大量土地,同时可以利用废弃碳源(例如酿酒黄水、糖蜜、淀粉废水等),生产成本也更低。微生物单细胞蛋白饲料可供养殖使用,比如水产养殖。

李东透露,目前,该项目正处于小试阶段,近期将开展中试,未来有望落地大规模应用。

成都商报-红星新闻记者 彭祥萍

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