王翠翠，盧海鳳，張光明，司哺春，蔣偉忠

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)三亞研究院，海南三亞 572025； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083； 4.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300131）

自活性污泥法發(fā)明以來100 多年的歷史中，水處理技術(shù)在維護人類公共衛(wèi)生需求、生存與發(fā)展方面做出了巨大的貢獻。廢水中含有大量的碳、氮、磷等物質(zhì)，是放錯地方的資源。隨著世界范圍內(nèi)水資源、能源與其他資源的短缺，從廢水中產(chǎn)出資源產(chǎn)品逐漸成為開展資源循環(huán)利用、實現(xiàn)社會可持續(xù)性發(fā)展的需求與趨勢。例如，P. L. MCCARTY 等〔1〕通過厭氧消化技術(shù)從廢水中捕獲更多的能源物質(zhì)用于生產(chǎn)生物燃料，B. E. LOGAN 等〔2〕利用微生物燃料電池技術(shù)將廢水中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能與化學(xué)品。

光合細菌（Photosynthetic bacteria，PSB）污水資源化技術(shù)可以在實現(xiàn)廢水中污染物去除的同時產(chǎn)出高值產(chǎn)品。PSB 是一類古老的原核微生物，能在厭氧光照、好氧光照、好氧黑暗的條件下利用自然界中的有機物、硫化物、氨等作為供氫體或碳源進行生長繁殖〔3〕。PSB 的生理特性、代謝特征多樣化，且具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。前期研究表明，PSB 具有較強的凈水功能，可高效降解廢水中的污染物〔3-5〕。目前已有關(guān)于利用PSB 處理市政、畜禽養(yǎng)殖、大豆加工、糖蜜及釀酒廢水等的研究，其對COD 的去除率可達70%~96%〔5-6〕。另外，PSB 菌體無毒且含有大量豐富的高價值物質(zhì)〔7〕，如蛋白質(zhì)（質(zhì)量分數(shù)高達60%）、色素〔8〕、輔酶Q10（CoQ10）〔9〕等，已有研究從廢水中生產(chǎn)色素、蛋白質(zhì)、5-氨基乙酰丙酸、CoQ10等物質(zhì)〔7，10〕。因此，利用PSB 處理高濃度有機廢水可在實現(xiàn)廢水處理的同時實現(xiàn)資源的升級和循環(huán)利用，是廢水資源化的有效途徑與技術(shù)，具有較高的應(yīng)用價值及廣闊的應(yīng)用前景。菌體與高價值物質(zhì)的產(chǎn)量是該技術(shù)未來商業(yè)化推廣應(yīng)用的重要衡量指標。

光是PSB 生長的重要影響因素，是PSB 的能量來源。合適的光照條件可促進PSB 菌體及高價值產(chǎn)物的累積并提高廢水處理效果。通常，供光特性需要與PSB 光合作用單位的結(jié)構(gòu)生理特征相匹配。紅外光可能是促進PSB 菌體與高值產(chǎn)物累積的重要光條件。PSB 含有兩種不同的捕光色素蛋白天線復(fù)合物（LH1 與LH2）〔11-12〕，其由1 個或2 個光化學(xué)反應(yīng)中心組成〔13〕，包括光捕獲系統(tǒng)和外周復(fù)合物〔14〕，這些反應(yīng)中心可以促進光能有效轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷（ATP）。其中，LH1、LH2 分別在875 nm 與800~850 nm 處有最大吸收峰〔15〕，處于近紅外光短波長（780~1 100 nm）范疇。另外，PSB 的主要吸光色素為菌綠素（Bacteriochlorophyll，BChl）和類胡蘿卜素〔16〕，吸收波長范圍分別為715~1 050 nm 和450~550 nm〔17〕，可吸收的光譜范圍較寬。因此，近紅外光在理論上可以驅(qū)動PSB 進行光合作用，在低能量供應(yīng)下獲得較高的生物量，具有節(jié)能的經(jīng)濟潛力。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者分別開展了近紅外光對PSB 菌體生長、生物制氫、水體凈化和高價值物質(zhì)生產(chǎn)方面影響的研究。目前，已有研究證明，近紅外光在一定程度上可以促進PSB 菌體生長〔18-19〕、產(chǎn)氫〔20〕、去除污染物〔18，21〕等。例如，Qin ZHOU 等〔22〕研究發(fā)現(xiàn)，相比其他波長的光，紅外光可明顯提高紅假單胞菌（Rhodopseudomonas）的菌體產(chǎn)量；C. I. MONROY等〔20〕研究發(fā)現(xiàn)，700 nm 波長下，莢膜紅桿菌（Rhodobacter capsulatus）能獲得最高氫產(chǎn)量。然而，上述研究均在有光背景下開展，即或是自然光+紅外光，或是自然光+人工光，這對在自然光供應(yīng)不便的場景下（例如低緯度地區(qū)或者黑夜等）開展PSB 污水資源化技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生一定工藝與經(jīng)濟方面的制約。因此，有必要開展PSB 是否能夠單獨利用近紅外光作為光能進行生長、可見光與近紅外光聯(lián)合作用是否可提高PSB 污水資源化效果等紅外光使用條件的進一步研究，為優(yōu)化PSB 污水資源化工藝并降低運行成本提供新思路。

1 材料與方法

1.1 供試菌種

本研究采用沼澤紅假單胞菌（R. palustris）為供試菌種，該菌種購自商城北納創(chuàng)聯(lián)生物科技有限公司。先將R. palustris 在光照培養(yǎng)箱中進行恒溫（30 ℃）光照厭氧培養(yǎng)，其光照強度設(shè)為60 μmol/（m2·s），之后采用經(jīng)高壓蒸汽滅菌（121 ℃，20 min）后的Van niel’s yeast培養(yǎng)基〔23〕將其培養(yǎng)至對數(shù)生長期（60 h），再將對數(shù)生長期的R. palustris 接種于廢水中供實驗使用。

1.2 實驗廢水

實驗采用人工配制的糖蜜廢水（以下簡稱廢水）為培養(yǎng)液，參考實際糖蜜廢水相應(yīng)指標設(shè)定廢水初始COD、NH4+-N、TP 分別為4 000、250、60 mg/L，初始pH=7.0。廢水配制成分見表1。

表1 人工糖蜜廢水配制成分Table 1 Composition of artificial molasses wastewater

1.3 光源

采用近紅外燈與白熾燈作為光源開展實驗?；贐Chl 的吸收波長〔24〕和R. palustris完整的吸收光譜〔25〕進行光波長的選擇，并據(jù)此選擇紅外燈。其中近紅外燈由光波長為850 nm 的紅外LED、適配驅(qū)動電源、散熱器、插頭線和風(fēng)扇電源組裝而成，功率為20 W，購自深圳市西意電子商務(wù)有限公司；白熾燈光波為全光譜波長，功率為60 W，購自佛山市順德區(qū)冠迪電器實業(yè)有限公司。

1.4 實驗設(shè)計

實驗所用反應(yīng)器為250 mL 錐形瓶，工作體積為200 mL。菌體接種初始OD660為0.60，控制光源與反應(yīng)器的距離為20 cm，培養(yǎng)時間為120 h，培養(yǎng)方式為序批式，培養(yǎng)條件為光照厭氧，此條件下，采用單因素實驗，以光質(zhì)為單一變量，探究不同光照組合條件對生物質(zhì)累積，污染物去除，色素、蛋白質(zhì)及CoQ10濃度的影響，實驗設(shè)計如表2 所示，其中DK 和DIR 兩組對比可探究近紅外光單獨作用效果，NIR和NK 兩組對比可探究自然光背景條件與近紅外光聯(lián)合作用的效果，WNIR 和WN 兩組對比可探究在白熾燈照射（人工光強化）下近紅外光可能的疊加作用效果。

表2 實驗設(shè)計Table 2 Experimental design

1.5 分析方法

每24 h 從各反應(yīng)器中取出菌液8 mL，將菌液放置在高速離心機（JW-2017H，Sigma 公司，德國）中以6 000 r/min 轉(zhuǎn)速離心。分別采用干重-光密度（OD660）法、紫外分光光度法、紫外分光光度法、Lowry 法試劑盒、比色法試劑盒測定所獲得菌泥的生物量（B）、BChl濃度、胡蘿卜素濃度、蛋白質(zhì)濃度、CoQ10濃度；參照《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》（GB 11914—1989）測定上清液的COD，采用納氏試劑法測定上清液的NH4+-N。

采用干重-光密度（OD660）法對菌體生物量（以干重計，以下同）進行檢測時，OD660與菌體生物量的擬合公式見式（1），其R2=0.997 4。菌體生物質(zhì)最高平均日產(chǎn)量的計算見式（2）。

式中：B——菌體生物量，mg/L；

Bmax——菌體最高生物量，mg/L；

B0——菌體初始生物量，mg/L；

t——達到最高生物量的時間，d。

菌體產(chǎn)率〔5〕、蛋白質(zhì)產(chǎn)率〔26〕分別代表廢水中碳、氮元素的轉(zhuǎn)化效率，二者計算公式分別見式（3）、式（4）。

式中：c0a、c72a——0、72 h 的菌體質(zhì)量濃度，mg/L；

C0、C72——0、72 h 的COD，mg/L；

c0b、c72b——0、72 h 的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；

N0、N72——0、72 h 的NH4+-N，mg/L。

每個實驗組分別設(shè)置3 個平行實驗，所有指標數(shù)值均取3 個平行實驗的平均值。同時使用IBM SPSS 27.0 中的單因素方差分析（ANOVA）分析實驗結(jié)果（p<0.05），并使用Origin 2022 作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同光照組合對R. palustris 生物量的影響

PSB 菌體無毒且含有大量的高價值營養(yǎng)物〔7〕，可用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的作物促生，用作水產(chǎn)養(yǎng)殖魚蝦的開口餌料、食品加工行業(yè)的營養(yǎng)及色素添加劑等〔27-28〕，因此PSB 菌體產(chǎn)量是PSB 資源化利用的重要指標。圖1 所示為不同光照組合條件下R. palustris生物量隨時間的變化情況及生物質(zhì)平均日產(chǎn)量。

圖1 不同光照組合條件下R. palustris 生物量隨時間的變化及其最高平均日產(chǎn)量Fig.1 Biomass changes of R. palustris with time and biomass maximum average daily yield under different light combinations

由圖1（a）可知，使用近紅外光的實驗組（DIR、WNIR、NIR）最高生物量均分別顯著高于對標的未使用近紅外光（DK、WN、NK）實驗組的最高生物量，這表明近紅外光有利于R. palustris累積生物質(zhì)。其中，DIR 組最高生物量（1 156.22 mg/L）比DK 組（637.58 mg/L）提高了81.35%（p=0.000），WNIR 組最高生物量（1 227.41 mg/L）比WN 組（835.16 mg/L）提高了44.49%（p=0.001），NIR 組最高生物量（847.51 mg/L）比NK 組（704.55 mg/L）提高了20.29%（p=0.025）。李家洲等〔29〕研究發(fā)現(xiàn)，相比可見光，近紅外光對PSB的生長有明顯促進作用，其可將生物量提高45%以上；T. HüLSEN 等〔30〕研究發(fā)現(xiàn)，近紅外燈可以用于PSB 的富集和培養(yǎng)；Xiang QI 等〔18〕研究則證明，波長850 nm 的單色近紅外光最有利于R. palustris累積生物質(zhì)，較采用940 nm 的近紅外光時生物量提高42%。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果基本一致。

由圖1（a）還可知，DIR 組的R. palustris指數(shù)增長期最短（48 h），且生物量較高，具有節(jié)能潛力。雖然WNIR 組最高生物量略高于DIR，但兩者差異不顯著，且WNIR 指數(shù)增長期為72 h。因此，DIR 條件更有利于生產(chǎn)R. palustris。

另外，由圖1（b）可知，近紅外光顯著提高了R.palustris的最高平均日產(chǎn)量。近紅外光實驗組（DIR、WNIR、NIR）生物質(zhì)的最高平均日產(chǎn)量均分別高于未使用近紅外光的實驗組（DK、WN、NK）相應(yīng)數(shù)據(jù)。其中DIR 組〔296.90 mg/（L·d）〕、NIR 組〔194.00 mg/（L·d）〕以及WNIR 組〔313.72 mg/（L·d）〕的菌體最高平均日產(chǎn)量分別比DK 組〔93.01 mg/（L·d）〕、NK 組〔146.34 mg/（L·d）〕以及WN 組〔189.88 mg/（L·d）〕高219.21%（p=0.000）、32.57%（p=0.045）以及65.22%（p=0.000）。DIR 組與WNIR 組菌體最高平均日產(chǎn)量差異不顯著（p=0.788），說明近紅外光單獨作用與自然光+近紅外光+白熾燈共同作用效果相似，均有利于菌體的生長與累積，這為低緯度地區(qū)或者自然日照不充足地區(qū)的PSB 的生產(chǎn)及其廢水資源化在工藝運行方面提供了新的思路。

2.2 不同光照組合對R. palustris 累積高價值產(chǎn)物的影響

2.2.1 對累積R. palustris類胡蘿卜素的影響

類胡蘿卜素是PSB 重要的光合作用功能單位〔12，31-33〕，在PSB 生長過程中發(fā)揮著重要作用。另外，類胡蘿卜素在抗氧化、增強免疫、細胞增殖和分化等方面具有重要作用，被廣泛用于食品加工、醫(yī)藥保健等行業(yè)。圖2 所示為不同光照組合條件下R.palustris類胡蘿卜素產(chǎn)量隨時間的變化。

圖2 不同光照組合條件下R. palustris 類胡蘿卜素產(chǎn)量隨時間的變化Fig.2 Carotenoid production changes of R.palustris with time under different light combinations

圖2（a）表明，近紅外光單獨作用組（DIR 組）中類胡蘿卜素質(zhì)量濃度在各時間點都顯著高于其他條件下，在第72 小時達到最高值（5.48 mg/L），比DK 組（2.78 mg/L）提高了97.12%（p=0.000）。從生產(chǎn)的角度看，DIR 組的類胡蘿卜素質(zhì)量濃度比其余組高22%~97%，是最佳的生產(chǎn)工藝條件。

LH1 和LH2 是PSB 的主要捕光天線復(fù)合物〔11-14〕，光吸收波長分別為875 nm 和800~850 nm。理論研究表明，光合作用的發(fā)生依賴捕光天線復(fù)合物的產(chǎn)生及其信息和能量傳遞作用〔32，34-35〕。由圖2（a）可知，近紅外光單獨作用下可獲得最高的類胡蘿卜素濃度，這可能是由于近紅外光促進了大量捕光天線復(fù)合物的合成，導(dǎo)致R. palustris可以吸收更多的近紅外光快速生長，從而獲得較高的類胡蘿卜素濃度。由圖2（b）可知，各實驗組干菌體中類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)差異不顯著。S. CHITAPORNPAN 等〔36〕利用食品工業(yè)廢水在近紅外光波段（紅外IR-2880 投射濾光片）培養(yǎng)光合細菌群落的連續(xù)實驗中得到了含量穩(wěn)定的類胡蘿卜素，這與本研究結(jié)果類似。

2.2.2 對累積R. palustrisBChl 的影響

BChl 作為PSB 的主要捕光色素之一，是PSB 生長和代謝中捕獲光能并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的關(guān)鍵單元〔12，15，17，37〕。圖3 所示為不同光照組合條件下R.palustrisBChl 產(chǎn)量隨時間的變化。

圖3 不同光照組合條件下R.palustris BChl產(chǎn)量隨時間的變化Fig.3 BChl production changes of R.palustris with time under different light combinations

圖3表明，在黑暗或者弱光源下，使用近紅外光可提高R. palustrisBChl質(zhì)量濃度，而在外加人工白熾燈的全光譜強化照射（人工光強3 000 Lux）與弱自然光并存時，使用紅外光源反而不利于BChl 的累積。如圖3（a）所示，最高BChl 質(zhì)量濃度出現(xiàn)在DIR 組，為44.00 mg/L，比DK 組顯著提高了131.58%（p=0.000）。在弱自然光（800 Lux）條件下使用近紅外光（NIR 組），BChl最高質(zhì)量濃度為33.46 mg/L，比未使用近紅外光（NK 組）顯著提高了39.36%（p=0.002）。但使用了近紅外光的WNIR 組卻較未使用近紅外光的WN 組BChl最高質(zhì)量濃度有所下降。

由圖3 還可知，DIR 和WN 組的最高BChl 質(zhì)量濃度及達到最高質(zhì)量濃度后干菌體中BChl 質(zhì)量分數(shù)〔圖3（b）〕均無顯著性差異（p=0.179）。因此，結(jié)合能耗情況，黑暗+近紅外光條件可作為R. palustris生產(chǎn)BChl 的最佳條件。

BChl 作為光化學(xué)反應(yīng)的主要色素，其含量與活性可影響PSB 的生長代謝過程。BChl 主要存在于光合作用中心的LH1 和LH2 中，其吸收波長為800、820~860、875~890 nm〔24〕，與近紅外光范圍一致，這可能就是在紅外光下觀察到在無外加光或者較弱的外加光條件下，BChl 最高質(zhì)量濃度比相同條件下無紅外光組高的原因。在WNIR 組中，白熾燈與紅外燈共同作用，有可能導(dǎo)致光能過剩，對PSB 的光合作用系統(tǒng)產(chǎn)生了破壞或者抑制作用，進而致使BChl 含量下降〔38-39〕。

類胡蘿卜素和BChl 的產(chǎn)生對PSB 的能量代謝反應(yīng)至關(guān)重要，其合成主要受一系列關(guān)鍵功能基因和相應(yīng)酶的調(diào)控〔40〕。Siwei YU 等〔19〕探索了不同光源對Rb. sphaeroides生產(chǎn)色素的影響，發(fā)現(xiàn)近紅外光條件下其所獲得色素質(zhì)量濃度最高〔ρ（BChl）+ρ（類胡蘿卜素）=22.6 mg/L〕，而在本研究中，亦是近紅外光條件下所獲得的色素質(zhì)量濃度最高〔ρ（BChl）=44.00 mg/L，ρ（類胡蘿卜素）=5.48 mg/L〕，進一步證明了近紅外光更有利于菌體色素的合成。

2.2.3 對累積R. palustris蛋白質(zhì)的影響

PSB 菌體蛋白質(zhì)含量較高，氨基酸組分齊全，是一種高價值產(chǎn)物〔19，41〕。圖4 所示為不同光照條件下R. palustris蛋白質(zhì)產(chǎn)量隨時間的變化。

圖4 不同光照條件下R. palustris 蛋白質(zhì)產(chǎn)量隨時間的變化Fig.4 Protein production changes of R.palustris with time under different light combinations

由圖4（a）可知，不同光照組合條件下，蛋白質(zhì)最高質(zhì)量濃度由高到低的排序為WNIR（790.76 mg/L）>WN（530.13 mg/L）>DIR（516.54 mg/L）>NIR（487.27 mg/L）>NK（442.67 mg/L）>DK（415.96 mg/L）。最高蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度出現(xiàn)在WNIR 組，較其他組高49.16%~90.10%。使用近紅外光的WNIR、DIR、NIR 組蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度分別比未使用近紅外光的WN、DK、NK 組顯著提高了49.16%（p=0.000）、24.18%（p=0.056）、10.07%（p=0.669）。本研究結(jié)果表明，近紅外光可以提高菌體蛋白質(zhì)的生產(chǎn)效率，同時，白熾燈配合紅外燈可強化R.palustris菌體蛋白質(zhì)的生產(chǎn)。

由圖4（b）可知，96 h 時，大部分實驗組達到最高蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度后干菌體中蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在500~630 mg/g，其中，WNIR 和WN 組達到最高質(zhì)量濃度后干菌體中蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)無顯著性差異（p=0.782）。因此，提高蛋白質(zhì)產(chǎn)量應(yīng)主要從提高蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的角度進行考慮，結(jié)合圖4（a）可知，白熾燈配合紅外燈可作為R. palustris生產(chǎn)蛋白質(zhì)的最佳條件。

2.2.4 對累積R. palustrisCoQ10的影響

CoQ10為ATP 合成促進劑和抗氧化劑，在食品、日化、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛〔42-43〕。PSB 中含有豐富的CoQ10，是用于生產(chǎn)CoQ10的最佳微生物原料〔44-45〕。前期研究表明，CoQ10可通過廢水中培養(yǎng)PSB 生產(chǎn)，并獲取質(zhì)量濃度（13.34~88.80 mg/L）相對較高的產(chǎn)品〔43，46-47〕。圖5 所示為不同光照組合條件下R. palustrisCoQ10產(chǎn)量隨時間的變化。

圖5 不同光照組合條件下R. palustris CoQ10產(chǎn)量隨時間的變化Fig.5 CoQ10 production of R.palustris with time under different light combinations

圖5（a）結(jié)果表明，近紅外光及近紅外光+自然光可以促進CoQ10的生產(chǎn)。最高CoQ10質(zhì)量濃度出現(xiàn)在DIR 組（38.44 mg/L，僅有紅外光），比其他組高18.20%~185.80%。另外，NIR 組（近紅外光+自然光）的最高CoQ10質(zhì)量濃度為32.52 mg/L，比NK 組顯著提高了76.93%（p=0.000）。

由圖5（b）可知，近紅外光及近紅外光+自然光也可提升干菌體中CoQ10質(zhì)量分數(shù)，其最高值出現(xiàn)在NIR 組（41.83 mg/g），比其他組顯著提高了24.96%~69.42%。另外，DIR 組干菌體中CoQ10質(zhì)量分數(shù)為33.48 mg/g，比除NIR 組外其他組高27.45%~35.55%。

研究表明，CoQ10與類胡羅卜素的合成存在競爭關(guān)系，二者的合成均需要香葉基焦磷酸（GGPP）作為前體物質(zhì)〔48〕。因此，可通過降低菌體中類胡蘿卜素的含量，即削弱類胡羅卜素的合成來促進CoQ10的合成。由圖2（b）和圖5（b）可知，NIR 組CoQ10質(zhì)量分數(shù)最高，但是類胡羅卜素質(zhì)量分數(shù)較低，且隨著CoQ10質(zhì)量分數(shù)的升高，類胡羅卜素質(zhì)量分數(shù)持續(xù)降低，這就證明了近紅外光+自然光的處理極有可能是通過削弱類胡羅卜素的合成促進了CoQ10的生成。而未加近紅外光組，如WN 組（白熾燈+自然光），隨著類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)的提高，CoQ10質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢，這就進一步證明了上述推測。

綜上所述，在近紅外光或近紅外光配合自然光條件下培養(yǎng)R. palustris是生產(chǎn)CoQ10的有效途徑。

2.3 不同光照組合對R. palustris 去除廢水中污染物效果的影響

PSB 在高濃度廢水處理方面優(yōu)勢突出〔49〕。本研究考察了不同光照組合條件對R. palustris去除廢水中COD 和NH4+-N 的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 不同光照組合條件下COD 和NH4+-N 的去除率Fig.6 CODand NH4+-Nremovalrates under different light combinations

圖6表明，近紅外光能夠有效促進R. palustris對廢水中COD 與NH4+-N 的去除。DIR 組中COD 去除率與NH4+-N 去除率分別比DK 組顯著提升了50.15%與58.32%，NIR 組中COD 去除率與NH4+-N去除率分別比NK 組顯著提升了44.65%與18.04%；WNIR 組中COD 去除率與NH4+-N 去除率比WN 組顯著提升了6.39%與18.48%。另外，白熾燈+近紅外光的組合有利于對污染物的去除。WNIR 組的COD 和NH4+-N 去除率分別達到80.84%與91.44%，比其他組顯著提高了6.40%~71.38%、18.48%~109.53%。

近年來，也有很多學(xué)者研究了不同光質(zhì)對PSB污染物去除效果的影響。Qin ZHOU 等〔22〕利用R. palustris在不同光源條件下處理糖蜜廢水，發(fā)現(xiàn)在紅色發(fā)光二極管照射下，PSB對COD去除效果最好，去除率達到88.6%。T. HüLSEN 等〔21〕研究發(fā)現(xiàn)紅外光照射可去除市政污水中90%的總化學(xué)需氧量、90%的TN 和45%的TP。Xiang QI 等〔18〕研究發(fā)現(xiàn)以850 nm 的近紅外光為光源時，R. palustris對污染物去除效果最佳，當初始COD 和NH4+-N 分別為4 000、260 mg/L 時，去除率分別達到70.62%和58.07%。盡管上述研究結(jié)果因培養(yǎng)條件不同獲得的污染物去除效果存在一定差異，但其均能證明近紅外光可以提高PSB 對污染物的去除效率。

2.4 不同光照組合下R. palustris 對廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率

PSB 對廢水的資源化處理價值在于將廢水中的碳、氮、磷等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用生物質(zhì)資源。PSB 對廢水中污染物的去除與有用生物質(zhì)資源的累積有一定聯(lián)系。某種程度上，生物質(zhì)資源的累積效率可以體現(xiàn)污水中污染物去除與生物合成代謝效率，即污染物的轉(zhuǎn)化效率。因此，本研究亦對不同光照組合條件下R. palustris處理廢水過程中的菌體和蛋白質(zhì)產(chǎn)率進行了對比分析。其中菌體產(chǎn)率代表廢水中碳元素的轉(zhuǎn)化效率，蛋白質(zhì)產(chǎn)率代表廢水中氮元素的轉(zhuǎn)化效率，結(jié)果見表3。

表3 不同光照組合條件下R. palustris處理廢水時的菌體和蛋白質(zhì)產(chǎn)率Table 3 Cell yield and protein yield of R. palustris in wastewater treatment under different light combinations

由表3 可知，近紅外光有利于R. palustris菌體的生長與廢水中污染物的轉(zhuǎn)化，即可以提高R. palustris的合成代謝效率。使用近紅外光的實驗組（DIR、WNIR、NIR）菌體產(chǎn)率和蛋白質(zhì)產(chǎn)率均分別顯著高于未使用近紅外光組（DK、WN、NK）的數(shù)值。其中，近紅外光單獨作用時的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率最高，菌體產(chǎn)率高達（0.282±0.031） g/g，比未使用紅外光實驗組高51.61%~127.42%。近紅外光與白熾燈共同作用（WINR 組）可提高菌體蛋白轉(zhuǎn)化率，此條件下蛋白質(zhì)產(chǎn)率最高，為（3.625±0.156） g/g，比其他實驗組高23.68%~41.87%，此時菌體產(chǎn)率為（0.260±0.003） g/g，僅次于近紅外光單獨作用。

PSB在正常條件下的菌體產(chǎn)率是0.2~0.5 g/g〔5，22，50-52〕，其受水質(zhì)條件、光照條件及實驗操作條件影響較大，環(huán)境條件不佳或者碳氮比異常均會導(dǎo)致菌體產(chǎn)率低于0.2 g/g。Fan MENG 等〔6〕研究廢水處理資源化時發(fā)現(xiàn)自然光下的Rhodopseudomonas菌體產(chǎn)率為0.2 g/g，這與本研究結(jié)果基本一致。近年來已有研究探討了光質(zhì)對PSB 污水資源化效果的影響，Xiang QI 等〔18〕和T.HüLSEN 等〔21〕研究均得出近紅外光（背景為自然光）為光源時，R. palustris對污染物去除效果最佳且菌體生物量最高。

3 結(jié)論

本研究探明了有無近紅外光及其與自然光、人工光復(fù)合條件下對R. palustris廢水資源化效果的影響，得到了有關(guān)近紅外光影響PSB 污水資源化效果的相關(guān)結(jié)論：

1）近紅外光單獨作用可縮短PSB 指數(shù)增長期，提高微生物日產(chǎn)量，且可獲得最高生物量。近紅外光單獨作用有利于色素產(chǎn)生，實驗中此條件下獲得的類胡蘿卜素和BChl 的最高質(zhì)量濃度分別為5.48、44.00 mg/L。

2）近紅外光與弱自然光累加有利于CoQ10生產(chǎn)，干菌體中CoQ10質(zhì)量分數(shù)最高可達41.83 mg/g，比考察的其他光照條件顯著提高24.96%~69.42%。

3）近紅外光與中強度的人工光累加可促進PSB對蛋白質(zhì)的累積，實驗中蛋白質(zhì)最高質(zhì)量濃度為790.76 mg/L，比其他光照條件下提升了49.16%~90.10%，COD 和NH4+-N 去除率分別為80.84% 與91.44%，分別比其他光照條件下顯著提高了6.40%~71.38%、18.48%~109.53%，這可能是由近紅外光和白熾燈分別促進菌體生長和蛋白質(zhì)合成的協(xié)同效果導(dǎo)致。

4）近紅外光可有效促進PSB 處理廢水時的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，實驗中近紅外光單獨作用時的菌體產(chǎn)率最高，達（0.282±0.031） g/g。近紅外光與中強度的人工光累加可提高蛋白質(zhì)產(chǎn)率，最高為（3.625±0.156）g/g。

上述研究獲取了高濃度食品廢水用于生產(chǎn)PSB不同高值產(chǎn)物的紅外光應(yīng)用場景，為PSB 污水資源化技術(shù)中高值產(chǎn)物的累積提供了新的方法與途徑。