DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1529032
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40066363
تاريخ النشر: 2025-02-24
المؤلف: Guillaume Bayon-Vicente وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة الدور الهام لنفايات الأغذية الزراعية (AFW) في المساهمة في انبعاثات غازات الدفيئة وتؤكد على ضرورة وجود استراتيجيات فعالة للإدارة والتثمين لضمان استدامة سلسلة الغذاء. تسلط الضوء على إمكانيات البكتيريا غير الكبريتية الأرجوانية (PNSB) في إعادة تدوير AFW بسبب تنوعها الأيضي، مما يسمح لها بتحويل الركائز العضوية المختلفة إلى كتل حيوية ميكروبية عالية القيمة غنية بالبروتينات والفيتامينات ومركبات مفيدة أخرى. تستكشف المراجعة تطبيق PNSB في معالجة AFW من مصادر متنوعة، بما في ذلك مخلفات الفواكه والخضروات والمخلفات من صناعات الألبان والمشروبات والسكر، بينما تتناول أيضًا الحاجة إلى تحسين طرق المعالجة المسبقة لتعزيز توفر الركائز.
في الختام، يشير المؤلفون إلى أنه بينما تم دراسة PNSB لإنتاج الطاقة والبيوبلاستيك من AFW، هناك حاجة ملحة للتركيز على استراتيجيات إعادة التدوير التي تحتفظ بالمواد الغذائية. على الرغم من تطبيقاتها الواعدة، لا يزال البحث في الأيض PNSB في بيئات AFW المعقدة محدودًا. يحدد المؤلفون التحديات مثل تباين تركيب AFW، وضرورة وجود خطوات معالجة مسبقة، والعقبات التنظيمية المتعلقة بموافقات الأغذية والأعلاف الجديدة. يدعون إلى فهم أعمق لأيض PNSB ويقترحون أن الجهود المستقبلية يجب أن تعطي الأولوية لعمليات السلالات الفردية للامتثال للمعايير التنظيمية، مما يضع PNSB في النهاية كحل قابل للتطبيق لتثمين AFW المستدام وتطوير مصافي ضوئية مستقبلية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على مشكلة النفايات الصلبة البلدية (MSW) المتزايدة عالميًا، والتي من المتوقع أن تزيد بنسبة تقارب 70% بحلول عام 2050، لتصل إلى أكثر من ملياري طن متري سنويًا. يُعزى جزء كبير من هذه النفايات إلى نفايات الأغذية الزراعية (AFW)، حيث تقدر منظمة الأغذية والزراعة (FAO) أن ثلث الطعام المنتج للاستهلاك البشري – حوالي 1.3 مليار طن – يُفقد أو يُهدر على طول سلسلة التوريد. لا تؤدي هذه النفايات فقط إلى خسارة اقتصادية تقدر بحوالي 750 مليار دولار سنويًا، بل تطرح أيضًا تحديات بيئية، بما في ذلك هدر الموارد وزيادة انبعاثات غازات الدفيئة. تؤكد الورقة على الحاجة الملحة لحلول مبتكرة لإدارة النفايات، خاصة في سياق الاقتصاد الدائري، حيث يمكن أن يساعد إعادة تدوير AFW إلى منتجات ذات قيمة أعلى في التخفيف من هذه الآثار.
يركز المؤلفون على إمكانيات البكتيريا غير الكبريتية الأرجوانية (PNSB) لتثمين AFW، نظرًا لتنوعها الأيضي وقدرتها على تحويل النفايات العضوية إلى كتل حيوية قيمة. يمكن أن تزدهر PNSB تحت ظروف أيضية متنوعة، وخاصة التغذية الضوئية، مما يعزز كفاءة تحويل الركيزة إلى الكتلة الحيوية. تهدف المراجعة إلى سد الفجوة بين الهندسة الحيوية والعلوم الأساسية من خلال ربط تركيب AFW المختارة مع القدرات الأيضية لـ PNSB. يقترح المؤلفون تحديد AFW الواعدة لإعادة التدوير بناءً على معايير مثل إمكانياتها للتحويل إلى منتجات غذائية أو علفية واستخدامها الحالي المحدود. من خلال التركيز على أنواع PNSB المدروسة جيدًا، تسعى الورقة إلى توضيح المسارات الأيضية المعنية في استيعاب السكر من AFW، مما يعزز كفاءة عمليات إعادة تدوير النفايات الحيوية.
نقاش
يسلط النقاش الضوء على الإمكانيات الكبيرة للمنتجات الثانوية الغنية بالكربوهيدرات من الأغذية الزراعية لزراعة البكتيريا غير الكبريتية الأرجوانية (PNSB)، التي يمكن أن تحول هذه الركائز بكفاءة إلى كتل حيوية قيمة. على سبيل المثال، تنتج صناعة السكر كميات كبيرة من دبس السكر – حوالي 64 مليون طن عالميًا – والذي يتم إعادة تدويره بشكل أساسي إلى وقود حيوي. ومع ذلك، فإن دبس السكر، الغني بالسكروز والسكريات الأخرى، يقدم فرصًا للتثمين في تطبيقات الغذاء والعلف من خلال زراعة PNSB. تشير الدراسات إلى أن PNSB يمكن أن تزدهر على دبس السكر، محققة إنتاج هيدروجين أعلى مقارنة بالجلوكوز، على الرغم من وجود تحديات مثل التحكم في درجة الحموضة وتحسين ظروف النمو.
وبالمثل، تنتج صناعة الألبان كميات هائلة من مصل اللبن، وهو منتج ثانوي غني باللاكتوز، يمكن استخدامه لزراعة PNSB. على الرغم من عدم تحمل اللاكتوز السائد في العديد من السكان، يمكن أن يكون مصل اللبن ومخلفات الألبان الأخرى بمثابة ركائز لـ PNSB، شريطة استخدام اللاكتاز الخارجي لتحليل اللاكتوز. كما أن قطاع معالجة الفواكه والخضروات ينتج أيضًا نفايات كبيرة، والتي، عند معالجتها بشكل مناسب، يمكن أن تنتج سكريات مختزلة مناسبة لنمو PNSB. بالإضافة إلى ذلك، تنتج صناعة البيرة حبوب البيرة المستهلكة (BSG)، والتي، على الرغم من قيمتها السوقية المنخفضة الحالية، يمكن معالجتها إنزيميًا لإطلاق أحادية السكريات لزراعة PNSB.
بشكل عام، بينما يقدم تثمين هذه المنتجات الثانوية من خلال PNSB العديد من الفرص، يجب معالجة التحديات مثل مخاطر التلوث، والحاجة إلى معالجة مسبقة للنفايات الصلبة، والتعقيدات الأيضية لـ PNSB لتحسين التطبيقات الصناعية. إن المزيد من البحث في المسارات الأيضية لـ PNSB وقدرتها على استيعاب السكريات المختلفة أمر ضروري لتقدم هذا المجال.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1529032
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40066363
Publication Date: 2025-02-24
Author(s): Guillaume Bayon-Vicente et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
The section discusses the significant role of agri-food waste (AFW) in contributing to greenhouse gas emissions and emphasizes the necessity for effective management and valorization strategies to ensure food chain sustainability. It highlights the potential of purple non-sulfur bacteria (PNSB) for upcycling AFW due to their metabolic versatility, which allows them to convert various organic substrates into high-value microbial biomass rich in proteins, vitamins, and other beneficial compounds. The review explores the application of PNSB in processing AFW from diverse sources, including fruit and vegetable residues and effluents from the dairy, brewery, and sugar industries, while also addressing the need for optimized pre-treatment methods to enhance substrate availability.
In the conclusion, the authors note that while PNSB have been studied for energy and bioplastic production from AFW, there is a pressing need to focus on upcycling strategies that retain food-grade materials. Despite their promising applications, research on PNSB metabolism in complex AFW environments remains limited. The authors identify challenges such as the variability in AFW composition, the necessity for pre-treatment steps, and regulatory hurdles related to novel food and feed approvals. They advocate for a deeper understanding of PNSB metabolism and suggest that future efforts should prioritize single-strain processes to comply with regulatory standards, ultimately positioning PNSB as a viable solution for sustainable AFW valorization and the development of future photorefineries.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the escalating global issue of municipal solid waste (MSW), which is projected to increase by approximately 70% by 2050, reaching over two billion metric tons annually. A significant portion of this waste is attributed to agri-food waste (AFW), with the Food and Agriculture Organization (FAO) estimating that one-third of food produced for human consumption—around 1.3 billion tons—is lost or wasted throughout the supply chain. This waste not only incurs an economic loss of approximately $750 billion annually but also poses environmental challenges, including resource wastage and increased greenhouse gas emissions. The paper emphasizes the urgent need for innovative waste management solutions, particularly in the context of the circular economy, where upcycling AFW into higher-value products can mitigate these impacts.
The authors focus on the potential of purple non-sulfur bacteria (PNSB) for the valorization of AFW, given their metabolic versatility and ability to convert organic waste into valuable biomass. PNSB can thrive under various metabolic conditions, particularly photoheterotrophy, which enhances substrate-to-biomass conversion efficiency. The review aims to bridge the gap between bioengineering and fundamental science by linking the composition of selected AFW with the metabolic capabilities of PNSB. The authors propose to identify promising AFW for upcycling based on criteria such as their potential for conversion into food or feed products and their current underutilization. By focusing on well-studied PNSB species, the paper seeks to elucidate the metabolic pathways involved in sugar assimilation from AFW, thereby enhancing the efficiency of biowaste upcycling processes.
Discussion
The discussion highlights the significant potential of carbohydrate-rich agri-food by-products for the cultivation of purple non-sulfur bacteria (PNSB), which can efficiently convert these substrates into valuable biomass. The sugar industry, for instance, produces substantial amounts of molasses—approximately 64 million tonnes globally—which is primarily downcycled into biofuels. However, molasses, rich in sucrose and other sugars, presents opportunities for valorization in food and feed applications through PNSB cultivation. Studies indicate that PNSB can thrive on molasses, achieving higher hydrogen production compared to glucose, although challenges such as pH control and optimization of growth conditions remain.
Similarly, the dairy industry generates vast quantities of whey, a by-product rich in lactose, which could be utilized for PNSB cultivation. Despite the lactose intolerance prevalent in many populations, whey permeate and other dairy by-products could serve as substrates for PNSB, provided that exogenous lactase is employed to hydrolyze lactose. The fruit and vegetable processing sector also produces significant waste, which, when treated appropriately, can yield reducing sugars suitable for PNSB growth. Additionally, the brewery industry generates brewer’s spent grains (BSG), which, despite their current low market value, could be enzymatically treated to release monosaccharides for PNSB cultivation.
Overall, while the valorization of these by-products through PNSB presents numerous opportunities, challenges such as contamination risks, the need for pre-treatment of solid wastes, and the metabolic complexities of PNSB must be addressed to optimize industrial applications. Further research into the metabolic pathways of PNSB and their ability to assimilate various sugars is essential for advancing this field.