Công nghệ Vi sinh Công nghiệp để Sản xuất Protein Thức Ăn Chăn Nuôi từ Nitơ phi Protein 

Tóm tắt

Trước nhu cầu ngày càng tăng trên toàn cầu về protein cho ngành chăn nuôi, protein vi sinh được xem là một giải pháp tiềm năng hướng tới chăn nuôi bền vững. Tuy vậy, việc ứng dụng loại protein này vẫn còn hạn chế do chi phí sản xuất cao và khó mở rộng quy mô công nghiệp.

Từ góc nhìn sản xuất công nghiệp, việc xác định rõ các quy trình và thành phần then chốt là rất cần thiết để phục vụ cho nghiên cứu kỹ thuật và tối ưu hóa quy trình trong tương lai. Bài viết này giới thiệu các công nghệ vi sinh tiên tiến hiện nay, tập trung vào việc sử dụng hiệu quả nguồn nitơ phi protein (NPN) để sản xuất protein làm thức ăn chăn nuôi. Trong sản xuất quy mô lớn, nitơ là một trong những yếu tố chi phí chính trong môi trường nuôi vi sinh vật.

Do đó, bài viết tổng quan các nguồn NPN có thể sử dụng cho tổng hợp protein vi sinh, cơ chế mà vi sinh vật sử dụng NPN, cùng các công nghệ lên men phù hợp với từng loại vi sinh và nguồn NPN. Đặc biệt, các phương pháp đột biến ngẫu nhiên và tiến hóa trong phòng thí nghiệm (ALE), kết hợp với kỹ thuật sàng lọc (siêu) hiệu suất cao, đóng vai trò quan trọng trong việc cải tiến chủng vi sinh để nâng cao năng suất protein.

Mặc dù protein vi sinh cho thấy tiềm năng lớn và đã đạt được nhiều bước tiến về công nghệ, nhưng vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu và phát triển trước khi có thể ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi.

Từ khóa: vi sinh công nghiệp; nitơ phi protein; protein thức ăn chăn nuôi; protein vi sinh; tiến hóa trong phòng thí nghiệm (ALE)

1. Giới thiệu

Protein là thành phần thiết yếu giúp xây dựng và duy trì các mô trong cơ thể. Theo khuyến nghị hiện nay, mỗi người nên tiêu thụ khoảng 0,8g protein trên mỗi kg trọng lượng cơ thể mỗi ngày [1]. Trong khẩu phần ăn, phần lớn protein đến từ thực vật (khoảng 60%), còn lại từ động vật [2]. Tuy nhiên, việc sản xuất protein từ động vật tạo ra tác động môi trường lớn hơn nhiều so với protein thực vật, như phát thải khí nhà kính, sử dụng đất và nước, cũng như ảnh hưởng đến đa dạng sinh học [3,4]. Vì lý do bền vững và đạo đức, protein thực vật ngày càng được ưa chuộng trong thập kỷ qua. Dù vậy, protein động vật vẫn được đánh giá cao về chất lượng dinh dưỡng và sẽ tiếp tục được tiêu thụ nhiều, đặc biệt ở các nước phát triển [5,6].

Dự báo đến năm 2050, dân số toàn cầu sẽ tăng lên 8–10 tỷ người, kéo theo nhu cầu protein động vật tăng nhanh [7,8]. Điều này đồng nghĩa với việc nhu cầu thức ăn chăn nuôi cũng tăng theo. Dự kiến đến năm 2050, hơn 1,1 tỷ tấn ngũ cốc sẽ được sử dụng làm thức ăn cho vật nuôi, với khoảng 207 triệu tấn protein dùng cho các loài động vật đơn dạ dày vào năm 2030 [9]. Tuy nhiên, protein là thành phần đắt đỏ và có giới hạn trong thức ăn chăn nuôi [10]. Các nguồn protein truyền thống như đậu và bã dầu đang được dùng phổ biến, nhưng việc sử dụng lâu dài là không bền vững [11]. Ngành chăn nuôi hiện chiếm khoảng 33% diện tích đất và tiêu thụ 75% nguồn nước ngọt trên cạn, gây ra sự cạnh tranh tài nguyên giữa con người và vật nuôi [12]. Ngoài ra, khoảng 57% lượng khí nhà kính từ ngành thực phẩm đến từ sản phẩm có nguồn gốc động vật [13].

Vì vậy, cần thiết phải tìm ra các nguồn protein thay thế cho thức ăn chăn nuôi – vừa đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, vừa giảm áp lực lên môi trường.

Trong những thập kỷ gần đây, các nguồn protein thay thế đã được nghiên cứu tích cực. Một trong những giải pháp triển vọng là protein vi sinh, thu được thông qua việc nuôi cấy vi khuẩn, nấm men, nấm mốc hoặc vi tảo. Đây là nguồn protein bền vững và khả thi, đã được nghiên cứu trong hơn 40 năm qua [10]. Protein vi sinh có hàm lượng cao (30–70% trọng lượng khô của tế bào) [14]. Quan trọng hơn, vi sinh vật có thể được nuôi bằng nhiều loại nguyên liệu giá rẻ hoặc phế phẩm từ nông nghiệp – công nghiệp như rơm rạ, cám gạo, bã biogas, nước thải từ ngành chế biến thực phẩm, v.v… [15,16]. Việc sử dụng các nguyên liệu này không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường.

Quá trình lên men vi sinh còn giúp nâng cao chất lượng dinh dưỡng, độ tiêu hóa và độ an toàn của nguyên liệu [17,18], đồng thời có thể thực hiện ở quy mô công nghiệp quanh năm mà không phụ thuộc vào mùa vụ.

Để sản xuất protein vi sinh, cần cung cấp cơ chất giàu dinh dưỡng mà vi sinh vật có thể hấp thụ, trong đó carbon và nitơ là hai nguyên tố quan trọng nhất [19,20]. Hiện có nhiều loại chất thải giàu carbohydrate đang được xem là nguyên liệu tiềm năng để sản xuất protein vi sinh [21]. Tuy nhiên, phần lớn chúng có nguồn gốc từ lignocellulose (ví dụ: bã mía), với cellulose là thành phần chính – chất mà vi sinh vật không thể sử dụng trực tiếp. Vì vậy, cần tiền xử lý các nguyên liệu này để tạo ra đường đơn hoặc đường đôi [22,23].

Để tối ưu hóa quá trình phát triển của vi sinh vật, tỷ lệ carbon/nitơ (C/N) trong cơ chất phải phù hợp [26]. Trong khi đó, chất thải nông nghiệp thường có tỷ lệ C/N cao hơn mức lý tưởng cho vi sinh vật. Ví dụ, bã mía có tỷ lệ C/N là 58, trong khi chủng Methanosarcina sp. phát triển tốt ở mức 25 [28]. Hơn nữa, phần lớn nghiên cứu cho thấy rằng lên men chỉ làm tăng tỷ lệ protein tương đối (do giảm trọng lượng khô), còn lượng protein tuyệt đối thì không tăng [17,29]. Vì vậy, thường phải bổ sung nguồn nitơ để tăng sinh khối vi sinh vật và tổng hợp protein.

Việc lựa chọn nguồn nitơ rẻ, hiệu quả là yếu tố then chốt trong sản xuất protein vi sinh quy mô lớn. Gần đây, các nguồn nitơ phi protein (NPN) như nước thải, ure, dung dịch amoniac, amoni sulfat đã thu hút sự quan tâm vì chi phí thấp và khả năng ứng dụng cao [30,31]. Việc vi sinh vật sử dụng hiệu quả các nguyên liệu này không chỉ giúp tạo ra protein mà còn cải thiện thành phần protein trong nguyên liệu ban đầu.

Ứng dụng protein vi sinh trong ngành chăn nuôi sẽ phụ thuộc nhiều vào khả năng nâng cao hiệu quả chuyển hóa sinh học và giảm chi phí sản xuất thông qua các công nghệ lên men tiên tiến. Các nghiên cứu trước đã đánh giá sâu về từng chủng vi sinh vật cụ thể [32,33,34]. Bài tổng quan này tập trung vào những tiến bộ mới trong việc sử dụng nguồn NPN và các công nghệ lên men công nghiệp để sản xuất protein vi sinh.

Bài viết phân tích tiềm năng ứng dụng NPN trong sản xuất công nghiệp, đánh giá tính khả thi của việc sản xuất protein thức ăn chăn nuôi – một chủ đề trước đây chưa được hệ thống hóa đầy đủ. Ngoài ra, bài viết còn tìm hiểu cơ chế đồng hóa nitơ, các phương pháp sản xuất, khả năng mở rộng quy mô công nghiệp, cũng như vai trò của NPN trong việc giảm chi phí sản xuất protein. Cuối cùng, bài viết cũng thảo luận về các phương pháp tiến hóa và sàng lọc chủng vi sinh nhằm cải thiện khả năng chuyển hóa NPN – từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai cho ngành sản xuất protein thức ăn chăn nuôi từ nguồn NPN.

2. Quá trình vi sinh vật đồng hóa các nguồn nitơ phi protein (NPN)

Nitơ là một yếu tố thiết yếu đối với sự sống và phát triển của vi sinh vật. Trong môi trường lên men, nitơ đóng vai trò quan trọng giúp duy trì các hoạt động sinh lý và sinh hóa như tổng hợp protein, axit amin, nucleotide và enzyme [35,36,37,38]. Cùng với carbon, nitơ là một trong những thành phần có chi phí lớn trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật ở quy mô công nghiệp [39]. Tuy nhiên, mỗi chủng vi sinh vật có “khẩu vị” riêng về loại nitơ, nên việc lựa chọn nguồn nitơ phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tạo ra protein vi sinh.

Thông thường, nguồn nitơ cho vi sinh vật được chia làm hai loại chính:

• Nitơ hữu cơ: có nguồn gốc từ thực vật hoặc động vật, như đậu nành, bột cá, đậu phộng, bột hạt bông, nước ngâm ngô, hay cao thịt. Loại nitơ này tồn tại dưới dạng protein, peptide và axit amin – vốn có thể được sử dụng trực tiếp làm thức ăn cho vật nuôi [40,41]. Do đó, nếu dùng nitơ hữu cơ để nuôi vi sinh vật, thì về bản chất chỉ là chuyển hóa từ dạng protein này sang dạng protein khác – không thật sự giải quyết được vấn đề thiếu protein trong thức ăn chăn nuôi.

• Nitơ vô cơ (NPN): gồm các hợp chất như khí nitơ trong không khí, amoni hydroxit, amoni sulfat, và ure. Đây là những nguồn nitơ phi protein (non-protein nitrogen – NPN), không dùng trực tiếp làm thức ăn cho vật nuôi, nhưng lại rất phù hợp để nuôi vi sinh vật. Một số vi sinh vật có khả năng thủy phân ure thành amoniac, giúp chuyển hóa thành các hợp chất có thể sử dụng được trong sinh trưởng [42].

Nhờ chi phí thấp và khả năng tạo sinh khối cao, NPN – bao gồm các chất thải chứa nitơ vô cơ hoặc ure – đang được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất protein vi sinh dùng trong thức ăn chăn nuôi (như minh họa trong Hình 1). Sử dụng NPN giúp giảm phụ thuộc vào protein mà con người có thể tiêu thụ, từ đó góp phần giải quyết bài toán khan hiếm nguyên liệu protein trong nông nghiệp.

2.1. Khí nitơ trong khí quyển (Atmospheric Dinitrogen)

Khí quyển Trái Đất chứa khoảng 78% nitơ, chủ yếu dưới dạng khí dinitơ (N₂). Tuy nhiên, hầu hết vi sinh vật không thể sử dụng trực tiếp dạng khí này. Chỉ một số vi sinh vật đặc biệt – gọi là vi sinh vật cố định nitơ – mới có khả năng chuyển hóa N₂ thành dạng nitơ mà chúng có thể hấp thụ và sử dụng.

Trước đây, người ta cho rằng chỉ sinh vật nhân sơ (prokaryote) mới có khả năng cố định nitơ. Tuy nhiên, việc phát hiện ra loài Candidatus Atelocyanobacter thalassa (UCYN-A) đã chứng minh rằng một số sinh vật nhân thực (eukaryote) cũng có thể tham gia vào quá trình này [43,44].

Dựa vào mối quan hệ với cây chủ, quá trình cố định nitơ được chia thành ba nhóm:

• Cố định nitơ cộng sinh: vi sinh vật sống cùng thực vật (như vi khuẩn nốt sần ở rễ đậu).
  
• Cố định nitơ kết hợp: vi sinh vật sống gần thực vật nhưng không phụ thuộc hoàn toàn.
  
• Cố định nitơ tự dưỡng: vi sinh vật sống độc lập, không cần cây chủ [45,46].
  

Trong sản xuất công nghiệp, vi sinh vật cố định nitơ không cộng sinh (kết hợp hoặc tự dưỡng) đặc biệt được quan tâm vì chúng có thể nuôi riêng lẻ mà không cần cây chủ.

Các nhóm vi sinh vật không cộng sinh có khả năng cố định nitơ bao gồm: Beijerinckia, Azotobacter, Azospirillum, Herbaspirillum, Gluconacetobacter, Burkholderia, Clostridium, Methanosarcina, và Paenibacillus [47]. Trong đó, một số thuộc nhóm vi khuẩn hydroxyl hóa như Xanthobacter – được đánh giá cao vì:

• Có thể tạo ra sinh khối chứa hàm lượng protein cao (~70%) [49].
  
• Không phát sinh amoniac bay hơi trong quá trình sản xuất.
  
• Hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng thành sinh khối gấp đôi so với cây đậu nành [50].
  

Hiệu quả cố định nitơ cũng khác nhau tùy nhóm:

• Vi sinh vật cố định nitơ cộng sinh có thể cố định từ 75–300 kg N/ha/năm.
  
• Vi sinh vật cố định nitơ tự nhiên chỉ cố định được khoảng 20 kg N/ha/năm [51–53].
  

Trung tâm của quá trình cố định nitơ là enzyme nitrogenase [54]. Tuy nhiên, nitrogenase rất nhạy cảm với oxy – chỉ hoạt động trong điều kiện yếm khí. Khi tiếp xúc với oxy, nó sẽ mất hoạt tính vĩnh viễn [55]. Ngoài ra, nếu có amoniac – sản phẩm cuối của quá trình – các gen cố định nitơ sẽ bị “tắt” để tránh lãng phí năng lượng.

Việc khử một phân tử N₂ thành amoniac rất tốn năng lượng: cần đến 8 electron và 16 ATP [56–58].

Gần đây, các kỹ thuật di truyền đã được áp dụng để cải thiện vi sinh vật cố định nitơ nhằm phục vụ sản xuất công nghiệp [59,60]. Ví dụ:

• Can thiệp vào protein PII và biểu hiện enzyme adenylyltransferase một chiều giúp tăng lượng amoniac tiết ra và giảm sự ức chế phản hồi [61,62].
  
• Chuyển gen cố định nitơ từ Azotobacter vinelandii sang E. coli biến đổi gen giúp kích hoạt con đường pentose phosphate và tăng hoạt động hệ thống vận chuyển electron – từ đó cải thiện hiệu suất năng lượng [63].
  
• Tăng biểu hiện gen hô hấp giúp loại bỏ oxy, tạo môi trường yếm khí cho nitrogenase hoạt động hiệu quả hơn [64].
  

Tuy vậy, việc biểu hiện đầy đủ bộ gen nitrogenase trong vật chủ vẫn còn nhiều rào cản, vì cơ chế điều hòa giữa gen gốc và gen được cấy vào chưa được hiểu rõ [65].

Ngoài ra, một số công nghệ mới đang được nghiên cứu để hỗ trợ quá trình cố định nitơ. Ví dụ, sử dụng nano tinh thể CdS (cadimi sulfua) để hấp thụ ánh sáng và kích hoạt nitrogenase bên ngoài tế bào [66]. Tuy nhiên, nhiều yếu tố khác như chất trung gian electron, độ pH thấp hoặc thiếu sắt cũng ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme này [67,68].

Do đó, để tăng hiệu quả cố định nitơ, cần xem xét tổng thể nhiều yếu tố liên quan đến nitrogenase – từ điều kiện môi trường đến các kỹ thuật cải tiến di truyền.

2.2. Ure và các dẫn xuất của nó

Ure là một loại phân đạm quan trọng, thường được gọi là “thức ăn của thức ăn” [69]. Ở động vật có vú, ure được gan tạo ra để loại bỏ độc tính của amoniac. Tuy nhiên, ure không tiếp tục được chuyển hóa thêm trong cơ thể [70]. Trái lại, hầu hết vi sinh vật lại có khả năng tiết enzyme urease để phân giải ure thành amoniac, cung cấp nguồn nitơ cần thiết cho sự phát triển của chúng.

Ở động vật nhai lại, ure do gan tổng hợp có thể được tái sử dụng bởi vi sinh vật trong dạ cỏ, từ đó tổng hợp protein vi sinh để hỗ trợ hình thành sữa và cơ bắp. Nhờ giá thành rẻ và chứa lượng nitơ cao (46,7%), ure đã được sử dụng từ đầu thế kỷ 20 như một nguồn nitơ phi protein (NPN) nhằm thay thế một phần protein trong thức ăn chăn nuôi [71]. Tuy nhiên, cần kiểm soát chặt chẽ lượng ure trong khẩu phần vì nếu tốc độ giải phóng amoniac quá nhanh so với khả năng hấp thụ nitơ của vi sinh vật dạ cỏ, sẽ gây độc do tích tụ amoniac [72].

Ure và các dẫn xuất của nó (như biuret và ure phosphate) có thể được sử dụng để sản xuất protein vi sinh phục vụ chăn nuôi, kể cả với động vật nhai lại và động vật đơn dạ [73,74]. Dựa vào hàm lượng nitơ, 1 gram ure có thể tạo ra khoảng 2,92 gram protein, với chi phí khoảng 0,12 USD/kg, thấp hơn nhiều so với protein từ đậu nành (khoảng 1,24 USD/kg) [75,76].

Trong công nghệ lên men vi sinh, ure là nguồn nitơ thay thế tiềm năng vì rẻ, bền vững, và không gây axit hóa môi trường như amoni sulfat, nhờ đó giảm nhu cầu dùng kiềm để điều chỉnh pH [77]. Ảnh hưởng của ure đến sự phát triển và năng suất của vi sinh vật rất khác nhau giữa các loài như vi khuẩn, nấm và vi tảo [78,79].

Ví dụ, nghiên cứu trên ba chủng Yarrowia lipolytica cho thấy ure có thể thay thế amoni sulfat mà không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ phát triển, biểu hiện gen, hay sản lượng lipid [80]. Một nghiên cứu khác cũng cho thấy ure và nước tiểu giúp vi khuẩn Y. lipolytica PO1f tích lũy sinh khối hiệu quả, tăng trưởng nhanh và tạo lipid tương đương với amoni sulfat [81].

Ure cũng được dùng làm nguồn nitơ duy nhất cho nấm men Saccharomyces cerevisiae khi kết hợp với dịch bột ngô hóa lỏng làm nguồn carbon [82]. Ở nồng độ ure 150 mM, nấm đạt năng suất ethanol cao nhất; nhưng nồng độ cao hơn sẽ gây ức chế phát triển [83,84].

Tuy nhiên, một số loài như Candida utilis phản ứng kém với ure. Chúng tạo khối lượng tế bào thấp hơn (12,7 g/L) so với khi dùng các nguồn nitơ hữu cơ (như chiết xuất nấm men, dịch ngô lên men) hoặc vô cơ (amoni sulfat, amoni clorua) [85].

Đối với vi tảo, amoni thường được ưa chuộng vì dễ hấp thụ [86,87], nhưng gần đây ure cũng cho thấy năng suất sinh khối tương đương với nitrat hoặc amoni ở các loài như Chlamydomonas reinhardtii và Chlorella sorokiniana [88,89]. Tốc độ tăng trưởng ở bốn loài tảo (bao gồm Chlorella vulgaris và Nannochloropsis oculata) cho thấy khả năng hấp thụ ure khác nhau tùy loài [90].

Việc phân giải ure ở vi khuẩn đã được nghiên cứu kỹ, nhất là ở các vi khuẩn gây bệnh hoặc trong dạ cỏ, nơi ure được phân giải để tổng hợp protein vi sinh [91–93]. Tuy nhiên, vẫn còn ít nghiên cứu tập trung vào việc sản xuất protein vi sinh từ ure. Một số chủng như Bacillus, Corynebacterium glutamicum, và Cyanobacteria đã được ghi nhận có khả năng chuyển hóa ure [94–97].

Khoảng 30% vi sinh vật trong đất có khả năng phân giải ure, bao gồm cả vi khuẩn hiếu khí, vi hiếu khí và kỵ khí [98]. Một số nghiên cứu đã thử dùng ure trong môi trường nuôi để sản xuất nhiên liệu sinh học (như ethanol), hóa chất sinh học và sinh khối, giúp giảm chi phí hoặc tăng năng suất [99–101]. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ ure rất khác nhau giữa các chủng. Nếu nồng độ ure quá cao, quá trình phát triển có thể bị ảnh hưởng do ure bị thủy phân quá nhanh, dẫn đến mất cân bằng giữa nguồn nitơ và carbohydrate [102].

Đối với chăn nuôi, nhiều sản phẩm ure giải phóng chậm (như ure bọc, ure dextrin hóa, hoặc viên liếm ure pha mật mía) đã được phát triển để cải thiện quá trình lên men trong dạ cỏ [103,104]. Tương tự, trong sản xuất vi sinh, việc sử dụng ure dạng giải phóng chậm hoặc bổ sung theo từng đợt có thể giúp cải thiện hiệu quả hấp thụ ure, đặc biệt là khi dùng nguyên liệu có nguồn gốc từ lignocellulose. Đồng thời, việc sàng lọc các vi khuẩn có khả năng phân giải ure (urealytic bacteria) cũng rất cần thiết để tối ưu hóa quá trình này.

2.3. Amoniac và muối amoni

Amoniac và các muối amoni là những nguồn nitơ được ưa chuộng trong công nghệ lên men vì có giá thành thấp và dễ sử dụng. Trong công nghiệp, amoniac chủ yếu được sản xuất thông qua phản ứng giữa hydro và nitơ, gọi là quy trình Haber–Bosch [105]. Hiện nay, các phương pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn như tổng hợp điện hóa, sử dụng sinh khối và công nghệ thu giữ carbon đang được nghiên cứu để tạo ra amoniac xanh, giúp giảm phát thải khí nhà kính và hạ chi phí sản xuất [106].

Muối amoni được tạo ra bằng cách cho amoniac phản ứng với các chất như axit clohidric, axit sunfuric hoặc carbon dioxit [107,108]. Mỗi năm, thế giới sản xuất khoảng 175 triệu tấn amoniac [109].

Nhiều loài vi sinh vật như Streptococcus, Clostridium, Succinivibrio, Oxalobacter, Nitrosopumilus và Nitrospina có khả năng sử dụng amoniac hoặc muối amoni làm nguồn nitơ [110,111]. So với ure, muối amoni tiết kiệm năng lượng hơn cho vi sinh vật vì chúng có thể hấp thu trực tiếp dưới dạng ion NH₄⁺ [112].

Trong lên men công nghiệp, amoniac và muối amoni thường được thêm vào môi trường nuôi cấy để thúc đẩy tăng trưởng. Ví dụ, bổ sung amoni sulfat đã giúp tăng tốc độ phát triển tối đa của nấm men S. cerevisiae S101 từ 0,24 lên 0,27 h⁻¹ [113]. Với nấm mốc Aspergillus niger PM1, việc thêm muối amoni ở giai đoạn sau của lên men giúp tăng gấp đôi tốc độ tăng trưởng [114].

Tuy nhiên, khả năng chịu đựng muối amoni của các vi khuẩn là khác nhau. Các loài như Corynebacterium glutamicum, E. coli và Bacillus subtilis có thể phát triển tốt dù nồng độ amoni cao tới 500 mM [115]. Trong khi đó, loài Streptomyces fradiae SF-2 chỉ phát triển mạnh ở nồng độ 60 mM, và thậm chí có thể bị ức chế nếu nồng độ amoni vượt quá 20 mM [116,117].

Một điểm đáng chú ý là nước thải giàu muối amoni có thể được tận dụng làm nguồn nitơ để nuôi các vi khuẩn như Cupriavidus necator H16 và Xanthobacter viscosus 7d, đồng thời sử dụng CO₂ làm nguồn carbon để tạo ra protein vi sinh – một giải pháp thay thế tiềm năng cho bột cá hay protein đậu nành trong thức ăn chăn nuôi [118].

Vi tảo nói chung có khả năng chịu được nồng độ amoni cao hơn so với các loại vi sinh vật khác [119]. Một số loài như Chlorella vulgaris, Chlorella minutissima, Chlamydomonas reinhardtii và Arthrospira platensis có thể phát triển tốt ở nồng độ amoni tương đương với nước thải sinh hoạt [120]. Ngoài ra, khi có cả amoni và nitrat, một số loài như C. vulgaris và C. reinhardtii thường ưu tiên sử dụng amoni [121]. Vì lý do này, vi tảo đang được nghiên cứu rộng rãi để xử lý nitơ amoni trong nước thải [122,123].

Trong môi trường nuôi cấy, amoniac và muối amoni sẽ chuyển thành ion NH₄⁺, được vận chuyển vào tế bào vi sinh vật qua các protein vận chuyển chuyên biệt [124]. Sau đó, ion NH₄⁺ kết hợp với axit glutamic nhờ enzyme glutamine synthetase (GS) để tạo ra glutamin [125]. Glutamin đóng vai trò trung gian trong việc cung cấp nhóm amin cho quá trình tổng hợp các axit amin – thành phần cơ bản của protein [126].

Enzyme GS có vai trò then chốt trong việc chuyển nitơ vô cơ (amoni) thành dạng nitơ hữu cơ (glutamin). Hiệu quả hoạt động của enzyme này phụ thuộc vào loài vi tảo cũng như nồng độ amoni trong môi trường [125,127]. Do đó, để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa nitơ và tăng năng suất protein trong sản xuất công nghiệp, cần điều chỉnh phù hợp loại vi sinh vật và lượng amoniac hoặc muối amoni được sử dụng.

2.4. Chất thải chứa nitơ phi protein (NPN)

Trong chu trình nitơ, chất thải chứa nitơ và hiện tượng lắng đọng nitơ có mối liên hệ chặt chẽ. Khi các chất thải này bị thải ra môi trường, chúng góp phần làm tăng lắng đọng nitơ. Năm 2020, lượng nitơ trung bình bị lắng đọng trên đất liền toàn cầu là 7,0 kg N/ha/năm, trong đó nitơ ở dạng amoni chiếm đến 4,3 kg N/ha/năm [128].

Các loại chất thải giàu nitơ thường thấy như bùn thải sinh hoạt, rác thực phẩm và phân gia súc chứa các dạng nitơ phi protein (NPN) như ure và amoni [129,130]. Ngoài ra, các phụ phẩm từ công nghiệp và nông nghiệp (ví dụ: nước thải, dịch tiêu hóa sinh học) cũng chứa NPN, chủ yếu ở dạng amoni [131].

Sử dụng các chất thải giàu nitơ để sản xuất protein thức ăn chăn nuôi là một hướng đi triển vọng, giúp hạn chế ô nhiễm từ NPN. Đồng thời, các loại chất thải “an toàn” từ ngành công nghiệp – vốn chứa carbohydrate, lipid, protein, vitamin, khoáng chất và hợp chất sinh học – có thể được tận dụng làm nguyên liệu lên men vi sinh [143,144].

Thông thường, các phụ phẩm công – nông nghiệp chứa hai dạng nitơ chính: nitơ hữu cơ (protein, peptide, axit amin) và NPN. Nếu chỉ lên men các chất thải chứa nitơ hữu cơ, ta chỉ cải thiện chất lượng protein. Ngược lại, xử lý các chất thải giàu NPN còn có thể biến NPN thành nitơ hữu cơ – làm tăng giá trị sử dụng. Do đó, protein thức ăn có thể được tạo ra không chỉ từ dịch lên men chứa amoni mà còn từ nhiều loại chất thải như rác thực phẩm, phụ phẩm nông nghiệp – công nghiệp [145–148].

Ví dụ, hỗn hợp rác thực phẩm gồm phế phẩm cá, dứa, chuối, táo và vỏ cam được lên men bằng nấm men S. cerevisiae có thể tăng hàm lượng protein từ 8,52% lên 40,19% [149]. Bã đậu phụ khi lên men với Chlorella sp. cũng đạt hàm lượng protein lên đến 52,32% [150]. Các nguyên liệu thải khác như mật rỉ, dầu ăn thải, glycerol thô (từ sản xuất diesel sinh học), giấy phế liệu, lignin, methanol… cũng đang được nghiên cứu để sản xuất protein [151–153].

Một số ví dụ nổi bật:

• Lên men Y. lipolytica với dầu ăn thải tạo ra 36,6 g/L sinh khối, chứa 47% protein [154].
  
• Lên men mật mía tạo ra 151,2 g/L protein trong quy mô 10 L [147].
  
• Lên men Rhodotorula mucilaginosa với giấy phế thủy phân tạo ra 2,1 g/L protein ở quy mô 3 L [155].
  

Phương pháp này không chỉ giúp tái sử dụng chất thải mà còn đóng góp vào mô hình kinh tế tuần hoàn và đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu. Vì thế, ngày càng có nhiều công ty quan tâm đến sản xuất protein từ nguyên liệu thải [156].

Một số công ty tiêu biểu:

• Mycorena: Sản xuất Promyc – protein từ lên men nấm sợi với phụ phẩm thực phẩm. Có thể thay thế bột đậu nành và bột cá.
  
• KnipBio: Tạo ra KnipBio Meal (KBM) – protein đơn bào từ cặn chưng cất ethanol, phù hợp cho nuôi trồng thủy sản, không chứa chất kháng dinh dưỡng.
  
• Nutrinsic: Lên men vi khuẩn trong nước thải nhà máy bia để tạo ProFloc™ chứa 60% protein – làm thức ăn cho cá và vật nuôi.
  
• Saltgae: Dùng vi tảo xử lý nước thải công nghiệp chứa nitơ và tổng hợp protein bằng quang hợp. Phương pháp này giúp tận dụng 90% năng lượng và dinh dưỡng, giảm 59% chi phí xử lý.
  
• Unibio: Dùng vi sinh vật lên men khí methane để tạo UniProtein R với 71% protein – đã được cấp phép sử dụng trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản [158].
  

Tuy nhiên, chất thải được dùng phải có carbon và nitơ ở dạng vi sinh vật dễ hấp thụ. Nhiều chất thải nông nghiệp chứa carbohydrate dạng cellulose và hemicellulose – khó phân giải trực tiếp. Do đó, cần xử lý trước bằng các phương pháp hóa học, vật lý hoặc sinh học để tạo monosaccharide làm nguồn carbon cho lên men [159,160].

Ngoài ra, hàm lượng và dạng NPN cũng rất quan trọng. Ví dụ, vỏ chuối và phế phẩm táo chứa ít NPN nên cần bổ sung thêm nitơ để lên men hiệu quả [161]. Một số loại NPN lại liên kết chặt với chất hữu cơ (như nước thải hỗn hợp), khiến vi sinh vật khó sử dụng [162].

Cũng cần lưu ý đến độc tố trong chất thải. Ví dụ:

• Nước thải chứa kim loại nặng (đồng, kẽm, chì…) gây hại cho vật nuôi [163].
  
• Một số chất hữu cơ độc hại trong rác thải có thể ức chế vi sinh vật [164].
  
• Nước thải từ nhà máy dược phẩm có thể chứa kháng sinh – gây rối loạn hệ vi sinh [165].
  

Hiện nay, nhiều quốc gia như Mỹ, châu Âu và Nhật Bản đã ban hành quy định nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn trong sản xuất protein từ chất thải:

• Hoa Kỳ: Chất thải nông nghiệp dùng làm nguyên liệu phải tuân thủ tiêu chuẩn an toàn thực phẩm của FDA.
  
• Châu Âu: Nguồn chất thải dùng sản xuất protein vi sinh phải an toàn, không chứa độc tố.
  
• Nhật Bản: Áp dụng quy trình GFMP (Good Feed Manufacturing Practice) do MAFF ban hành để đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn quốc gia.

3. Cơ sở của việc đồng hóa nitơ không protein (NPN) bởi vi sinh vật

Quá trình chuyển hóa nitơ trong vi sinh vật diễn ra theo một chu trình gồm sáu bước chính:

1. Khử amin (ammonification)
   
2. Cố định nitơ
   
3. Nitrat hóa (nitrification)
   
4. Khử nitrat (denitrification)
   
5. Oxy hóa amoni yếm khí (anammox)
   
6. Đồng hóa (assimilation) [167]
   

Trong chu trình này, khí nitơ (N₂) trong không khí được vi sinh vật cố định và biến đổi thành amonia (NH₃). Amonia sau đó được đưa vào tế bào và đồng hóa để tạo thành glutamate – nguyên liệu nền cho tổng hợp các axit amin và protein.

Một phần quan trọng trong chu trình là việc vi sinh vật sử dụng NPN để tạo ra protein. NPN (như ure, amonia) là những hợp chất chứa nitơ nhưng không thuộc dạng protein. Vi sinh vật có khả năng sử dụng các enzyme đặc biệt để chuyển hóa NPN thành amonia, sau đó đồng hóa amonia thành các axit amin và tiếp tục tổng hợp thành protein (như mycoprotein – protein từ nấm men hoặc nấm sợi).

Quá trình này đã được chứng minh từ những năm 1960, khi Belasco và Henderickx phát hiện ra rằng amoni butanedioate có thể thúc đẩy quá trình tổng hợp protein. Sau này, các nghiên cứu của Zhu và cộng sự cũng cho thấy muối amoni hữu cơ giúp vi sinh vật phát triển, phân giải cellulose và tăng sinh tổng hợp protein [168].

Cơ chế tổng hợp protein từ NPN

Hình 2 (không hiển thị ở đây) minh họa quá trình NPN được chuyển hóa thành protein thông qua các con đường sau:

• Amonia có thể được tạo ra từ:
  • Khử nitrat và nitrit (NR, NiR)
    
  • Cố định khí nitơ (nitrogenase)
    
  • Phân giải ure

• Amonia sau đó được:
  • Kết hợp với glutamate nhờ glutamine synthetase (GS) để tạo glutamine
    
  • Glutamine sau đó chuyển hóa trở lại glutamate nhờ glutamate synthetase (GOGAT)
    
  • Glutamate là nguyên liệu chính để tạo axit amin, từ đó tổng hợp protein
    

Các enzyme quan trọng trong quá trình này gồm:

• Nitrogenase: chuyển khí nitơ thành amonia. Có cấu trúc phức tạp với 6 tiểu đơn vị chứa molybden và ferritin [170].
  
• Nitrate reductase (NR) và Nitrite reductase (NiR): lần lượt chuyển nitrat → nitrit → amonia [171].
  
• GS và GOGAT: chuyển amonia thành glutamine rồi thành glutamate – bước trung gian để tổng hợp axit amin và protein [172, 173].
  

Hướng tiếp cận hiện đại: Biến đổi gen để tăng hiệu quả đồng hóa NPN

Dù cơ chế đã rõ, việc nâng cao hiệu suất đồng hóa NPN vẫn là thách thức lớn. Nhờ sự phát triển của sinh học tổng hợp và kỹ thuật di truyền, các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp tăng cường khả năng đồng hóa NPN của vi sinh vật. Cụ thể:

• Tăng cường enzyme nitrogenase: ví dụ, gen nitrogenase từ Azotobacter vinelandii được đưa vào E. coli giúp tăng hoạt tính enzyme lên 10 lần [63].
  
• Chuyển gen cố định nitơ vào cây trồng: ví dụ, 11 gen từ Paenibacillus polymyxa và 2 gen từ Klebsiella oxytoca đã được tích hợp thành công vào cây lúa, giúp cây có khả năng tự tổng hợp nitrogenase [176].
  

Các thách thức hiện nay

Dù có tiềm năng, công nghệ này vẫn gặp nhiều rào cản:

• Hiệu suất đồng hóa thấp trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như mặn, nhiệt độ cao
  
• Chỉnh sửa gen còn khó kiểm soát, thiếu ổn định
  
• Yếu tố môi trường (pH, nhiệt độ, nồng độ oxy…) ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả sinh học

Tuy vậy, với các bước tiến nhanh chóng trong công nghệ gen, trao đổi chất và sinh học hệ thống, việc ứng dụng vi sinh vật để chuyển hóa NPN thành protein hiệu quả và bền vững là hoàn toàn khả thi trong tương lai.

4. Công nghệ lên men công nghiệp để sản xuất protein làm thức ăn chăn nuôi

Công nghệ lên men là nền tảng quan trọng trong nhiều ngành như dược phẩm, thực phẩm, nông nghiệp, nhiên liệu sinh học và xử lý môi trường. Nguyên lý cơ bản của công nghệ này là cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và điều kiện phù hợp để vi sinh vật phát triển và thực hiện quá trình chuyển hóa. Môi trường lên men thường cần có các nguồn carbon, nitơ, khoáng chất, vitamin và vi lượng để đạt hiệu quả tối ưu.

Trong sản xuất protein làm thức ăn chăn nuôi, vi sinh vật được nuôi cấy bằng công nghệ lên men để biến đổi nguồn nitơ phi protein (NPN) thành protein. Để quá trình này đạt hiệu quả cao, việc lựa chọn công nghệ lên men phù hợp với loại vi sinh vật và nguồn NPN là rất quan trọng. Ba hình thức lên men phổ biến gồm: lên men thể rắn (SSF), lên men thể lỏng, và lên men thể khí.

4.1. Lên men thể rắn (SSF)

Lên men thể rắn (SSF) là một kỹ thuật truyền thống có nhiều ưu điểm so với lên men thể lỏng:

• Nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm: chủ yếu là các phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, cám, bã đậu…
  
• Xử lý đơn giản sau lên men: chỉ cần sấy khô là có thể dùng được.
  
• Giảm chất kháng dinh dưỡng: giúp nguyên liệu an toàn và dễ tiêu hóa hơn.
  

Tuy nhiên, SSF cũng gặp một số hạn chế như: truyền nhiệt kém, khó khuấy trộn, và hạn chế về loại vi sinh vật có thể sử dụng.

Nguyên liệu thường dùng trong SSF bao gồm: rơm rạ, vỏ ngô, cám mì, bã rượu, bã đậu nành, bã cải dầu… Đây là các nguyên liệu có hàm lượng chất rắn cao và khó tan. Kết quả thu được sau lên men thường là hỗn hợp gồm cơ chất đã được lên men và sinh khối vi sinh vật – chứa nhiều protein.

Một số ví dụ cụ thể:

• Rơm rạ xử lý bằng amonia và hơi nước, sau đó lên men với nấm A. niger và nấm men Candida tropicalis, giúp tăng lượng protein thô gấp 4,37 lần và protein thật gấp 5,03 lần.
  
• Phế phẩm xoài lên men với Candida utilis, kết hợp NPN như amoni sulfat hoặc nitrat, giúp tăng hàm lượng protein thô từ khoảng 30% đến hơn 50%.
  
• Vỏ khoai tây lên men với Saccharomyces cerevisiae, khi bổ sung ure hoặc amoni sulfat, có thể nâng lượng protein từ 12,5% lên 18–22%.
  
• Nhóm nghiên cứu cũng đã sử dụng hỗn hợp vi sinh vật (như Agrobacterium, Bacillus, Lactobacillus, Trichoderma, v.v.) để lên men rơm ngô, kết hợp bổ sung 4% amoni sulfat. Sau 23 ngày, khả năng tiêu hóa protein thật tăng từ 27,11% lên 45,29%.
  
• Ngũ cốc sau chưng cất được lên men qua 3 giai đoạn (hiếu khí – vi hiếu khí – kỵ khí), với 1% ure và độ ẩm 50%, giúp tăng hàm lượng protein từ 10,81% lên 16,44% chỉ sau 11 ngày.
  
• Một số cộng đồng vi sinh vật chịu nhiệt cũng cho kết quả rất tốt, có thể làm tăng lượng protein thật trong rơm rạ từ 56% đến 72% chỉ trong vòng 7 ngày.

Thiết bị sử dụng trong SSF gồm:

• Khay lên men và giường cố định: phù hợp cho vi sinh vật dạng sợi (nấm), không cần khuấy trộn, hạn chế làm hỏng cấu trúc.
  
• Hệ thống lên men rung hoặc lai: cho phép khuấy và thông khí cưỡng bức, giúp truyền nhiệt và phân bố chất dinh dưỡng tốt hơn.

Thách thức và giải pháp khi áp dụng SSF ở quy mô công nghiệp:

Khó khăn chính:

• Chi phí cao
  
• Vi sinh vật bị giới hạn trong khả năng chuyển hóa
  
• Khó mở rộng quy mô sản xuất
  

Giải pháp đề xuất:

• Chọn lọc hoặc biến đổi các chủng vi sinh vật để chúng chịu được điều kiện khắc nghiệt
  
• Tối ưu hóa các con đường chuyển hóa
  
• Phát triển thiết bị lên men hiện đại như trống quay, bể lên men có thông khí cưỡng bức để cải thiện cung cấp oxy và kiểm soát nhiệt độ

Việc giám sát chính xác các yếu tố như pH, độ ẩm, oxy, nồng độ sản phẩm vẫn còn là thử thách. Tuy nhiên, các công nghệ điều khiển tự động và cảm biến thông minh đang dần giúp khắc phục vấn đề này, mở ra tiềm năng lớn cho sản xuất protein từ SSF.

4.2. Lên men ở thể lỏng (Liquid State Fermentation – LSF)

So với lên men thể rắn (SSF), công nghệ lên men thể lỏng (LSF) dễ kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ và pH, đồng thời các chất dinh dưỡng trong môi trường lên men được phân bố đều, thuận lợi cho sản xuất ở quy mô lớn. Tuy nhiên, công nghệ này đòi hỏi thiết bị đắt tiền, tiêu tốn nhiều năng lượng, và dễ bị nhiễm khuẩn.

Trong LSF, người ta thường sử dụng nguồn chất nền hòa tan để nuôi vi sinh vật, sau đó thu nhận sinh khối – tức phần tế bào vi sinh vật chứa hàm lượng protein cao (có thể đạt 48–71%). Mặc dù chi phí sản xuất cao hơn SSF, nhưng vi sinh vật tạo ra trong LSF lại giàu acid amin và vitamin, cung cấp giá trị dinh dưỡng cao cho vật nuôi.

Nhiều loại chất thải lỏng chứa carbonhydrate hoặc nitơ phi protein (NPN) đã được tận dụng để sản xuất protein vi sinh bằng LSF. Ví dụ:

• Nước thải từ sản xuất tinh bột khoai tây (PSPW) chứa 488 mg/L amoni, được lên men bởi Candida utilis, Geotrichum candidum và Candida tropicalis, tạo ra 3,06 g protein/L.
  
• Nước thải từ chế biến đậu nành khi lên men với nhóm vi sinh vật gồm Acidipropionibacterium và Propioniciclava có thể tạo ra sinh khối vi sinh vật chứa đến 47,8% protein.
  

Một số loại chất thải rắn cũng có thể được xử lý thành dạng lỏng để sử dụng trong LSF:

• Rơm lúa mì, sau khi được xử lý bằng acid loãng và enzyme để thủy phân cellulose thành đường hòa tan, có thể lên men với Trichosporon cutaneum MP11 (có bổ sung 24 g/L amoni sulfat), đạt hiệu suất protein 24,4 g/L sau 48 giờ.
  
• Vỏ dứa, sau khi thủy phân và bổ sung 2 g/L oxalat amoni, được lên men bởi Trichoderma viride ATCC28038, giúp tăng hàm lượng protein từ 9,44 mg/mL lên đến 55,44 mg/mL.
  

Thiết bị sử dụng trong LSF gồm:

• Bồn khuấy (stirred-tank): hiệu quả truyền oxy cao, phù hợp cho vi sinh vật mật độ lớn, nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng.
  
• Thiết bị airlift: tiết kiệm năng lượng hơn nhưng truyền oxy kém hơn.
  
• Cột khí (bubble column): thiết kế đơn giản, chi phí thấp nhưng hiệu quả truyền oxy cũng không cao.
  

Trong số này, bồn khuấy là lựa chọn phổ biến để sản xuất mycoprotein.

Thách thức trong LSF quy mô công nghiệp:

• Phân bố dinh dưỡng chưa đều
  
• Chi phí sản xuất cao
  
• Dễ nhiễm khuẩn
  

Giải pháp gồm: tối ưu thiết bị, sử dụng mô hình kinh tế tuần hoàn, kiểm soát chặt các thông số như nhiệt độ, pH và lượng oxy hòa tan. Ngoài ra, việc nâng cao khả năng thích nghi và ổn định của vi sinh vật cũng là mục tiêu lâu dài để đảm bảo quy trình sản xuất ổn định.

4.3. Lên men khí (Gas Fermentation – GF)

Nhiều ngành công nghiệp lớn như luyện thép, lọc dầu hoặc sản xuất hợp kim thải ra lượng lớn khí công nghiệp – nguyên nhân chính gây tăng khí nhà kính. Lên men khí (GF) là công nghệ sử dụng vi sinh vật đặc biệt để chuyển hóa các loại khí thải này thành protein.

Chỉ một số loại vi sinh vật có thể sử dụng khí như hydro (H₂), methan (CH₄) hoặc carbon monoxide (CO) để phát triển. Quy trình GF bao gồm: thu và xử lý khí, lên men bằng vi sinh, sau đó thu hồi sản phẩm. Ngoài protein, quá trình này có thể tạo ra thêm ethanol, biodiesel và glycerol.

Một số ví dụ điển hình:

• Moorella thermoacetica và Cupriavidus necator có thể sử dụng CO và NH₃ từ khí thải luyện thép, giúp giảm chi phí sản xuất protein xuống còn 2,78 USD/kg, thấp hơn mức chuẩn là 4,15 USD/kg.
  
• Calysta (Mỹ) sản xuất protein vi sinh từ vi khuẩn oxy hóa metan, sử dụng khí metan, oxy và nitơ không khí. Protein đạt hàm lượng trên 70% và đã được thương mại hóa để nuôi cá hồi tại châu Âu.
  
• Công ty Shoulang (Trung Quốc) sử dụng Clostridium autoethanogenum để lên men CO, CO₂ và nước amoniac, thu được protein thô với hàm lượng lên tới 80–92,4%, dùng thay thế bột cá trong nuôi trồng thủy sản.
  
• Các công ty như Solarfoods, Kiverdi, Novo Nutrients và Avecom cũng đang phát triển công nghệ sử dụng khí CO₂ và H₂ để tạo ra protein từ vi khuẩn oxy hóa hydro – ứng dụng phổ biến trong nuôi trồng thủy sản.
  

Thiết bị dùng trong GF rất đa dạng:

• Bồn khuấy, airlift, U-loop (thích hợp cho quy mô lớn vì truyền khí tốt)
  
• Thiết bị vi bong bóng, Taylor-Couette, hình xuyến, lên men màng, nhỏ giọt, biofilm di động…
  

Việc sản xuất protein từ khí thải có tiềm năng lớn nhưng chưa thực sự cạnh tranh về kinh tế so với các loại protein truyền thống. Một số thách thức lớn gồm:

• Thiết kế thiết bị lên men phù hợp với khí
  
• Kiểm soát quá trình hòa tan khí
  
• Khả năng vi sinh vật cố định nitơ
  
• Yêu cầu điều kiện áp suất và nhiệt độ đặc biệt
  

Để giải quyết, các giải pháp đang được nghiên cứu như:

• Cải tiến hệ thống truyền khí
  
• Tích hợp cảm biến sinh học để theo dõi nitơ
  
• Tối ưu chu trình nitơ, xây dựng mô hình “thu – cố định – tuần hoàn” nitơ hiệu quả hơn

5. Tiến hóa và sàng lọc chủng vi sinh để tăng khả năng sử dụng Nitơ phi protein (NPN)

Việc vi sinh vật sử dụng hiệu quả NPN là yếu tố then chốt trong sản xuất protein cho thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên, không phải chủng vi sinh nào cũng được phép sử dụng. Chẳng hạn, theo quy định ở Trung Quốc, chỉ có 35 chủng được phép đưa trực tiếp vào thức ăn hoặc dùng trong quá trình lên men [213]. Dù có một số vi sinh vật tự nhiên có khả năng sử dụng NPN, nhưng phần lớn các chủng này lại không thích hợp để sản xuất công nghiệp quy mô lớn do năng suất thấp và khó sống sót trong điều kiện công nghiệp khắc nghiệt [214].

Để khắc phục điều đó, các kỹ thuật như di truyền, gây đột biến và tiến hóa thích nghi trong phòng thí nghiệm (ALE) đã được áp dụng nhằm tăng năng suất và độ bền của chủng [215]. Tuy nhiên, chỉnh sửa di truyền với các chủng tự nhiên thường phức tạp và tốn thời gian vì thiếu công cụ phù hợp và hiểu biết sâu về hệ thống chuyển hóa [216,217]. Thêm vào đó, sử dụng sinh vật biến đổi gen (GMO) trong thức ăn gặp rào cản lớn vì luật pháp nghiêm ngặt và người tiêu dùng còn e ngại [218,219].

Phương pháp gây đột biến ngẫu nhiên tạo ra sự đa dạng gene bằng cách dùng các tác nhân vật lý (như tia UV, tia X,…) hoặc hóa học. Gần đây, công nghệ plasma ở nhiệt độ phòng (ARTP) và chiếu xạ bằng hạt nặng trở nên phổ biến nhờ tỷ lệ đột biến cao và thao tác đơn giản [221,222]. Ví dụ, chủng vi tảo Auxenochlorella pyrenoidosa sau đột biến bằng ARTP có hàm lượng protein tăng từ 40,11% lên 63,26%, năng suất đạt 0,87 g/L/ngày [223]. Tương tự, tốc độ phát triển và hàm lượng protein của nấm Pleurotus djamor cũng tăng đáng kể sau khi xử lý bằng ARTP [224]. Dù chiếu xạ hạt nặng cũng có tiềm năng, ứng dụng cho sản xuất protein vẫn còn ít nghiên cứu [225]. Một hạn chế lớn là đột biến có lợi xảy ra rất hiếm (<1/100,000), khiến việc sàng lọc tốn kém và kém hiệu quả [221].

Vì vậy, công nghệ sàng lọc thông lượng cao (HTS) rất cần thiết để chọn lọc nhanh các chủng đột biến tiềm năng. HTS tự động hóa các bước như lấy mẫu, pha loãng, rửa, phát hiện tín hiệu và phân tích dữ liệu [226]. Gần đây, HTS kết hợp với công nghệ vi lỏng giọt (droplet-based microfluidics) đã cho ra đời ultra-HTS, giúp giảm đáng kể chi phí bằng cách sử dụng lượng mẫu cực nhỏ (microlit hoặc nanolit).

Trong khi đó, phương pháp ALE cho phép vi sinh vật tiến hóa trong môi trường phòng thí nghiệm có kiểm soát, từ đó xuất hiện các đột biến có lợi [227–229]. So với tự nhiên, ALE có định hướng và không cần đưa gene lạ vào [230]. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi áp dụng với quần thể vi sinh vật, vốn có khả năng hỗ trợ lẫn nhau trong việc chuyển hóa và thích nghi với môi trường phức tạp [232]. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy ALE giúp cải thiện đường chuyển hóa, tăng tốc độ sinh trưởng, chịu đựng tốt hơn và tăng sản lượng sản phẩm [233,234]. Ví dụ, tốc độ sinh trưởng của E. coli K-12 MG1655 trong môi trường glucose tăng từ 0,69 h⁻¹ lên 1,01 h⁻¹ nhờ ALE [235]; thời gian nhân đôi của E. coli FMX892 giảm từ 79,2 giờ xuống chỉ còn 4,5 giờ [236]. Tuy vậy, hiện chưa có nghiên cứu nào ghi nhận việc dùng ALE để tăng khả năng sử dụng NPN hoặc tăng năng suất protein.

6. Kết luận và Triển vọng Tương lai

Sử dụng NPN để sản xuất protein vi sinh là một hướng đi đầy tiềm năng nhằm thay thế nguồn protein thực vật như đậu nành trong thức ăn chăn nuôi. Cách làm này giúp giảm sự cạnh tranh về thực phẩm giữa con người và vật nuôi. Đến nay, nhiều nghiên cứu đã cho thấy khả năng sản xuất protein từ các loại vi sinh vật như tảo, nấm men, nấm mốc và vi khuẩn, với nguyên liệu đầu vào là chất thải từ công nghiệp và nông nghiệp. Mặc dù nhiều tài liệu tập trung vào việc xử lý cellulose và hemicellulose để cung cấp nguồn carbon cho vi sinh, bài tổng quan này lại nhấn mạnh đến công nghệ tận dụng nguồn nitơ phi protein (NPN) để tạo protein vi sinh.

Để tăng hiệu quả và giảm chi phí sản xuất, điều quan trọng là phải sử dụng được các nguồn nitơ giá rẻ như khí nitơ, ure, amoni hoặc các loại chất thải giàu nitơ. Khi hiểu rõ hơn về cơ chế tổng hợp protein của vi sinh vật, chúng ta có thể nâng cao khả năng sử dụng NPN thông qua công nghệ lên men và chọn tạo các chủng vi sinh mới. Ở quy mô công nghiệp, quá trình lên men đã được nghiên cứu khá nhiều về thiết bị và quy trình, nhưng chính chủng vi sinh là yếu tố quyết định năng suất protein. Các công nghệ như đột biến ngẫu nhiên, tiến hóa thích nghi trong phòng thí nghiệm (ALE), và sàng lọc thông lượng cao (HTS/ultra-HTS) là các hướng đi đầy triển vọng để cải tiến chủng.

Về mặt kỹ thuật, những tiến bộ này có thể giúp vượt qua các rào cản hiện tại trong sản xuất protein vi sinh quy mô lớn. Tuy nhiên, để sản phẩm thực sự có thể đưa ra thị trường một cách rộng rãi, cần phải đảm bảo các yếu tố liên quan đến an toàn thực phẩm, quy định pháp luật và sự chấp nhận của người tiêu dùng. Hiện tại, nhiều người vẫn chưa hiểu rõ về lợi ích của protein vi sinh đối với sức khỏe vật nuôi, nên mức độ chấp nhận còn thấp. Ngoài ra, sản xuất quy mô lớn vẫn gặp nhiều thách thức, từ việc chọn chủng phù hợp đến đánh giá rủi ro và an toàn của sản phẩm.

Công nghệ sinh học tổng hợp ngày càng phát triển, giúp nâng cao khả năng tận dụng nitơ, nhưng cũng đi kèm với các rào cản pháp lý vì liên quan đến sinh vật biến đổi gen (GMO). Để vượt qua vấn đề này, cần cải thiện chính sách pháp luật và tăng cường quản lý tuân thủ. Đồng thời, việc nâng cao hiệu quả kinh tế bằng cách tối ưu hóa nguyên liệu đầu vào và sử dụng lại phụ phẩm (như nước thải) không chỉ giúp giảm chi phí và ô nhiễm mà còn mang lại giá trị kinh tế bổ sung.

Tóm lại, để protein vi sinh từ NPN trở thành giải pháp bền vững thay thế protein thực vật, chúng ta cần đồng thời giải quyết các vấn đề kỹ thuật, chất lượng, an toàn, pháp lý và môi trường. Đây sẽ là một bước tiến quan trọng trong việc giảm áp lực lên nguồn tài nguyên thiên nhiên và hạn chế tác động tiêu cực của NPN đến môi trường.

Đóng góp của Tác giả

Ý tưởng nghiên cứu, Z.W., Y.Y. (Yuxin Ye), và Y.C.; nhận tài trợ, Z.W.; viết bản thảo gốc, Z.W. và Y.Y. (Yuxin Ye); viết, xem xét và chỉnh sửa, F.W., Y.H., Y.Y. (Yuxuan Yang), Z.G., M.L., H.R., S.W., D.L. và J.X.; giám sát, Z.W. Tất cả các tác giả đều đã đọc và đồng ý với phiên bản công bố của bản thảo.

Tài trợ

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc (số tài trợ 22308338, 52200178), Chương trình Chính của Hợp tác và Đổi mới Nanyang, tỉnh Hà Nam, Trung Quốc (số tài trợ 21XTCX21001), Dự án Nghiên cứu Chính của các Tổ chức Giáo dục Đại học tỉnh Hà Nam, Trung Quốc (số tài trợ 22A530010), Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Chính của tỉnh Hà Nam (số tài trợ 252102110055), và Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Quốc gia về Nấu bia Dạng Rắn (số tài trợ GFGS-2023000501).

Tuyên bố Hội đồng Xem xét Thể chế
Không áp dụng.

Tuyên bố Đồng ý Tham gia
Không áp dụng.

Tuyên bố Sẵn có Dữ liệu
Không có dữ liệu mới được tạo ra hoặc phân tích trong nghiên cứu này.

Xung đột Lợi ích
Các tác giả tuyên bố không có xung đột lợi ích.

• Từ viết tắt
  Các từ viết tắt sau đây được sử dụng trong bài báo này:
  NPN – Nitơ phi protein
  RDA – Khẩu phần dinh dưỡng khuyến nghị
  UCYN-A – Candidatus Atelocyanobacter thalassa
  KBM – KnipBio Meal
  FDA – Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm
  MAFF – Bộ Nông nghiệp, Lâm nghiệp và Thủy sản
  GFMP – Thực hành sản xuất thức ăn tốt
  NR – Nitrat reductase
  NiR – Nitrit reductase
  GS – Glutamine synthetase
  GOGAT – Glutamate synthetase
  UC – Urea carboxylase
  Cu-NiRs – Copper-type nitrite reductases
  cd1NiRs – Cytochrome cd1-type nitrite reductases
  ccNiRs – Multiheme nitrite reductase
  SSF – Lên men thể rắn
  LSF – Lên men thể lỏng
  GF – Lên men khí
  ALE – Tiến hóa thích nghi trong phòng thí nghiệm
  ARTP – Plasma áp suất khí quyển nhiệt độ phòng
  HTS – Sàng lọc thông lượng cao

Tài liệu tham khảo

1. Lonnie, M.; Hooker, E.; Brunstrom, J.; Corfe, B.; Green, M.; Watson, A.; Williams, E.; Stevenson, E.; Penson, S.; Johnstone, A. Protein for Life: Review of Optimal Protein Intake, Sustainable Dietary Sources and the Effect on Appetite in Ageing Adults. Nutrients 2018, 10, 360. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
2. Smith, K.; Watson, A.W.; Lonnie, M.; Peeters, W.M.; Oonincx, D.; Tsoutsoura, N.; Simon-Miquel, G.; Szepe, K.; Cochetel, N.; Pearson, A.G.; et al. Meeting the Global Protein Supply Requirements of a Growing and Ageing Population. Eur. J. Nutr. 2024, 63, 1425–1433. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
3. Ferrari, L.; Panaite, S.-A.; Bertazzo, A.; Visioli, F. Animal- and Plant-Based Protein Sources: A Scoping Review of Human Health Outcomes and Environmental Impact. Nutrients 2022, 14, 5115. [Google Scholar] [CrossRef]
4. Liu, Y.; Aimutis, W.R.; Drake, M. Dairy, Plant, and Novel Proteins: Scientific and Technological Aspects. Foods 2024, 13, 1010. [Google Scholar] [CrossRef]
5. Smil, V. Nitrogen and Food Production: Proteins for Human Diets. AMBIO A J. Hum. Environ. 2002, 31, 126–131. [Google Scholar] [CrossRef]
6. Clark, M.; Tilman, D. Comparative Analysis of Environmental Impacts of Agricultural Production Systems, Agricultural Input Efficiency, and Food Choice. Environ. Res. Lett. 2017, 12, 064016. [Google Scholar] [CrossRef]
7. Sodiq, A.; Baloch, A.A.B.; Khan, S.A.; Sezer, N.; Mahmoud, S.; Jama, M.; Abdelaal, A. Towards Modern Sustainable Cities: Review of Sustainability Principles and Trends. J. Clean. Prod. 2019, 227, 972–1001. [Google Scholar] [CrossRef]
8. Boland, M.J.; Rae, A.N.; Vereijken, J.M.; Meuwissen, M.P.M.; Fischer, A.R.H.; Van Boekel, M.A.J.S.; Rutherfurd, S.M.; Gruppen, H.; Moughan, P.J.; Hendriks, W.H. The Future Supply of Animal-Derived Protein for Human Consumption. Trends Food Sci. Technol. 2013, 29, 62–73. [Google Scholar] [CrossRef]
9. Makkar, H.P.S. Review: Feed Demand Landscape and Implications of Food-Not Feed Strategy for Food Security and Climate Change. Animal 2018, 12, 1744–1754. [Google Scholar] [CrossRef]
10. Kim, S.W.; Less, J.F.; Wang, L.; Yan, T.; Kiron, V.; Kaushik, S.J.; Lei, X.G. Meeting Global Feed Protein Demand: Challenge, Opportunity, and Strategy. Annu. Rev. Anim. Biosci. 2019, 7, 221–243. [Google Scholar] [CrossRef]
11. Parisi, G.; Tulli, F.; Fortina, R.; Marino, R.; Bani, P.; Dalle Zotte, A.; De Angelis, A.; Piccolo, G.; Pinotti, L.; Schiavone, A.; et al. Protein Hunger of the Feed Sector: The Alternatives Offered by the Plant World. Ital. J. Anim. Sci. 2020, 19, 1204–1225. [Google Scholar] [CrossRef]
12. Santillan, E.; Yasumaru, F.; Vethathirri, R.S.; Thi, S.S.; Hoon, H.Y.; Sian, D.C.P.; Wuertz, S. Microbial Community-Based Protein from Soybean-Processing Wastewater as a Sustainable Alternative Fish Feed Ingredient. Sci. Rep. 2024, 14, 2620. [Google Scholar] [CrossRef]
13. Xu, X.; Sharma, P.; Shu, S.; Lin, T.-S.; Ciais, P.; Tubiello, F.N.; Smith, P.; Campbell, N.; Jain, A.K. Global Greenhouse Gas Emissions from Animal-based Foods are Twice those of Plant-based Foods. Nat. Food 2021, 2, 724–732. [Google Scholar] [CrossRef]
14. Li, Y.P.; Ahmadi, F.; Kariman, K.; Lackner, M. Recent Advances and Challenges in Single Cell Protein (SCP) Technologies for Food and Feed Production. npj Sci. Food 2024, 8, 66. [Google Scholar] [CrossRef]
15. Ayodele, T.; Tijani, A.; Liadi, M.; Alarape, K.; Clementson, C.; Hammed, A. Biomass-Based Microbial Protein Production: A Review of Processing and Properties. Front. Biosci.-Elite 2024, 16, 40. [Google Scholar] [CrossRef]
16. Nadar, C.G.; Fletcher, A.; Moreira, B.R.D.A.; Hine, D.; Yadav, S. Waste to Protein: A Systematic Review of a Century of Advancement in Microbial Fermentation of Agro-industrial Byproducts. Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2024, 23, e13375. [Google Scholar] [CrossRef]
17. Bojana, B.; Vucurovic, D.; Vasic, D.; Jevtic, M.R.; Dodic, S. Biotechnological Production of Sustainable Microbial Proteins from Agro-Industrial Residues and By-Products. Foods 2022, 12, 107. [Google Scholar] [CrossRef]
18. Muniz, E.D.N.; Montenegro, R.T.D.Q.; Da Silva, D.N.; D’Almeida, A.P.; Gonçalves, L.R.B.; De Albuquerque, T.L. Advances in Biotechnological Strategies for Sustainable Production of Non-Animal Proteins: Challenges, Innovations, and Applications. Fermentation 2024, 10, 638. [Google Scholar] [CrossRef]
19. Chama, N.T. Production of Single-Cell Protein from Different Substrates. Aust. J. Sci. Technol. 2019, 3, 148–153. [Google Scholar]
20. Xie, R.; Wang, Y.; Chen, Q.; Guo, W.; Jiao, N.; Zheng, Q. Coupling Between Carbon and Nitrogen Metabolic Processes Mediated by Coastal Microbes in Synechococcus-Derived Organic Matter Addition Incubations. Front. Microbiol. 2020, 11, 1041. [Google Scholar] [CrossRef]
21. Bibra, M.; Samanta, D.; Sharma, N.K.; Singh, G.; Johnson, G.R.; Sani, R.K. Food Waste to Bioethanol: Opportunities and Challenges. Fermentation 2022, 9, 8. [Google Scholar] [CrossRef]
22. Jagannathan, P.; Muthukumaran, C.; Tamilarasan, K. A Sequential Pretreatment of Lignocelluloses in Bamboo Biomass to Fermentable Sugars by Acid/Enzymatic Hydrolysis. 3 Biotech 2017, 7, 260. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
23. Alawad, I.; Ibrahim, H. Pretreatment of Agricultural Lignocellulosic Biomass for Fermentable Sugar: Opportunities, Challenges, and Future Trends. Biomass Convers. Biorefinery 2024, 14, 6155–6183. [Google Scholar] [CrossRef]
24. Begum, W.; Saha, B.; Mandal, U. A Comprehensive Review on Production of Bio-Surfactants by Bio-Degradation of Waste Carbohydrate Feedstocks: An Approach towards Sustainable Development. RSC Adv. 2023, 13, 25599–25615. [Google Scholar] [CrossRef]
25. Ahamefule, C.S.; Osilo, C.; Ahamefule, B.C.; Madueke, S.N.; Moneke, A.N. Simultaneous Production of Biofuel from Agricultural Wastes and Bioremediation of the Waste Substrates: A Review. Curr. Res. Microb. Sci. 2024, 7, 100305. [Google Scholar] [CrossRef]
26. Gao, L.; Liu, X. Effects of Carbon Concentrations and Carbon to Nitrogen Ratios on Sporulation of Two Biological Control Fungi as Determined by Different Culture Methods. Mycopathologia 2010, 169, 475–481. [Google Scholar] [CrossRef]
27. Manyi-Loh, C.E.; Lues, R. Anaerobic Digestion of Lignocellulosic Biomass: Substrate Characteristics (Challenge) and Innovation. Fermentation 2023, 9, 755. [Google Scholar] [CrossRef]
28. Hadiyarto, A.; Soetrisnanto, D.; Rosyidin, I.; Fitriana, A. Co-Digestion of Bagasse and Waterhyacinth for Biogas Production with Variation of C/N and Activated Sludge. J. Phys. Conf. Ser. 2019, 1295, 012050. [Google Scholar] [CrossRef]
29. Panda, J.; Amrit, R.; Mishra, A.K.; Chakraborty, A.; Rustagi, S.; Nath, P.C.; Sarabandi, K.; Sarma, H.; Wagh, M.S.; Mohanta, Y.K. Sustainable Valorization of Fruit and Vegetable Waste for Bioactive Compounds: Advancing Functional Food and Wellness. Waste Biomass Valor 2025, 1–30. [Google Scholar] [CrossRef]
30. Guida, S.; Van Peteghem, L.; Luqmani, B.; Sakarika, M.; McLeod, A.; McAdam, E.J.; Jefferson, B.; Rabaey, K.; Soares, A. Ammonia Recovery from Brines Originating from a Municipal Wastewater Ion Exchange Process and Valorization of Recovered Nitrogen into Microbial Protein. Chem. Eng. J. 2022, 427, 130896. [Google Scholar] [CrossRef]
31. Olsen, P.M.; Horn, S.J.; Byrtusova, D.; Moen, L.F.; Shapaval, V.; Hansen, L.D. Assessment of Different Nitrogen Sources and Bioreactor Cultivation Strategies during Growth of Aurantiochytrium Limacinum on Spruce Sugars. Algal Res. 2025, 86, 103951. [Google Scholar] [CrossRef]
32. Dewhurst, R.J.; Newbold, J.R. Effect of Ammonia Concentration on Rumen Microbial Protein Production In Vitro. Britisb J. Nutr. 2022, 127, 847–849. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
33. Ijaola, A.O.; Akamo, D.O.; George, T.T.; Sengul, A.; Adediji, M.Y.; Asmatulu, E. Algae as a Potential Source of Protein: A Review on Cultivation, Harvesting, Extraction, and Applications. Algal Res. 2024, 77, 103329. [Google Scholar] [CrossRef]
34. Nandy, S.K.; Srivastava, R.K. A Review on Sustainable Yeast Biotechnological Processes and Applications. Microbiol. Res. 2018, 207, 83–90. [Google Scholar] [CrossRef]
35. Koch, H.; Sessitsch, A. The Microbial-Driven Nitrogen Cycle and Its Relevance for Plant Nutrition. J. Exp. Bot. 2024, 75, 5547–5556. [Google Scholar] [CrossRef]
36. Li, J.; Yuan, M.; Meng, N.; Li, H.; Sun, J.; Sun, B. Influence of Nitrogen Status on Fermentation Performances of Non- Saccharomyces Yeasts: A Review. Food Sci. Hum. Wellness 2024, 13, 556–567. [Google Scholar] [CrossRef]
37. Chen, Y.; Lin, Y.; Zhu, J.; Zhou, J.; Lin, H.; Fu, Y.; Zhou, Y. Transcriptomic Analysis of Nitrogen Metabolism Pathways in Klebsiella Aerogenes Under Nitrogen-Rich Conditions. Front. Microbiol. 2024, 15, 1323160. [Google Scholar] [CrossRef]
38. Baumann, K.B.L.; Mazzoli, A.; Salazar, G.; Ruscheweyh, H.-J.; Müller, B.; Niederdorfer, R.; Sunagawa, S.; Lever, M.A.; Lehmann, M.F.; Bürgmann, H. Metagenomic and -Transcriptomic Analyses of Microbial Nitrogen Transformation Potential, and Gene Expression in Swiss Lake Sediments. ISME Commun. 2024, 4, ycae110. [Google Scholar] [CrossRef]
39. Rojo, M.C.; Talia, P.M.; Lerena, M.C.; Ponsone, M.L.; Gonzalez, M.L.; Becerra, L.M.; Mercado, L.A.; Martín-Arranz, V.; Rodríguez-Gómez, F.; Arroyo-López, F.N.; et al. Evaluation of Different Nitrogen Sources on Growth and Fermentation Performance for Enhancing Ethanol Production by Wine Yeasts. Heliyon 2023, 9, e22608. [Google Scholar] [CrossRef]
40. Tang, S.; Pan, W.; Zhou, J.; Ma, Q.; Yang, X.; Wanek, W.; Marsden, K.A.; Kuzyakov, Y.; Chadwick, D.R.; Wu, L.; et al. Soil Nitrogen and Phosphorus Regulate Decomposition of Organic Nitrogen Compounds in the Rothamsted Experiment. Soil Biol. Biochem. 2024, 196, 109502. [Google Scholar] [CrossRef]
41. Hu, C.-C.; Liu, X.-Y.; Driscoll, A.W.; Kuang, Y.-W.; Brookshire, E.N.J.; Lü, X.-T.; Chen, C.-J.; Song, W.; Mao, R.; Liu, C.-Q.; et al. Global Distribution and Drivers of Relative Contributions among Soil Nitrogen Sources to Terrestrial Plants. Nat. Commun. 2024, 15, 6407. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
42. Jin, D.; Zhao, S.; Zheng, N.; Beckers, Y.; Wang, J. Urea Metabolism and Regulation by Rumen Bacterial Urease in Ruminants–A Review. Ann. Anim. Sci. 2018, 18, 303–318. [Google Scholar] [CrossRef]
43. Dixon, R.; Kahn, D. Genetic Regulation of Biological Nitrogen Fixation. Nat. Rev. Microbiol. 2004, 2, 621–631. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
44. Massana, R. The Nitroplast: A Nitrogen-Fixing Organelle. Science 2024, 384, 160–161. [Google Scholar] [CrossRef]
45. Guo, K.; Yang, J.; Yu, N.; Luo, L.; Wang, E. Biological Nitrogen Fixation in Cereal Crops: Progress, Strategies, and Perspectives. Plant Commun. 2023, 4, 100499. [Google Scholar] [CrossRef]
46. Dai, H.; Wei, S.; Li, J.; Kong, W.; Wang, B.; Pei, J.; Wu, J. Fertilization Effects on Symbiotic and Free-Living Biological Nitrogen Fixations: Similar Effects but Different Mechanisms. Appl. Soil Ecol. 2024, 202, 105590. [Google Scholar] [CrossRef]
47. Aasfar, A.; Bargaz, A.; Yaakoubi, K.; Hilali, A.; Bennis, I.; Zeroual, Y.; Meftah Kadmiri, I. Nitrogen Fixing Azotobacter Species as Potential Soil Biological Enhancers for Crop Nutrition and Yield Stability. Front. Microbiol. 2021, 12, 628379. [Google Scholar] [CrossRef]
48. Wang, H.; Zhang, L.; Tian, C.; Fan, S.; Zheng, D.; Song, Y.; Gao, P.; Li, D. Effects of Nitrogen Supply on Hydrogen-Oxidizing Bacterial Enrichment to Produce Microbial Protein: Comparing Nitrogen Fixation and Ammonium Assimilation. Bioresour. Technol. 2024, 394, 130199. [Google Scholar] [CrossRef]
49. Hu, X.; Vandamme, P.; Boon, N. Co-Cultivation Enhanced Microbial Protein Production Based on Autotrophic Nitrogen-Fixing Hydrogen-Oxidizing Bacteria. Chem. Eng. J. 2022, 429, 132535. [Google Scholar] [CrossRef]
50. Hu, X.; Kerckhof, F.-M.; Ghesquière, J.; Bernaerts, K.; Boeckx, P.; Clauwaert, P.; Boon, N. Microbial Protein out of Thin Air: Fixation of Nitrogen Gas by an Autotrophic Hydrogen-Oxidizing Bacterial Enrichment. Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 3609–3617. [Google Scholar] [CrossRef]
51. Masson-Boivin, C. Symbiotic Nitrogen Fixation by Rhizobia—The Roots of a Success Story. Curr. Opin. Plant Biol. 2018, 44, 7–15. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
52. Zhang, W.; Chen, Y.; Huang, K.; Wang, F.; Mei, Z. Molecular Mechanism and Agricultural Application of the NifA–NifL System for Nitrogen Fixation. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 907. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
53. Mus, F.; Crook, M.B.; Garcia, K.; Garcia Costas, A.; Geddes, B.A.; Kouri, E.D.; Paramasivan, P.; Ryu, M.-H.; Oldroyd, G.E.D.; Poole, P.S.; et al. Symbiotic Nitrogen Fixation and the Challenges to Its Extension to Nonlegumes. Appl. Environ. Microbiol. 2016, 82, 3698–3710. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
54. Westhead, O.; Barrio, J.; Bagger, A.; Murray, J.W.; Rossmeisl, J.; Titirici, M.-M.; Jervis, R.; Fantuzzi, A.; Ashley, A.; Stephens, I.E.L. Near Ambient N2 Fixation on Solid Electrodes versus Enzymes and Homogeneous Catalysts. Nat. Rev. Chem. 2023, 7, 184–201. [Google Scholar] [CrossRef]
55. Riyaz, Z.; Khan, S.T. Nitrogen Fixation by Methanogenic Archaea, Literature Review and DNA Database-Based Analysis; Significance in Face of Climate Change. Arch. Microbiol. 2025, 207, 6. [Google Scholar] [CrossRef]
56. Kartal, B.; Keltjens, J.T. Anammox Biochemistry: A Tale of Heme c Proteins. Trends Biochem. Sci. 2016, 41, 998–1011. [Google Scholar] [CrossRef]
57. Ettwig, K.F.; Butler, M.K.; Le Paslier, D.; Pelletier, E.; Mangenot, S.; Kuypers, M.M.M.; Schreiber, F.; Dutilh, B.E.; Zedelius, J.; De Beer, D.; et al. Nitrite-Driven Anaerobic Methane Oxidation by Oxygenic Bacteria. Nature 2010, 464, 543–548. [Google Scholar] [CrossRef]
58. Fang, F.C. Antimicrobial Reactive Oxygen and Nitrogen Species: Concepts and Controversies. Nat. Rev. Microbiol. 2004, 2, 820–832. [Google Scholar] [CrossRef]
59. Bennett, E.M.; Murray, J.W.; Isalan, M. Engineering Nitrogenases for Synthetic Nitrogen Fixation: From Pathway Engineering to Directed Evolution. BioDesign Res. 2023, 5, 0005. [Google Scholar] [CrossRef]
60. Han, Y.; Lv, M.; Liu, J.; He, S.; Shi, W.; Li, M.; Gao, Z. Agronomic Practices-Driven Response of Nitrogen-Related Microorganisms. Plant Soil 2025, 1–16. [Google Scholar] [CrossRef]
61. Michel-Reydellet, N.; Kaminski, P.A. Azorhizobium caulinodans PII and GlnK Proteins Control Nitrogen Fixation and Ammonia Assimilation. J. Bacteriol. 1999, 181, 2655–2658. [Google Scholar] [CrossRef]
62. Schnabel, T.; Sattely, E. Engineering Posttranslational Regulation of Glutamine Synthetase for Controllable Ammonia Production in the Plant Symbiont Azospirillum brasilense. Appl. Environ. Microbiol. 2021, 87, e00582-21. [Google Scholar] [CrossRef]
63. Ito, Y.; Yoshidome, D.; Hidaka, M.; Araki, Y.; Ito, K.; Kosono, S.; Nishiyama, M. Improvement of the Nitrogenase Activity in Escherichia coli That Expresses the Nitrogen Fixation-Related Genes from Azotobacter vinelandii. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2024, 728, 150345. [Google Scholar] [CrossRef]
64. Tatemichi, Y.; Nakahara, T.; Ueda, M.; Kuroda, K. Construction of Recombinant Escherichia coli Producing Nitrogenase-Related Proteins from Azotobacter vinelandii. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2021, 85, 2209–2216. [Google Scholar] [CrossRef]
65. Yang, Z.; Han, Y.; Ma, Y.; Chen, Q.; Zhan, Y.; Lu, W.; Cai, L.; Hou, M.; Chen, S.; Yan, Y.; et al. Global Investigation of an Engineered Nitrogen-Fixing Escherichia coli Strain Reveals Regulatory Coupling between Host and Heterologous Nitrogen-Fixation Genes. Sci. Rep. 2018, 8, 10928. [Google Scholar] [CrossRef]
66. Brown, K.A.; Harris, D.F.; Wilker, M.B.; Rasmussen, A.; Khadka, N.; Hamby, H.; Keable, S.; Dukovic, G.; Peters, J.W.; Seefeldt, L.C.; et al. Light-Driven Dinitrogen Reduction Catalyzed by a CdS:Nitrogenase MoFe Protein Biohybrid. Science 2016, 352, 448–450. [Google Scholar] [CrossRef]
67. Dey, S.; Awata, T.; Mitsushita, J.; Zhang, D.; Kasai, T.; Matsuura, N.; Katayama, A. Promotion of Biological Nitrogen Fixation Activity of an Anaerobic Consortium Using Humin as an Extracellular Electron Mediator. Sci. Rep. 2021, 11, 6567. [Google Scholar] [CrossRef]
68. Luo, Y.W.; Lou, Y.W.; Shi, D.; Kranz, S.A.; Hopkinson, B.M.; Hong, H.; Shen, R.; Zhang, F. Reduced Nitrogenase Efficiency Dominates Response of the Globally Important Nitrogen Fixer Trichodesmium to Ocean Acidification. Nat. Commun. 2019, 10, 1521. [Google Scholar] [CrossRef]
69. Azeem, B.; KuShaari, K.; Man, Z.B.; Basit, A.; Thanh, T.H. Review on Materials & Methods to Produce Controlled Release Coated Urea Fertilizer. J. Control. Release 2014, 181, 11–21. [Google Scholar] [CrossRef]
70. Foschi, F.G. Urea Cycle Disorders: A Case Report of a Successful Treatment with Liver Transplant and a Literature Review. World J. Gastroenterol. 2015, 21, 4063. [Google Scholar] [CrossRef]
71. Mobley, H.L.; Hausinger, R.P. Microbial Ureases: Significance, Regulation, and Molecular Characterization. Microbiol. Rev. 1989, 53, 85–108. [Google Scholar] [CrossRef]
72. Patra, A.K.; Aschenbach, J.R. Ureases in the Gastrointestinal Tracts of Ruminant and Monogastric Animals and Their Implication in Urea-N/Ammonia Metabolism: A Review. J. Adv. Res. 2018, 13, 39–50. [Google Scholar] [CrossRef]
73. González-Martín, I.; Hernández-Hierro, J.M. Detection and Quantification of Additives (Urea, Biuret and Poultry Litter) in Alfalfas by Nir Spectroscopy with Fibre-Optic Probe. Talanta 2008, 76, 1130–1135. [Google Scholar] [CrossRef]
74. Inácio, A.G.; Ítavo, C.C.B.F.; Dias, A.M.; Dos Santos Difante, G.; De Queiroz, J.F.; De Oliveira, L.C.S.; Dos Santos, G.T.; Ítavo, L.C.V. A New Feed Additive Composed of Urea and Soluble Carbohydrate Coated with Wax for Controlled Release in Ruminal Fluid. Sci. Rep. 2022, 12, 4487. [Google Scholar] [CrossRef]
75. Esteves, E.A.; Martino, H.S.D.; Oliveira, F.C.E.; Bressan, J.; Costa, N.M.B. Chemical Composition of a Soybean Cultivar Lacking Lipoxygenases (LOX2 and LOX3). Food Chem. 2010, 122, 238–242. [Google Scholar] [CrossRef]
76. Suriyapha, C.; Suntara, C.; Wanapat, M.; Cherdthong, A. Effects of Substituting Agro-Industrial by-Products for Soybean Meal on Beef Cattle Feed Utilization and Rumen Fermentation. Sci. Rep. 2022, 12, 21630. [Google Scholar] [CrossRef]
77. Tang, Z.; Zhang, J.; Yuan, X.; Wang, D.; Luo, H.; Yang, R.; Wang, H. Urea Promotes Alkaline Anaerobic Fermentation of Waste Activated Sludge for Hydrogen Production. Bioresour. Technol. 2025, 418, 131900. [Google Scholar] [CrossRef]
78. Tourna, M.; Stieglmeier, M.; Spang, A.; Könneke, M.; Schintlmeister, A.; Urich, T.; Engel, M.; Schloter, M.; Wagner, M.; Richter, A.; et al. Nitrososphaera viennensis, an Ammonia Oxidizing Archaeon from Soil. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 8420–8425. [Google Scholar] [CrossRef]
79. Strope, P.K.; Nickerson, K.W.; Harris, S.D.; Moriyama, E.N. Molecular Evolution of Urea Amidolyase and Urea Carboxylase in Fungi. BMC Evol. Biol. 2011, 11, 80. [Google Scholar] [CrossRef]
80. Konzock, O.; Zaghen, S.; Fu, J.; Kerkhoven, E.J. Urea Is a Drop-in Nitrogen Source Alternative to Ammonium Sulphate in Yarrowia lipolytica. iScience 2022, 25, 105703. [Google Scholar] [CrossRef]
81. Brabender, M.; Hussain, M.S.; Rodriguez, G.; Blenner, M.A. Urea and Urine Are a Viable and Cost-Effective Nitrogen Source for Yarrowia lipolytica Biomass and Lipid Accumulation. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2018, 102, 2313–2322. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
82. Li, Z.; Wang, D.; Shi, Y.-C. Effects of Nitrogen Source on Ethanol Production in Very High Gravity Fermentation of Corn Starch. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2017, 70, 229–235. [Google Scholar] [CrossRef]
83. Chan-u-tit, P.; Laopaiboon, L.; Jaisil, P.; Laopaiboon, P. High Level Ethanol Production by Nitrogen and Osmoprotectant Supplementation Under Very High Gravity Fermentation Conditions. Energies 2013, 6, 884–899. [Google Scholar] [CrossRef]
84. Afrasiab, K.T.; Noppawan, D.; Imrana, N.S.; Nicom, L.; Sarote, S.; Wirat, V.; Pramuk, P. Utilization of Urea as a Nitrogen Source for Ethanol Production from Oil Palm Trunk Using Simultaneous Saccharification and Fermentation. Agric. Nat. Resour. 2021, 55, 448–455. [Google Scholar] [CrossRef]
85. Zhao, G.; Zhang, W.; Zhang, G. Production of Single Cell Protein Using Waste Capsicum Powder Produced during Capsanthin Extraction. Lett. Appl. Microbiol. 2010, 50, 187–191. [Google Scholar] [CrossRef]
86. Kumar, A.; Bera, S. Revisiting Nitrogen Utilization in Algae: A Review on the Process of Regulation and Assimilation. Bioresour. Technol. Rep. 2020, 12, 100584. [Google Scholar] [CrossRef]
87. Su, Y. Revisiting Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Metabolisms in Microalgae for Wastewater Treatment. Sci. Total Environ. 2021, 762, 144590. [Google Scholar] [CrossRef]
88. Rosa, R.M.; Machado, M.; Vaz, M.G.M.V.; Lopes-Santos, R.; Nascimento, A.G.D.; Araújo, W.L.; Nunes-Nesi, A. Urea as a Source of Nitrogen and Carbon Leads to Increased Photosynthesis Rates in Chlamydomonas reinhardtii Under Mixotrophy. J. Biotechnol. 2023, 367, 20–30. [Google Scholar] [CrossRef]
89. Ramanna, L.; Guldhe, A.; Rawat, I.; Bux, F. The Optimization of Biomass and Lipid Yields of Chlorella sorokiniana When Using Wastewater Supplemented with Different Nitrogen Sources. Bioresour. Technol. 2014, 168, 127–135. [Google Scholar] [CrossRef]
90. Podevin, M.; De Francisci, D.; Holdt, S.L.; Angelidaki, I. Effect of Nitrogen Source and Acclimatization on Specific Growth Rates of Microalgae Determined by a High-Throughput in Vivo Microplate Autofluorescence Method. J. Appl. Phycol. 2015, 27, 1415–1423. [Google Scholar] [CrossRef]
91. Veaudor, T.; Cassier-Chauvat, C.; Chauvat, F. Genomics of Urea Transport and Catabolism in Cyanobacteria: Biotechnological Implications. Front. Microbiology. 2019, 10, 2052. [Google Scholar] [CrossRef]
92. Hausinger, R.P. Metabolic Versatility of Prokaryotes for Urea Decomposition. J. Bacteriol. 2004, 186, 2520–2522. [Google Scholar] [CrossRef]
93. Hailemariam, S.; Zhao, S.; He, Y.; Wang, J. Urea Transport and Hydrolysis in the Rumen: A Review. Anim. Nutr. 2021, 7, 989–996. [Google Scholar] [CrossRef]
94. He, H.; Li, Y.; Zhang, L.; Ding, Z.; Shi, G. Understanding and Application of Bacillus Nitrogen Regulation: A Synthetic Biology Perspective. J. Adv. Res. 2023, 49, 1–14. [Google Scholar] [CrossRef]
95. Shi, Y.; Niu, X.; Yang, H.; Chu, M.; Wang, N.; Bao, H.; Zhan, F.; Yang, R.; Lou, K. Optimization of the Fermentation Media and Growth Conditions of Bacillus velezensis BHZ-29 Using a Plackett–Burman Design Experiment Combined with Response Surface Methodology. Front. Microbiol. 2024, 15, 1355369. [Google Scholar] [CrossRef]
96. Yang, P.; Chen, Y.; Gong, A. Development of a Defined Medium for Corynebacterium glutamicum Using Urea as Nitrogen Source. 3 Biotech 2021, 11, 405. [Google Scholar] [CrossRef]
97. Li, J.; Zhang, J.; Huang, W.; Kong, F.; Li, Y.; Xi, M.; Zheng, Z. Comparative Bioavailability of Ammonium, Nitrate, Nitrite and Urea to Typically Harmful Cyanobacterium Microcystis aeruginosa. Mar. Pollut. Bull. 2016, 110, 93–98. [Google Scholar] [CrossRef]
98. Sun, R.; Li, W.; Hu, C.; Liu, B. Long-Term Urea Fertilization Alters the Composition and Increases the Abundance of Soil Ureolytic Bacterial Communities in an Upland Soil. FEMS Microbiol. Ecol. 2019, 95, fiz044. [Google Scholar] [CrossRef]
99. Zhu, J.; Chen, W.; Chen, H.; Zhang, X.; He, C.; Rong, J.; Wang, Q. Improved Productivity of Neutral Lipids in Chlorella sp. A2 by Minimal Nitrogen Supply. Front. Microbiol. 2016, 7, 557. [Google Scholar] [CrossRef]
100. Gómez Cardozo, J.R.; Beigbeder, J.-B.; Dantas, J.M.D.M.; Lavoie, J.-M. High-Gravity Fermentation for Bioethanol Production from Industrial Spent Black Cherry Brine Supplemented with Whey. Fermentation 2023, 9, 170. [Google Scholar] [CrossRef]
101. Alharbi, R.M. Urea-N Influences Biomass Yield, Neutral Lipids Accumulation, and Unsaturated Fatty Acid Production in Photoautotrophically Grown Microalga Chlorella sp. Biocatal. Agric. Biotechnol. 2024, 56, 103056. [Google Scholar] [CrossRef]
102. Sigurdarson, J.J.; Svane, S.; Karring, H. Development of a M9-based Urea Medium (M9U) for Sensitive and Real-time Monitoring of Ureolytic Activity of Bacteria and Cell-free Urease. MicrobiologyOpen 2020, 9, e976. [Google Scholar] [CrossRef]
103. Salami, S.A.; Moran, C.A.; Warren, H.E.; Taylor-Pickard, J. A Meta-Analysis of the Effects of Slow-Release Urea Supplementation on the Performance of Beef Cattle. Animals 2020, 10, 657. [Google Scholar] [CrossRef]
104. Salami, S.A.; Moran, C.A.; Warren, H.E.; Taylor-Pickard, J. Meta-Analysis and Sustainability of Feeding Slow-Release Urea in Dairy Production. PLoS ONE 2021, 16, e0246922. [Google Scholar] [CrossRef]
105. Abdullah, E.Y.; Ali, H.T.; Ahmet, O.G. Decarbonization in Ammonia Production, New Technological Methods in Industrial Scale Ammonia Production and Critical Evaluations. Heliyon 2021, 7, e08257. [Google Scholar] [CrossRef]
106. Bora, N.; Kumar Singh, A.; Pal, P.; Kumar Sahoo, U.; Seth, D.; Rathore, D.; Bhadra, S.; Sevda, S.; Venkatramanan, V.; Prasad, S.; et al. Green Ammonia Production: Process Technologies and Challenges. Fuel 2024, 369, 131808. [Google Scholar] [CrossRef]
107. Brondi, M.; Eisa, M.; Bortoletto-Santos, R.; Drapanauskaite, D.; Reddington, T.; Williams, C.; Ribeiro, C.; Baltrusaitis, J. Recovering, Stabilizing, and Reusing Nitrogen and Carbon from Nutrient-Containing Liquid Waste as Ammonium Carbonate Fertilizer. Agriculture 2023, 13, 909. [Google Scholar] [CrossRef]
108. Xu, D.; Zhong, B.; Wang, X.; Li, X.; Zhong, Y.; Yan, Z.; Yang, J.; Li, X.; Wang, Y.; Zhou, X. The Development Road of Ammonium Phosphate Fertilizer in China. Chin. J. Chem. Eng. 2022, 41, 170–175. [Google Scholar] [CrossRef]
109. Wang, C.; Walsh, S.D.C.; Longden, T.; Palmer, G.; Lutalo, I.; Dargaville, R. Optimising Renewable Generation Configurations of Off-Grid Green Ammonia Production Systems Considering Haber-Bosch Flexibility. Energy Convers. Manag. 2023, 280, 116790. [Google Scholar] [CrossRef]
110. Kuypers, M.M.M.; Marchant, H.K.; Kartal, B. The Microbial Nitrogen-Cycling Network. Nat. Rev. Microbiol. 2018, 16, 263–276. [Google Scholar] [CrossRef]
111. Liu, M.; Wang, T.; Wang, L.; Xiao, H.; Li, J.; Duan, C.; Gao, L.; Liu, Y.; Yan, H.; Zhang, Y.; et al. Core Microbiota for Nutrient Digestion Remained and Ammonia Utilization Increased after Continuous Batch Culture of Rumen Microbiota In Vitro. Front. Microbiol. 2024, 15, 1331977. [Google Scholar] [CrossRef]
112. Arandia-Gorostidi, N.; Jaffe, A.L.; Parada, A.E.; Kapili, B.J.; Casciotti, K.L.; Salcedo, R.S.R.; Baumas, C.M.J.; Dekas, A.E. Urea Assimilation and Oxidation Support Activity of Phylogenetically Diverse Microbial Communities of the Dark Ocean. ISME J. 2024, 18, wrae230. [Google Scholar] [CrossRef]
113. Kemsawasd, V.; Viana, T.; Ardö, Y.; Arneborg, N. Influence of Nitrogen Sources on Growth and Fermentation Performance of Different Wine Yeast Species during Alcoholic Fermentation. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2015, 99, 10191–10207. [Google Scholar] [CrossRef]
114. Papagianni, M.; Wayman, F.; Mattey, M. Fate and Role of Ammonium Ions during Fermentation of Citric Acid by Aspergillus niger. Appl. Environ. Microbiol. 2005, 71, 7178–7186. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
115. Müller, T.; Walter, B.; Wirtz, A.; Burkovski, A. Ammonium Toxicity in Bacteria. Curr. Microbiol. 2006, 52, 400–406. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
116. Li, X.; Yu, F.; Liu, K.; Zhang, M.; Cheng, Y.; Wang, F.; Wang, S.; Han, R.; Xue, Z. Uncovering the Effects of Ammonium Sulfate on Neomycin B Biosynthesis in Streptomyces fradiae SF-2. Fermentation 2022, 8, 678. [Google Scholar] [CrossRef]
117. Ardin, A.C.; Fujita, K.; Nagayama, K.; Takashima, Y.; Nomura, R.; Nakano, K.; Ooshima, T.; Matsumoto-Nakano, M. Identification and Functional Analysis of an Ammonium Transporter in Streptococcus mutans. PLoS ONE 2014, 9, e107569. [Google Scholar] [CrossRef]
118. Lee, Y.J.; Moon, B.C.; Lee, D.K.; Ahn, J.H.; Gong, G.; Um, Y.; Lee, S.-M.; Kim, K.H.; Ko, J.K. Sustainable Production of Microbial Protein from Carbon Dioxide in the Integrated Bioelectrochemical System Using Recycled Nitrogen Sources. Water Res. 2025, 268, 122576. [Google Scholar] [CrossRef]
119. Chen, G.; Zhao, L.; Qi, Y. Enhancing the Productivity of Microalgae Cultivated in Wastewater toward Biofuel Production: A Critical Review. Appl. Energy 2015, 137, 282–291. [Google Scholar] [CrossRef]
120. Metin, U.; Altınbaş, M. Evaluating Ammonia Toxicity and Growth Kinetics of Four Different Microalgae Species. Microorganisms 2024, 12, 1542. [Google Scholar] [CrossRef]
121. Scherholz, M.L.; Curtis, W.R. Achieving pH Control in Microalgal Cultures through Fed-Batch Addition of Stoichiometrically-Balanced Growth Media. BMC Biotechnol. 2013, 13, 39. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
122. Popa, M.D.; Simionov, I.-A.; Petrea, S.M.; Georgescu, P.-L.; Ifrim, G.A.; Iticescu, C. Efficiency of Microalgae Employment in Nutrient Removal (Nitrogen and Phosphorous) from Municipal Wastewater. Water 2025, 17, 260. [Google Scholar] [CrossRef]
123. Kundu, P.; Dutta, N.; Bhattacharya, S. Application of Microalgae in Wastewater Treatment with Special Reference to Emerging Contaminants: A Step towards Sustainability. Front. Anal. Sci. 2024, 4, 1513153. [Google Scholar] [CrossRef]
124. Geisseler, D.; Horwath, W.R.; Joergensen, R.G.; Ludwig, B. Pathways of Nitrogen Utilization by Soil Microorganisms–A Review. Soil Biol. Biochem. 2010, 42, 2058–2067. [Google Scholar] [CrossRef]
125. Jiang, M.; Zhao, D.; Huang, L.; Zeng, Y.; Liu, J.; Xiang, H.; Zheng, Y. The Role of Glutamine Synthetase in Regulating Ammonium Assimilation and Iron-Only Nitrogenase Expression in a Photosynthetic Diazotroph. Microbiol. Spectr. 2023, 11, e04953-22. [Google Scholar] [CrossRef]
126. Kawade, K.; Tabeta, H.; Ferjani, A.; Hirai, M.Y. The Roles of Functional Amino Acids in Plant Growth and Development. Plant Cell Physiol. 2023, 64, 1482–1493. [Google Scholar] [CrossRef]
127. Cai, T.; Park, S.Y.; Li, Y. Nutrient Recovery from Wastewater Streams by Microalgae: Status and Prospects. Renew. Sustain. Energy Rev. 2013, 19, 360–369. [Google Scholar] [CrossRef]
128. Zhu, J.; Jia, Y.; Yu, G.; Wang, Q.; He, N.; Chen, Z.; He, H.; Zhu, X.; Li, P.; Zhang, F.; et al. Changing Patterns of Global Nitrogen Deposition Driven by Socio-Economic Development. Nat. Commun. 2025, 16, 46. [Google Scholar] [CrossRef]
129. Liu, T.; Duan, H.; Lücker, S.; Zheng, M.; Daims, H.; Yuan, Z.; Guo, J. Sustainable Wastewater Management through Nitrogen-Cycling Microorganisms. Nat. Water 2024, 2, 936–952. [Google Scholar] [CrossRef]
130. Ding, S.; Jiang, L.; Hu, J.; Huang, W.; Lou, L. Microbiome Data Analysis via Machine Learning Models: Exploring Vital Players to Optimize Kitchen Waste Composting System. Bioresour. Technol. 2023, 388, 129731. [Google Scholar] [CrossRef]
131. Mishra, S.; Singh, V.; Cheng, L.; Hussain, A.; Ormeci, B. Nitrogen Removal from Wastewater: A Comprehensive Review of Biological Nitrogen Removal Processes, Critical Operation Parameters and Bioreactor Design. J. Environ. Chem. Eng. 2022, 10, 107387. [Google Scholar] [CrossRef]
132. Selvam, A.; Ilamathi, P.M.K.; Udayakumar, M.; Murugesan, K.; Banu, J.R.; Khanna, Y.; Wong, J. Food Waste Properties. In Current Developments in Biotechnology and Bioengineering; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2021; pp. 11–41. ISBN 978-0-12-819148-4. [Google Scholar]
133. Manu, M.K.; Li, D.; Liwen, L.; Jun, Z.; Varjani, S.; Wong, J.W.C. A Review on Nitrogen Dynamics and Mitigation Strategies of Food Waste Digestate Composting. Bioresour. Technol. 2021, 334, 125032. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
134. Kwan, T.H.; Hu, Y.; Lin, C.S.K. Valorisation of Food Waste via Fungal Hydrolysis and Lactic Acid Fermentation with Lactobacillus casei Shirota. Bioresour. Technol. 2016, 217, 129–136. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
135. Alrbai, M.; Al-Dahidi, S.; Shboul, B.; Abusorra, M.; Hayajneh, H. Techno-Economic Feasibility Study of Ammonia Recovery from Sewage Sludge Digestate in Wastewater Treatment Plants. Clean. Environ. Syst. 2024, 15, 100235. [Google Scholar] [CrossRef]
136. Nancharaiah, Y.V.; Kiran Kumar Reddy, G. Aerobic Granular Sludge Technology: Mechanisms of Granulation and Biotechnological Applications. Bioresour. Technol. 2018, 247, 1128–1143. [Google Scholar] [CrossRef]
137. Mohammadkhani, G.; Mahboubi, A.; Plöhn, M.; Funk, C.; Ylitervo, P. Total Ammonia Removal from Anaerobic Digestion Effluents of Municipal Sewage Sludge Using Nordic Microalgae. Algal Res. 2024, 84, 103802. [Google Scholar] [CrossRef]
138. Sancho, I.; Licon, E.; Valderrama, C.; De Arespacochaga, N.; López-Palau, S.; Cortina, J.L. Recovery of Ammonia from Domestic Wastewater Effluents as Liquid Fertilizers by Integration of Natural Zeolites and Hollow Fibre Membrane Contactors. Sci. Total Environ. 2017, 584–585, 244–251. [Google Scholar] [CrossRef]
139. Yu, Y.; Lei, Z.; Yuan, T.; Jiang, Y.; Chen, N.; Feng, C.; Shimizu, K.; Zhang, Z. Simultaneous Phosphorus and Nitrogen Recovery from Anaerobically Digested Sludge Using a Hybrid System Coupling Hydrothermal Pretreatment with MAP Precipitation. Bioresour. Technol. 2017, 243, 634–640. [Google Scholar] [CrossRef]
140. Qi, B.; Jiang, X.; Wang, H.; Li, J.; Zhao, Q.; Li, R.; Wang, W. Resource Recovery from Liquid Digestate of Swine Wastewater by an Ultrafiltration Membrane Bioreactor (UF-MBR) and Reverse Osmosis (RO) Process. Environ. Technol. Innov. 2021, 24, 101830. [Google Scholar] [CrossRef]
141. Yang, J.; Zhang, J.; Du, X.; Gao, T.; Cheng, Z.; Fu, W.; Wang, S. Ammonia Inhibition in Anaerobic Digestion of Organic Waste: A Review. Int. J. Environ. Sci. Technol. 2024, 22, 3927–3942. [Google Scholar] [CrossRef]
142. Mangwe, M.C.; Mason, W.A.; Reed, C.B.; Spaans, O.K.; Pacheco, D.; Bryant, R.H. A Systematic Review and Meta-Analysis of Cow-Level Factors Affecting Milk Urea Nitrogen and Urinary Nitrogen Output Under Pasture-Based Diets. J. Dairy Sci. 2025, 108, 579–596. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
143. Sadh, P.K.; Duhan, S.; Duhan, J.S. Agro-Industrial Wastes and Their Utilization Using Solid State Fermentation: A Review. Bioresour. Bioprocess. 2018, 5, 1. [Google Scholar] [CrossRef]
144. Sarangi, P.K.; Vivekanand, V.; Mohanakrishna, G.; Pattnaik, B.; Muddapur, U.M.; Aminabhavi, T.M. Production of Bioactive Phenolic Compounds from Agricultural By-Products towards Bioeconomic Perspectives. J. Clean. Prod. 2023, 414, 137460. [Google Scholar] [CrossRef]
145. Gervasi, T.; Pellizzeri, V.; Calabrese, G.; Di Bella, G.; Cicero, N.; Dugo, G. Production of Single Cell Protein (SCP) from Food and Agricultural Waste by Using Saccharomyces cerevisiae. Nat. Prod. Res. 2018, 32, 648–653. [Google Scholar] [CrossRef]
146. Yi, Y.; Li, J.; Zhou, P.; Jia, F.; Chen, Y.; Li, D. Production of Single Cell Protein Rich in Potassium by Nectaromyces Rattus Using Biogas Slurry and Molasses. J. Environ. Manag. 2024, 350, 119627. [Google Scholar] [CrossRef]
147. Yan, J.; Han, B.; Gui, X.; Wang, G.; Xu, L.; Yan, Y.; Madzak, C.; Pan, D.; Wang, Y.; Zha, G.; et al. Engineering Yarrowia lipolytica to Simultaneously Produce Lipase and Single Cell Protein from Agroindustrial Wastes for Feed. Sci. Rep. 2018, 8, 758. [Google Scholar] [CrossRef]
148. Spalvins, K.; Zihare, L.; Blumberga, D. Single Cell Protein Production from Waste Biomass: Comparison of Various Industrial by-Products. Energy Procedia 2018, 147, 409–418. [Google Scholar] [CrossRef]
149. Tropea, A.; Ferracane, A.; Albergamo, A.; Potortì, A.G.; Lo Turco, V.; Di Bella, G. Single Cell Protein Production through Multi Food-Waste Substrate Fermentation. Fermentation 2022, 8, 91. [Google Scholar] [CrossRef]
150. Putri, D.; Ulhidayati, A.; Musthofa, I.A.; Wardani, A.K. Single Cell Protein Production of Chlorella sp. Using Food Processing Waste as a Cultivation Medium. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2018, 131, 012052. [Google Scholar] [CrossRef]
151. Van Peteghem, L.; Matassa, S.; Rabaey, K.; Sakarika, M. Microbial Protein from Recovered Nitrogen: Nutritional Quality, Safety, and Feasibility Assessment. Sci. Total Environ. 2023, 892, 164525. [Google Scholar] [CrossRef]
152. Voutilainen, E.; Pihlajaniemi, V.; Parviainen, T. Economic Comparison of Food Protein Production with Single-Cell Organisms from Lignocellulose Side-Streams. Bioresour. Technol. Rep. 2021, 14, 100683. [Google Scholar] [CrossRef]
153. Van Peteghem, L.; Matassa, S.; Sakarika, M. Fueling the Protein Transition: Can Waste-Derived Ethanol Enable Efficient and High-Quality Microbial Protein Production? Bioresour. Technol. 2025, 418, 131990. [Google Scholar] [CrossRef]
154. Peterson, E.C.; Siao, R.; Chua, G.G.; Busran, C.T.; Pavlovic, R.; Thong, A.; Hermansen, C.; Sofeo, N.; Kanagasundaram, Y.; Weingarten, M.; et al. Single Cell Protein and Oil Production from Solid Cocoa Fatty Acid Distillates Co-Fed Ethanol. Bioresour. Technol. 2023, 387, 129630. [Google Scholar] [CrossRef]
155. Campos-Valdez, A.; Kirchmayr, M.R.; Barrera-Martínez, I.; Casas-Godoy, L. Sustainable Production of Single-Cell Oil and Protein from Wastepaper Hydrolysate: Identification and Optimization of a Rhodotorula Mucilaginosa Strain as a Promising Yeast. FEMS Yeast Res. 2023, 23, foad044. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
156. Devanthi, P.V.P.; Pratama, F.; Pramanda, I.T.; Bani, M.D.; Kadar, A.D.; Kho, K. Exploring the Potential of Aspergillus oryzae for Sustainable Mycoprotein Production Using Okara and Soy Whey as Cost-Effective Substrates. J. Fungi 2024, 10, 555. [Google Scholar] [CrossRef]
157. Santin, A.; Russo, M.T.; Ferrante, M.I.; Balzano, S.; Orefice, I.; Sardo, A. Highly Valuable Polyunsaturated Fatty Acids from Microalgae: Strategies to Improve Their Yields and Their Potential Exploitation in Aquaculture. Molecules 2021, 26, 7697. [Google Scholar] [CrossRef]
158. Ritala, A.; Häkkinen, S.T.; Toivari, M.; Wiebe, M.G. Single Cell Protein—State-of-the-Art, Industrial Landscape and Patents 2001–2016. Front. Microbiol. 2017, 8, 2009. [Google Scholar] [CrossRef]
159. Batista Meneses, D.; Montes De Oca-Vásquez, G.; Vega-Baudrit, J.R.; Rojas-Álvarez, M.; Corrales-Castillo, J.; Murillo-Araya, L.C. Pretreatment Methods of Lignocellulosic Wastes into Value-Added Products: Recent Advances and Possibilities. Biomass Convers. Biorefinery 2022, 12, 547–564. [Google Scholar] [CrossRef]
160. He, Y.; Liu, Y.; Zhang, M. Hemicellulose and Unlocking Potential for Sustainable Applications in Biomedical, Packaging, and Material Sciences: A Narrative Review. Int. J. Biol. Macromol. 2024, 280, 135657. [Google Scholar] [CrossRef]
161. Kavya; Vashisht, M.; Jain, B.; Shrivastava, S. Transforming Waste into Wealth: A Review on Microbial Conversion of Organic Municipal Wastes to Value-Added Products. Discov. Environ. 2024, 2, 112. [Google Scholar] [CrossRef]
162. Zhou, Z.; Zheng, X.; Hua, Y.; Guo, M.; Sun, X.; Huang, Y.; Dong, L.; Yu, S. Enhancing Nitrogen Removal in Combined Sewage Overflows by Using Bio-Fluidized Bed with Ceramic Waste Powder Carriers: Effects and Mechanisms. Environ. Sci. Pollut. Res. 2024, 31, 65252–65263. [Google Scholar] [CrossRef]
163. Dutta, D.; Arya, S.; Kumar, S. Industrial Wastewater Treatment: Current Trends, Bottlenecks, and Best Practices. Chemosphere 2021, 285, 131245. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
164. Jiang, P.; Zhou, T.; Bai, J.; Zhang, Y.; Li, J.; Zhou, C.; Zhou, B. Nitrogen-Containing Wastewater Fuel Cells for Total Nitrogen Removal and Energy Recovery Based on Cl•/ClO• Oxidation of Ammonia Nitrogen. Water Res. 2023, 235, 119914. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
165. Grenni, P.; Ancona, V.; Barra Caracciolo, A. Ecological Effects of Antibiotics on Natural Ecosystems: A Review. Microchem. J. 2018, 136, 25–39. [Google Scholar] [CrossRef]
166. Rasool, K.; Hussain, S.; Shahzad, A.; Miran, W.; Mahmoud, K.A.; Ali, N.; Almomani, F. Comprehensive Insights into Sustainable Conversion of Agricultural and Food Waste into Microbial Protein for Animal Feed Production. Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 2023, 22, 527–562. [Google Scholar] [CrossRef]
167. Shen, M.; Song, B.; Zhou, C.; Almatrafi, E.; Hu, T.; Zeng, G.; Zhang, Y. Recent Advances in Impacts of Microplastics on Nitrogen Cycling in the Environment: A Review. Sci. Total Environ. 2022, 815, 152740. [Google Scholar] [CrossRef]
168. Zhu, J.; Ren, A.; Jiao, J.; Shen, W.; Yang, L.; Zhou, C.; Tan, Z. Effects of Non-Protein Nitrogen Sources on In Vitro Rumen Fermentation Characteristics and Microbial Diversity. Front. Anim. Sci. 2022, 3, 891898. [Google Scholar] [CrossRef]
169. Xu, X.; Hui, D.; King, A.W.; Song, X.; Thornton, P.E.; Zhang, L. Convergence of Microbial Assimilations of Soil Carbon, Nitrogen, Phosphorus and Sulfur in Terrestrial Ecosystems. Sci. Rep. 2015, 5, 17445. [Google Scholar] [CrossRef]
170. Einsle, O. Catalysis and Structure of Nitrogenases. Curr. Opin. Struct. Biol. 2023, 83, 102719. [Google Scholar] [CrossRef]
171. Campbell, W.H. NITRATE REDUCTASE STRUCTURE, FUNCTION AND REGULATION: Bridging the Gap between Biochemistry and Physiology. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1999, 50, 277–303. [Google Scholar] [CrossRef]
172. Neis, E.; Dejong, C.; Rensen, S. The Role of Microbial Amino Acid Metabolism in Host Metabolism. Nutrients 2015, 7, 2930–2946. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
173. Yelamanchi, S.D.; Jayaram, S.; Thomas, J.K.; Gundimeda, S.; Khan, A.A.; Singhal, A.; Keshava Prasad, T.S.; Pandey, A.; Somani, B.L.; Gowda, H. A Pathway Map of Glutamate Metabolism. J. Cell Commun. Signal. 2016, 10, 69–75. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
174. Brosnan, J.T.; Brosnan, M.E. Glutamate: A Truly Functional Amino Acid. Amino Acids 2013, 45, 413–418. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
175. Gao, J.-P.; Su, Y.; Jiang, S.; Liang, W.; Lou, Z.; Frugier, F.; Xu, P.; Murray, J.D. Applying Conventional and Cell-Type-Specific CRISPR/Cas9 Genome Editing in Legume Plants. aBIOTECH 2024, 1–15. [Google Scholar] [CrossRef]
176. Shang, Y.; Shi, H.; Liu, M.; Lan, P.; Li, D.; Liu, X.; Wang, M.; Zhang, Z.; Chen, S. Using Synthetic Biology to Express Nitrogenase Biosynthesis Pathway in Rice and to Overcome Barriers of Nitrogenase Instability in Plant Cytosol. Trends Biotechnol. 2025, 2615, S0167779924003627. [Google Scholar] [CrossRef]
177. Joshi, R.; Sharma, V.; Kuila, A. Fermentation Technology: Current Status and Future Prospects. In Principles and Applications of Fermentation Technology; Kuila, A., Sharma, V., Eds.; Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2018; pp. 1–13. ISBN 978-1-119-46026-8. [Google Scholar]
178. Yang, X.; Yuan, L.; Zeeshan, M.; Yang, C.; Gao, W.; Zhang, G.; Wang, C. Optimization of Fermentation Conditions to Increase the Production of Antifungal Metabolites from Streptomyces sp. KN37. Microb. Cell Factories 2025, 24, 26. [Google Scholar] [CrossRef]
179. Pereira, A.A.; Yaverino-Gutierrez, M.A.; Monteiro, M.C.; Souza, B.A.; Bachheti, R.K.; Chandel, A.K. Precision Fermentation in the Realm of Microbial Protein Production: State-of-the-Art and Future Insights. Food Res. Int. 2025, 200, 115527. [Google Scholar] [CrossRef]
180. Soccol, C.R.; Costa, E.S.F.D.; Letti, L.A.J.; Karp, S.G.; Woiciechowski, A.L.; Vandenberghe, L.P.D.S. Recent Developments and Innovations in Solid State Fermentation. Biotechnol. Res. Innov. 2017, 1, 52–71. [Google Scholar] [CrossRef]
181. Pandey, A. Solid-State Fermentation. Biochem. Eng. J. 2003, 13, 81–84. [Google Scholar] [CrossRef]
182. Mienda, B.S.; Idi, A.; Umar, A. Microbiological Features of Solid State Fermentation and Its Applications. An Overview. Res. Biotechnol. 2011, 2, 21–26. [Google Scholar]
183. Betchem, G.; Monto, A.R.; Lu, F.; Billong, L.F.; Ma, H. Prospects and Application of Solid-State Fermentation in Animal Feed Production-a Review. Ann. Anim. Sci. 2024, 33, 1123–1137. [Google Scholar] [CrossRef]
184. Li, B.; Zhao, C.; Sun, Q.; Chen, K.; Zhao, X.; Xu, L.; Yang, Z.; Peng, H. Effects of Ammonification–Steam Explosion Pretreatment on the Production of True Protein from Rice Straw during Solid-State Fermentation. Sustainability 2023, 15, 5964. [Google Scholar] [CrossRef]
185. Marius, K.S.; Mahamadi, N.; Ibrahim, K.; Iliassou, M.; Sonagnon, H.S.K.; Yerobessor, D.; Wahauwouele, H.C.; Essodolom, T.; Alfred, S.T. Production of Single Cell Protein (SCP) and Essentials Amino Acids from Candida utilis FMJ12 by Solid State Fermentation Using Mango Waste Supplemented with Nitrogen Sources. Afr. J. Biotechnol. 2018, 17, 716–723. [Google Scholar] [CrossRef]
186. Maxwell, O.I.; Chinwuba, U.B.; Onyebuchukwu, M.G. Protein Enrichment of Potato Peels Using Saccharomyces Cerevisiae via Solid-State Fermentation Process. Adv. Chem. Eng. Sci. 2019, 09, 99–108. [Google Scholar] [CrossRef]
187. Kong, S.; Wang, S.; He, Y.; Wang, N.; Wang, Z.; Weng, L.; Liu, D.; Zhao, X.; Chen, J.; Xu, J.; et al. Three-Stage Solid-State Fermentation Technology for Distillers’ Grain Feed Protein Based on Different Microorganisms Considering Oxygen Requirements. Fermentation 2024, 10, 550. [Google Scholar] [CrossRef]
188. Wang, S.; Wang, Z.; Wang, N.; Wang, S.; Zeng, S.; Xu, Z.; Liu, D.; Zhao, X.; Liu, F.; Xu, J.; et al. Efficient Conversion of Corn Straw to Feed Protein through Solid-State Fermentation Using a Thermophilic Microbial Consortium. Waste Manag. 2025, 194, 298–308. [Google Scholar] [CrossRef]
189. Chen, J.; Cai, Y.; Wang, Z.; Xu, Z.; Zhuang, W.; Liu, D.; Lv, Y.; Wang, S.; Xu, J.; Ying, H. Solid-State Fermentation of Corn Straw Using Synthetic Microbiome to Produce Fermented Feed: The Feed Quality and Conversion Mechanism. Sci. Total Environ. 2024, 920, 171034. [Google Scholar] [CrossRef]
190. Chen, J.; Cai, Y.; Wang, Z.; Xu, Z.; Li, J.; Ma, X.; Zhuang, W.; Liu, D.; Wang, S.; Song, A.; et al. Construction of a Synthetic Microbial Community Based on Multiomics Linkage Technology and Analysis of the Mechanism of Lignocellulose Degradation. Bioresour. Technol. 2023, 389, 129799. [Google Scholar] [CrossRef]
191. Liu, J.; Wang, S.; Wang, Z.; Shen, C.; Liu, D.; Shen, X.; Weng, L.; He, Y.; Wang, S.; Wang, J.; et al. Pretreatment of Luzhou Distiller’s Grains for Feed Protein Production Using Crude Enzymes Produced by a Synthetic Microbial Consortium. Bioresour. Technol. 2023, 390, 129852. [Google Scholar] [CrossRef]
192. Arora, S.; Rani, R.; Ghosh, S. Bioreactors in Solid State Fermentation Technology: Design, Applications and Engineering Aspects. J. Biotechnol. 2018, 269, 16–34. [Google Scholar] [CrossRef]
193. Durand, A. Bioreactor Designs for Solid State Fermentation. Biochem. Eng. J. 2003, 13, 113–125. [Google Scholar] [CrossRef]
194. Mattedi, A.; Sabbi, E.; Farda, B.; Djebaili, R.; Mitra, D.; Ercole, C.; Cacchio, P.; Del Gallo, M.; Pellegrini, M. Solid-State Fermentation: Applications and Future Perspectives for Biostimulant and Biopesticides Production. Microorganisms 2023, 11, 1408. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
195. Sun, H.; Luan, G.; Ma, Y.; Lou, W.; Chen, R.; Feng, D.; Zhang, S.; Sun, J.; Lu, X. Engineered Hypermutation Adapts Cyanobacterial Photosynthesis to Combined High Light and High Temperature Stress. Nat. Commun. 2023, 14, 1238. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
196. Artola, A.; Font, X.; Moral-Vico, J.; Sánchez, A. The Role of Solid-State Fermentation to Transform Existing Waste Treatment Plants Based on Composting and Anaerobic Digestion into Modern Organic Waste-Based Biorefineries, in the Framework of Circular Bioeconomy. Front. Chem. Eng. 2024, 6, 1463785. [Google Scholar] [CrossRef]
197. Bürck, M.; Lemes, A.C.; Egea, M.B.; Braga, A.R.C. Exploring the Potential and Challenges of Fermentation in Creating Foods: A Spotlight on Microalgae. Fermentation 2024, 10, 649. [Google Scholar] [CrossRef]
198. Aloo, S.O.; Park, S.; Oyinloye, T.M.; Lee, Y.-W.; Cho, Y.E.; Park, S.J.; Oh, D.-H. Effects of Liquid State vs. Solid State Lactic Fermentation on Drying, Nutritional Composition, Phytochemical Profile, and In Vitro Neuro-Related Bioactivities of Cheungsam Industrial Hempseed (Korean Breed). Food Biosci. 2025, 63, 105708. [Google Scholar] [CrossRef]
199. Tian, Y.; Li, J.; Meng, J.; Li, J. High-Yield Production of Single-Cell Protein from Starch Processing Wastewater Using Co-Cultivation of Yeasts. Bioresour. Technol. 2023, 370, 128527. [Google Scholar] [CrossRef]
200. Zhang, B.; Ren, D.; Liu, Q.; Liu, X.; Bao, J. Coproduction of Single Cell Protein and Lipid from Lignocellulose Derived Carbohydrates and Inorganic Ammonia Salt with Soluble Ammonia Recycling. Bioresour. Technol. 2023, 384, 129345. [Google Scholar] [CrossRef]
201. Clement, P.N.; Nwokoro, O. Production of Single Cell Protein from Hydrolyzed Pineapple (Ananas comosus) Peel Using Fungi. Bio-Research 2019, 15, 961–973. [Google Scholar] [CrossRef]
202. Cerrone, F.; O’Connor, K.E. Cultivation of Filamentous Fungi in Airlift Bioreactors: Advantages and Disadvantages. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2025, 109, 41. [Google Scholar] [CrossRef]
203. Bakratsas, G.; Polydera, A.; Nilson, O.; Chatzikonstantinou, A.V.; Xiros, C.; Katapodis, P.; Stamatis, H. Mycoprotein Production by Submerged Fermentation of the Edible Mushroom Pleurotus ostreatus in a Batch Stirred Tank Bioreactor Using Agro-Industrial Hydrolysate. Foods 2023, 12, 2295. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
204. Niyigaba, T.; Küçükgöz, K.; Kołożyn-Krajewska, D.; Królikowski, T.; Trząskowska, M. Advances in Fermentation Technology: A Focus on Health and Safety. Appl. Sci. 2025, 15, 3001. [Google Scholar] [CrossRef]
205. Marcellin, E.; Angenent, L.T.; Nielsen, L.K.; Molitor, B. Recycling Carbon for Sustainable Protein Production Using Gas Fermentation. Curr. Opin. Biotechnol. 2022, 76, 102723. [Google Scholar] [CrossRef]
206. Woern, C.; Grossmann, L. Microbial Gas Fermentation Technology for Sustainable Food Protein Production. Biotechnol. Adv. 2023, 69, 108240. [Google Scholar] [CrossRef]
207. Raziq, A. Single Cell Protein (SCP) Production and Potential Substrates: A Comprehensive Review. Pure Appl. Biol. 2020, 9, 3. [Google Scholar] [CrossRef]
208. Vlaeminck, E.; Uitterhaegen, E.; Quataert, K.; Delmulle, T.; Kontovas, S.-S.; Misailidis, N.; Ferreira, R.G.; Petrides, D.; De Winter, K.; Soetaert, W.K. Single-Cell Protein Production from Industrial Off-Gas through Acetate: Techno-Economic Analysis for a Coupled Fermentation Approach. Fermentation 2023, 9, 771. [Google Scholar] [CrossRef]
209. Wang, J.; Chen, L.; Xu, J.; Ma, S.; Liang, X.; Wei, Z.; Li, D.; Xue, M. C1 Gas Protein: A Potential Protein Substitute for Advancing Aquaculture Sustainability. Rev. Aquac. 2023, 15, 1179–1197. [Google Scholar] [CrossRef]
210. Xu, J.; Wang, J.; Ma, C.; Wei, Z.; Zhai, Y.; Tian, N.; Zhu, Z.; Xue, M.; Li, D. Embracing a Low-Carbon Future by the Production and Marketing of C1 Gas Protein. Biotechnol. Adv. 2023, 63, 108096. [Google Scholar] [CrossRef]
211. Jain, S.; Heffernan, J.; Joshi, J.; Watts, T.; Marcellin, E.; Greening, C. Microbial Conversion of Waste Gases into Single-Cell Protein. Microbiol. Aust. 2023, 44, 27–30. [Google Scholar] [CrossRef]
212. Li, S.; Zuo, X.; Carpenter, M.D.; Verduzco, R.; Ajo-Franklin, C.M. Microbial Bioelectronic Sensors for Environmental Monitoring. Nat. Rev. Bioeng. 2024, 3, 30–49. [Google Scholar] [CrossRef]
213. Kholif, A.E.; Anele, A.; Anele, U.Y. Microbial Feed Additives in Ruminant Feeding. AIMS Microbiol. 2024, 10, 542–571. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
214. Zeng, W.; Guo, C.; Xu, S.; Chen, J.; Zhou, J. High-Throughput Screening Technology in Industrial Biotechnology. Trends Biotechnol. 2020, 38, 888–906. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
215. Zhou, P.; Gao, C.; Song, W.; Wei, W.; Wu, J.; Liu, L.; Chen, X. Engineering Status of Protein for Improving Microbial Cell Factories. Biotechnol. Adv. 2024, 70, 108282. [Google Scholar] [CrossRef]
216. Cao, K.; Cui, Y.; Sun, F.; Zhang, H.; Fan, J.; Ge, B.; Cao, Y.; Wang, X.; Zhu, X.; Wei, Z.; et al. Metabolic Engineering and Synthetic Biology Strategies for Producing High-Value Natural Pigments in Microalgae. Biotechnol. Adv. 2023, 68, 108236. [Google Scholar] [CrossRef]
217. Onn, S.M.; Koh, G.J.; Yap, W.H.; Teoh, M.-L.; Low, C.-F.; Goh, B.-H. Recent Advances in Genetic Engineering of Microalgae: Bioengineering Strategies, Regulatory Challenges and Future Perspectives. J. Appl. Phycol. 2024, 37, 247–264. [Google Scholar] [CrossRef]
218. Grossmann, M.; Kießling, F.; Singer, J.; Schoeman, H.; Schröder, M.-B.; Von Wallbrunn, C. Genetically Modified Wine Yeasts and Risk Assessment Studies Covering Different Steps within the Wine Making Process. Ann. Microbiol. 2011, 61, 103–115. [Google Scholar] [CrossRef]
219. Yang, P.; Condrich, A.; Lu, L.; Scranton, S.; Hebner, C.; Sheykhhasan, M.; Ali, M.A. Genetic Engineering in Bacteria, Fungi, and Oomycetes, Taking Advantage of CRISPR. DNA 2024, 4, 427–454. [Google Scholar] [CrossRef]
220. Zimmermann, A.; Prieto-Vivas, J.E.; Voordeckers, K.; Bi, C.; Verstrepen, K.J. Mutagenesis Techniques for Evolutionary Engineering of Microbes-Exploiting CRISPR-Cas, Oligonucleotides, Recombinases, and Polymerases. Trends Microbiol. 2024, 32, 884–901. [Google Scholar] [CrossRef]
221. Bleisch, R.; Freitag, L.; Ihadjadene, Y.; Sprenger, U.; Steingröwer, J.; Walther, T.; Krujatz, F. Strain Development in Microalgal Biotechnology-Random Mutagenesis Techniques. Life 2022, 12, 961. [Google Scholar] [CrossRef]
222. Zhu, Z.; Ding, X.; Rang, J.; Xia, L. Application and Research Progress of ARTP Mutagenesis in Actinomycetes Breeding. Gene 2024, 929, 148837. [Google Scholar] [CrossRef]
223. Liu, Y.; Chen, X.; Wei, D.; Xing, X. Rapid Screening of High-Protein Auxenochlorella Pyrenoidosa Mutant by an Integrated System of Atmospheric and Room Temperature Plasma Mutagenesis and High-Throughput Microbial Microdroplet Culture. Algal Res. 2024, 80, 103509. [Google Scholar] [CrossRef]
224. Pan, J.; Zhang, J.; Wei, H.; Liu, Q.; Xu, W.; Bao, Y. Optimizing Mycelial Protein Yield in Pleurotus Djamor via ARTP Mutagenesis and Hybridization Strategies. J. Biotechnol. 2024, 386, 64–71. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
225. Liu, Y.; Wang, B.; Zhang, X.; Men, P.; Gu, M.; Zhou, Y.; Hu, W.; Wang, Z.; Wang, M.; Huang, X.; et al. Improving the Production of Micafungin Precursor FR901379 in Coleophoma Empetri Using Heavy-Ion Irradiation and Its Mechanism Analysis. Mycology 2024, 1–15. [Google Scholar] [CrossRef]
226. Vasina, M.; Velecky, J.; Planas, I.J.; Marques, S.M.; Skarupova, J.; Damborsky, J.; Bednar, D.; Mazurenko, S.; Prokop, Z. Tools for Computational Design and High-Throughput Screening of Therapeutic Enzymes. Adv. Drug Deliv. Rev. 2022, 183, 114143. [Google Scholar] [CrossRef]
227. Mavrommati, M.; Daskalaki, A.; Papanikolaou, S.; Aggelis, G. Adaptive Laboratory Evolution Principles and Applications in Industrial Biotechnology. Biotechnol. Adv. 2022, 54, 107795. [Google Scholar] [CrossRef]
228. Barrick, J.E.; Lenski, R.E. Genome Dynamics during Experimental Evolution. Nat. Rev. Genet. 2013, 14, 827–839. [Google Scholar] [CrossRef]
229. Loewe, L.; Hill, W.G. The Population Genetics of Mutations: Good, Bad and Indifferent. Philos. Trans. R. Soc. B 2010, 365, 1153–1167. [Google Scholar] [CrossRef]
230. Sun, X.-M.; Ren, L.-J.; Ji, X.-J.; Chen, S.-L.; Guo, D.-S.; Huang, H. Adaptive Evolution of Schizochytrium sp. by Continuous High Oxygen Stimulations to Enhance Docosahexaenoic Acid Synthesis. Bioresour. Technol. 2016, 211, 374–381. [Google Scholar] [CrossRef]
231. Konstantinidis, D.; Pereira, F.; Geissen, E.; Grkovska, K.; Kafkia, E.; Jouhten, P.; Kim, Y.; Devendran, S.; Zimmermann, M.; Patil, K.R. Adaptive Laboratory Evolution of Microbial Co-cultures for Improved Metabolite Secretion. Mol. Syst. Biol. 2021, 17, e10189. [Google Scholar] [CrossRef]
232. Blasche, S.; Kim, Y.; Mars, R.A.T.; Machado, D.; Maansson, M.; Kafkia, E.; Milanese, A.; Zeller, G.; Teusink, B.; Nielsen, J.; et al. Metabolic Cooperation and Spatiotemporal Niche Partitioning in a Kefir Microbial Community. Nat. Microbiol. 2021, 6, 196–208. [Google Scholar] [CrossRef]
233. Ding, X.; Yang, W.; Du, X.; Chen, N.; Xu, Q.; Wei, M.; Zhang, C. High-Level and -Yield Production of L-Leucine in Engineered Escherichia coli by Multistep Metabolic Engineering. Metab. Eng. 2023, 78, 128–136. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
234. Choe, D.; Lee, J.H.; Yoo, M.; Hwang, S.; Sung, B.H.; Cho, S.; Palsson, B.; Kim, S.C.; Cho, B.-K. Adaptive Laboratory Evolution of a Genome-Reduced Escherichia coli. Nat. Commun. 2019, 10, 935. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
235. LaCroix, R.A.; Sandberg, T.E.; O’Brien, E.J.; Utrilla, J.; Ebrahim, A.; Guzman, G.I.; Szubin, R.; Palsson, B.O.; Feist, A.M. Use of Adaptive Laboratory Evolution To Discover Key Mutations Enabling Rapid Growth of Escherichia coli K-12 MG1655 on Glucose Minimal Medium. Appl. Environ. Microbiol. 2015, 81, 17–30. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
236. Meng, X.; Hu, G.; Li, X.; Gao, C.; Song, W.; Wei, W.; Wu, J.; Liu, L. A Synthetic Methylotroph Achieves Accelerated Cell Growth by Alleviating Transcription-Replication Conflicts. Nat. Commun. 2025, 16, 31. [Google Scholar] [CrossRef]

Nguồn: Industrial Microbial Technologies for Feed Protein Production from Non-Protein Nitrogen