简述蛋白质分离的方法及分离依据（蛋分的元素分析）

前言

文章为译文，原文出处见文章末尾。

首先明确一个文中高频出现的缩写：TOC，即总有机碳。海缸玩家的你可以简单叫他们总有机物。------东杰注释

翻译这篇文章的目的很简单，明确蛋分在海缸中的作用，大家可以考虑如何使用前置过滤（棉，滤袋，滤纸机）来配合蛋分。理解了蛋分的作用，才知道不同的前置过滤对蛋分可能产生的影响。

蛋白质分离器仅去除海缸水中可测量的总有机碳 (TOC) 的 20-35%（Feldman，2009 年；Feldman，2010 年）这一相当违反直觉的观察引出了一个问题，“蛋分从海缸里打来的东西到底是什么” 它真的是 TOC，或者至少是 TOC 的不稳定或“可撇去”部分？

从真实海水中鉴定 TOC 成分的尝试仍处于起步阶段，迄今为止，真实海水无法进行详细的化学分析。最近主要由 Hatcher 及其同事（Mopper，2007 年；De la Rosa，2008 年）使用复杂的质谱和核磁共振光谱技术所做的努力表明，真正的海洋 TOC 由数以万计的离散化合物组成，其中包括来自所有海洋的化学代表主要生化组；脂质，肽、碳水化合物、杂环化合物、芳香族化合物等。

海洋 TOC 与水族箱 TOC 之间的关系仍有待确定，但我们水族箱中的 TOC 似乎同样多样化且化学复杂性丰富。因此，在不久的将来，彻底分析鱼缸TOC这件事，仍然相当有难度。然而，有一些分析方法可以揭示和量化 TOC 的大部分元素成分，并且只要有一点化学直觉，就可以将其中一些成分归入化学类别。这些分析方法称为元素分析和ICP分析法。

这两种方法都可以从许多商业运营中获得；我们使用位于亚利桑那州图森市的 Columbia Analytical Services 处理我们的蛋分撇出物质样本。

实验结果

所有蛋分撇出物样品均来自 （H&S 200-1260） 蛋分的收集杯，该蛋分在作者的照管下运行在一个 175 加仑的珊瑚缸上。

水箱里有 10 条鱼（一对Pterapogon kauderni（邦盖红雀）、一对Liopropoma carmabi（糖果鲈鱼）、Centropyge loriculus（火焰天使）、Centropyge interrupta（日本侏儒天使）、Oxycirrhites typus（长鼻hawkfish）、Zebrasoma flavescens（黄塘）、Amblygobius bynoensis（比诺虾虎鱼）和Synchiropus splendidus）

大约 40 个来珊瑚，包括 SPS、LPS 等珊瑚群落，以及几十种海螺和寄居蟹。

没有软珊瑚或砗磲。

每日喂食包括糠虾、薄片饲料和颗粒饲料。

每周三次，使用 Reef Nutrition 产品 Phytofeast、Rotifeast、Oysterfeast 和 Arctipods，每周添加一片紫菜。

蛋分收集杯每周清洁一次，颗粒活性炭 (GAC)、铁基磷酸盐吸附剂 (GFO)、钙反, 和UV杀菌灯都连续使用。

每周更换 17% 的水量，每周测量水箱参数：

[TOC] = 1.4 ppm（喂食后 1 小时）– 0.5 ppm（喂食后 24 小时），

[Ca] = 390 – 410 ppm，

[Mg] = 1230 – 1260 ppm，

[KH] = 3.5 – 4 meq/L ,

盐度 = 34.5 – 36 ppt,

pH = 7.8（开灯）– 8.1（关灯），

[NO 3 ] < 0.5 ppm，没有可测量的 NH 4、NO 2或 PO 4。

照明由两个 400W 14000K Geissmann 卤素灯和一个 175W 15000K Iwasaki 卤素灯以 8 小时开、16 小时关循环提供。除 氯化钙 外，不使用任何添加剂。

我们最初的实验旨在探测蛋白质分离器去除的水不溶性固体物质的成分。

在水族箱中不添加任何食物的情况下，在 4 天内收集了蛋分液，图 1。

在此时间段后，小心取出 H&S 200-1260 蛋分收集杯中的液体和固体内容物，并在减压下通过初始液体蒸发浓缩至干燥，然后然后再真空干燥。这个过程有效地去除了几乎所有的水（见下文），当然还有蛋分液的任何挥发性成分。得到 17 克灰棕色固体，见图 1。

将 4 克这种粗制撇渣悬浮在 100 mL 蒸馏水中剧烈搅拌数小时。然后通过以 6000 rpm/10 分钟离心分离混合物，倒出并丢弃上清液。该程序重复3次，然后将剩余材料在110℃/0.2mm下真空干燥48小时，得到0.47g灰绿色固体。请注意，必须将 CaCO 3加热到 > 900 o C 才能燃烧掉 CO 2。该固体在 Columbia Analytical Services 进行了如上所述的元素分析：

• C: 21.08 %
• 高：2.39%
• N：2.22%
• 钙：17.43 %
• 镁：1.35%
• 硅：4.76%
• 磷：0.16%

这些数据可以用一些化学直觉和一些假设的应用来解释。

1）钙分析

17.43 ％的 Ca 表示 470 mg 样品中 Ca 的总量为 82 mg。假设所有这些 Ca 均以碳酸钙（CaCO 3，MW = 100）的形式存在，那么 470 mg 的干燥撇脂包含 205 mg (44%) CaCO 3。由于碳占 CaCO 3的 12%（按重量计） ，因此 470 mg 干燥的撇渣物含有约 25 mg（约 5.2%）的来自碳酸钙的（无机）碳。

2）镁分析

按重量计 1.35% 的 Mg 表示 470 mg 样品中的 Mg 总量为 6.3 mg。假设所有这些 Mg 都以碳酸镁（MgCO 3，MW = 84）的形式存在，那么 470 mg 的干燥撇脂包含 22 mg（~ 4.7%）的 MgCO 3。由于 MgCO 3的碳含量为 14%（按重量计） ，因此 470 mg 干燥的撇渣物含有约 3 mg（约 0.7%）的（无机）碳，这些碳来自碳酸镁。

3) 氮分析

活生物体约占干重 5 – 9% 的氮（为简单起见，我们将使用 7%），（Sterner，2002 年）因此，如果我们忽略氮的无机来源（NH4 、NO3和NO2 ，​这在鱼缸水中的含量低得无法估量），按重量计 2.22% 的氮意味着 470 毫克的脱脂物中含有 10.4 毫克的氮，这相当于存在 149 毫克（~32%）的有机物质。

4) 氢气分析

活生物体含有约 7% 的干重氢。(Sterner, 2002) 2.39% 的氢含量意味着 470 毫克的撇渣中含有 11.2 毫克的氢，这相当于存在 160 毫克 (~34%) 的有机物质。将此值与 (3) 中基于氮分析的有机物预测进行比较；32%——非常接近的一致！

5）碳分析

21.08%（重量）的 C 意味着 470 mg 撇脂样品中存在的 C 总量为 99 mg。从 CaCO 3贡献（25 毫克 C）和 MgCO 3中减去 C 的量贡献（3 毫克 C）留下 71 毫克 C。这些碳的来源是什么？似乎有两种可能性；从煮豆机过滤器中排出的颗粒碳（活性炭碳粉-东杰注），或来自有机来源的 TOC。生物体的干重碳含量为 40-50%（为简单起见，我们将使用 45%）（Sterner，2002 年）。如果所有 71 毫克的碳都来自有机来源 (= TOC)，那么将存在约 158 毫克 (约 34%) 的有机物质。将此值与 (3) 中基于氮分析的有机物预测进行比较；149 mgs (~ 32%)，以及 (4) 中基于氢分析的预测；160 毫克 TOC (34%)。基于 TOC 碳的计算与独立的基于氢和氮的计算之间的一致性不容忽视。

因此，没有证据与剩余的 71 毫克碳可作为 TOC 归因于有机来源的结论相矛盾；没有理由将 煮豆机过滤器喷射物（活性炭碳粉-东杰注）作为这种碳的来源。

6）硅分析

470 毫克撇渣中存在的 4.76 ％的硅表明总共存在 22.4 毫克的硅。如果我们假设 Si 是由来自硅藻骨骼的生物蛋白石贡献的，(Brzezinski, 1985; Mortlock, 1989) 那么 Si 是在 SiO 2 的水合聚合物中（蛋白石的近似分子式是SiO 2 • 0.4H 2 O，按质量计 42% Si）。因此，我们可以估计存在的生物蛋白石的数量为 53 毫克（~ 11%）。

7) 磷分析

470 毫克干撇脂中存在的 0.16 重量％的磷意味着存在 0.75 毫克的磷。假设所有的 P 都以磷酸盐 PO4 3-（MW = 95，未知抗衡离子）的形式存在，那么在 470 毫克的干脱脂物中存在约 2.3 毫克（约 0.5%）的 PO4 3- 。这个量等于约 4900 ppm 的磷酸盐，远远超过水箱水中 < 0.02 ppm 的磷酸盐。因此，蛋分确实浓缩了磷酸盐。

元素分析总结

总而言之，从蛋分液干燥出来的东西，按重量计（大约）：

• 44% CaCO 3
• 5%的MgCO 3
• 11% 的生物蛋白石
• 34% 的有机材料
• 0.5%的磷酸盐

因此，干的水不溶性物质一共占了～95%！（也就是蛋分主要打出的东西是不溶于水的粉尘颗粒物等--东杰注）

蛋分收集杯中这些化合物的来源是什么？

生物蛋白石可能来自硅藻壳，硅藻是海洋微生物浮游植物家族的小成员。

CaCO 3（和MgCO 3）可能具有生物来源和非生物来源。钙反在整个实验蛋分收集期间都在运行，因此一些 CaCO 3可能只是从该设备中排放的微粒。或者，CaCO 3可能来自球石藻类 (Mitchell-Innes, 1987; Stanley, 2005) 和有孔虫科浮游微生物的壳。这些浮游生物成分在某些条件下普遍存在于海水中，但尚未确定在水族馆水中是否存在。目前不可能区分 CaCO 3的这些生物来源和非生物来源。未来计划在没有运行钙反的情况下收集蛋分的实验可能会证明这一点。

浮渣中的磷酸盐不可能来自水中无机磷酸盐，用纯净水彻底清洗会去除该离子（多次用纯净水清洗已经把Po4稀释没了-东杰注）。一些磷酸盐可能以不溶性磷酸钙的形式存在，但这种情况不太可能发生，因为 Ca3 (PO4) 2在相当高的 pH 值下形成，这不是蛋分液的特征（pH = 7.67）。

默认情况下，它很可能来自有机磷酸盐；也就是说，硅藻和所有其他生物体（球石藻、有孔虫、细菌、人类等）中的许多生化物质都附着磷酸基团。水族馆生物从鱼缸中的无机磷酸盐中吸收这些磷酸盐分子，然后将它们附着在有机生化物质上。因此，它们有效地从水中浓缩磷酸盐，然后在撇取时去除磷酸盐（在完整的生物体内）。从这个角度来看，蛋分确实有助于去除水族箱水中的无机磷酸盐。

说人话：磷酸盐这两段话表示，蛋分干燥粉末里分析出来的Po4不可能是水里撇出来的，因为检测干燥粉以前，经过了多次水洗，已经把水溶性的都清除了，剩下的只能是蛋分打出来的某些小生物体，被烘干打碎以后检测到的，也就是说蛋分可以通过打出水中的微藻，小虫子，细菌等，间接的降低PO4。 可以想一下，这就是为什么用各种牌子的益生菌或者碳源后要注意蛋分运行效率，因为碳源刺激细菌繁殖，蛋分打出细菌，细菌吸收的PO4就被带出了水体，（假设这些东西被滤袋滤棉拦截了，腐烂了，分解回水里，是不是蛋分就失去了打出他们的机会？）-----东杰注

一个有趣且可能未预料到的观察结果是，只有 34% 的这种固体撇取物材料可归于“有机碳”，即 TOC。因此，2/3 的固体、不溶于水的部分不是 TOC，而是可能具有生物来源的无机材料（也就是藻，虫，菌等）。如果大量这种无机物质确实来自浮游生物，那么按理说，大部分检测到的有机物质 (TOC) 可能是这些生物的“内脏”。因此，通过蛋分去除的 TOC 中可能并没有那么多自由漂浮的有机分子。当然，对这种解释的一个警告是，约 90% 的粗原始撇渣被水冲走了。也许水溶性部分含有大量溶解的有机碳。（说人话，蛋分能打出的有机物特别少，只有占到撇除物的34%，其他东西其实都是水里粉尘，虫，菌，藻等，可以理解为蛋分能打出的超过50%的物质是水中的某种颗粒（菌，藻也是一种小颗粒物）--东杰注）

.此处省略一些更加精细的分析，包括食物分析，有兴趣的朋友可以找原文阅读，原文题目我放在文章末尾。（这部分其实更全面，我懒得翻译了）

结论

由 H&S 200-1260 蛋分在 175 加仑的珊瑚缸中经过几天和一周的时间产生的废水进行的化学/元素成分分析后有些令人惊讶。

只有少量的撇取物（固体 液体）可归因于有机碳（TOC）；约 29%，而且大部分材料不溶于水，即不溶解有机碳。

大部分回收的撇渣固体，除了海水中的常见离子，是 CaCO 3、MgCO 3和 SiO 2 – 无机化合物！这些物种的来源并不确定，但可以证明 SiO 2源自硅藻壳。碳酸钙3可能来自其他带有碳酸钙壳的浮游微生物，或者可能来自钙反应器流出物。

就固体撇取物由微生物群组成的程度而言，通过撇取去除的部分不溶性有机物质将只是这些微生物群落的有机成分（“内脏”）。这些微生物群确实从水柱中浓缩了 P、N 和 C 养分，因此通过撇取去除它们确实构成了一种养分输出方式。（说人话：蛋分能打出来的TOC非常少，且大部分是不溶于水的，还有一部分不确定哪里来的成分，不过可以确定的是，蛋分可以打出很多水中的微小生物，比如藻，菌，虫。这些生物在繁殖发育时，吸收里鱼缸中的碳氮磷等物质。从这个角度将，蛋分把菌，藻，虫撇出来的现象，确实是一种有效减少营养盐的途径。）

原文出处：Elemental Analysis of Skimmate: What Does a Protein Skimmer Actually Remove from Aquarium Water? by Ken S. Feldman | Feb 15, 2010 | 0 comments

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