（环境工程专业论文）尿液和城市废水应用于微藻的培养.pdf

浙江大学硕士学位论文 引言 论文作者签名：堂鱼堕 指导教师签名： 论文评阅人1 ：俭堑垡塾握浙江太堂 评阅人2 ：奎值熬拯逝江太堂 评阅人3 ：董丞鲞壶级王猩垣虫互丝筻漫筮丝筮公圄 评阅入4 ： 评阅人5 ： 答辩委员会主席： 委员1 ： 委员2 ： 委员3 ： 委员4 ： 委员5 ： a p p l i c a t i o no fu r i n e a n dm u n i c i p a l w a s t e w a t e ri nm i c r o a l f f a ec u l t i v a t i o n a u t h o r ss i g n a t u r e ：堂鱼鱼 一 s u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e m a lr e v i e w e r s ： e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： d a t eo fo r a ld e f e n c e ： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：常融融 签字日期：功f 年弓月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙婆太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权浙江太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密 的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：帮良融 导师签名： 签字日期：如i 弓年多月5 日签字日期：c ：k2 3 年? 月8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 岁月如歌，光阴似箭，两年半的研究生生活即将结束。经历了找工作的喧嚣 与坎坷，我深深体会到了写作论文时的那份宁静与思考回首两年半的求学历程， 对那些引导我、帮助我、激励我的人，我心中充满了感激。 首先要感谢导师吴祖成教授，论文定题到写作定稿，倾注了吴老师大量的心 血。在我攻读硕士研究生期间，深深受益于吴老师的关心、爱护和谆谆教导。他 作为老师，点拨迷津，让人如沐春风；作为长辈，关怀备至，让人感念至深。在 此谨向吴老师表示我最诚挚的敬意和感谢! 感谢中石化镇海炼化的周则飞老师在课题及实践过程给予我的帮助和指导。 此外，还要感谢香港大学的梁耀彰教授、浙江工商大学的马香娟教授在文章的写 作中给予我的指导、建议和帮助，谨在此表示衷心的感谢。 同时，感谢一直关心与支持我的廖文，这两年多来的相伴与鼓励使我的学习 生活丰富多彩。感谢刘苗、姬小平、邵东旭等的鼓励和帮助还要特别感谢的是 实验室的边磊师兄、蹇婕和窦超颖学妹，给予我课题上的帮助。此外，还要感谢 张慧敏、余彬彬、李筱筱、邹芳师姐，张辉、范良千、龚啸、周剑峰师兄，任琼、 刘新和秦丹丹师妹，许伟师弟和李兴发。两年多以来，我们朝夕相处，共同进步， 感谢你们给予我的所有关心和帮助，我将终生难忘! 在此要感谢浙江大学，母校给了我一个宽阔的学习平台，让我不断吸取新知， 充实自己。 需要特别感谢的是我的父母、姐姐和哥哥。他们一直是我十多年求学路上的 坚强后盾，在我面临人生选择的迷茫之际，为我排忧解难，他们对我无私的爱与 照顾是我不断前进的动力。 常国园 书圻蠛 p 侈年1 月 浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 微藻具有生长速度快、光合效率高、固碳能力强等特点，能够利用光能合成 多种生物活性物质，目前被广泛应用于能源、医药、化工等领域。目前微藻培养 时对水和营养盐的巨大消耗是限制微藻大规模生产的瓶颈之一。利用城市生活废 水培养微藻能够提供大量的水源及氮磷营养物，并能实现废水的净化。 尿液作为城市生活废水中主要的氮磷来源，如果在源头分离就可以简化污水 处理工艺，城市废水z - 级处理出水仍含有氮磷等营养物，要实现进一步的脱氮除 磷仍是一个难点。因此，本文将尿液及城市二级处理出水用于微藻的培养，不但 能降低微藻生产成本，还能回收废水中的营养盐。 本文首先通过对螺旋藻在光生物反应器中，以生长速率、生物量及蛋白质含 量为指标，以z a r r o u k 培养基中的生长为对照，进行了在尿液中的生长评价，并 通过营养物质的投加考察了对其生长的改善。城市废水则首先采用电去离子技术 对其进行了浓缩预处理，再将浓缩液用于螺旋藻的培养，并通过添加营养成分对 其生长进行了优化。 一次培养中，螺旋藻能够在稀释的尿液中生长，生长速率随稀释倍数增加而 增大，但由于初期氨氮的抑制和后期营养物质的不足，获得的螺旋藻生物量、生 长速率及蛋白质含量均小于z a r r o u k 培养条件下的值。经过培养，发现藻液最适 接种体积为1 0 、初始吸光值o d 5 6 0 为0 1 0 1 8 ，螺旋藻可直接利用尿液中的氮 磷及有机物，利用效率分别为8 7 9 5 、7 4 7 7 和5 0 6 0 。随后，对螺旋藻在尿 液中进行了添加z a r r o u k 培养液、碳源和氮源的半连续培养，这提高了螺旋藻的 生长速率和蛋白质含量，获得的微藻生物量增多。同时，在一次培养的基础上， 在7 天后重新补充尿液，并保留原来一部分培养液进行了螺旋藻的重复培养，发 现当更新培养液体积与总培养液体积的比值r 为o 8 时，重复培养时螺旋藻几乎 没有生长延滞期，且生长速率最大，这为大规模培养提供了初步依据。 二沉池废水中不适合螺旋藻的直接培养，通过电去离子技术获得的浓缩液可 以直接用于培养，但是获得的微藻生物量较低，生长速率小于z a r r o u k 培养基中 的生长速率。在浓缩液中添加z a r r o u k 培养基、n a h c 0 3 、n a n 0 3 及微量元素的 研究发现，添加5 0 培养基时螺旋藻获得了最大的生长速率o 1 9 3d ，当添加 6 0g ln a h c 0 3 、2 0g ln a n 0 3 时获得了最高生物量( 1 6 0g l ) 。从经济和实际 i i 浙江大学硕士学位论文 摘要 效果来看，接种2 0 原藻液或添加6 0g l n a h c 0 3 、1 0g l n a n 0 3 到浓缩液中， 可以优化螺旋藻的培养。经过培养，浓缩液中的9 9 1 氨氮和8 4 6 总磷得到了 回收，获得了5 6 8 的微藻蛋白质。 关键词：尿液；城市废水；螺旋藻；培养；营养盐 i i i 浙江大学硕士学位论文a b s 仃a c t a b s t r a c t m i c r o a l g a eh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n e r g y , p h a r m a c e u t i c a la n dc h e m i c a lf i e l d s d u e 幻i t sr a p i dg r o w t hr a t e ，h i g hp h o t o s y n t h e t i ce f f i c i e n c y , c a r b o nf i x a t i o na b i l i t ya n d v a l u a b l eb i o a c t i v es u b s t a n c e s t h ee n o r m o u sc o n s u m p t i o no fw a t e rr e s o u r c ea n d n u t r i e n t sd u r i n gc u l t u r eb e c o m e st h eb o t t l e n e c ko fal a r g e - s c a l ep r o d u c t i o no f m i c r o a l g a eb i o m a s s d o m e s t i cw a s t e w a t e rc o u l dp r o v i d ew a t e ra n dn u t r i e n t sf o r m i c r o a l g a eg r o w t hw i t haw i n - w i no f w a t e rp u r i f i c a t i o n i fu r i n e ，am a j o rs o u r c eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nd o m e s t i cw a s t e w a t e r , c o u l db es o u r c e s e p a r a t e d ，t h ep r o c e s so fs e w a g et r e a t m e n tc a nb es i m p l i f i e d s e c o n d a r ye f f l u e n t ss t i l lc o n t a i n sn i t r o g e n ，a n dp h o s p h o r u s ，a n dt h ef u r t h e rr e m o v a l r e m a i n sd i f f i c u l t y t h e r e f o r e ，a p p l y i n gu r i n ea n du r b a ns e c o n d a r ye f f l u e n t si n m i c r o a l g a ec u l t u r e ，c a nn o to n l yr e d u c et h ec o s to fb i o m a s sp r o d u c t i o n ，b u ta l s o r e c y c l et h en u t r i e n t si nw a s t e w a t e r w i t hg r o w t hr a t e ，b i o m a s sa n dp r o t e i nc o n t e n t sa sa ni n d i c a t o ra n dt h eg r o w t hi n z a r r o u km e d i u ms e r v e da st h ec o n t r o l ，ag r o w t he v a l u a t i o no fs p i r u l i n ap l a t e n s i s c u l t i v a t e di nh u m a nu r i n ew a sm a d e n u t r i e n t sw e r ea d d e dt ot h eu r i n ei no r d e rt o i m p r o v et h ec u l t u r ec o n d i t i o n h o w e v e r , m u n i c i p a lw a s t e w a t e rw a sf i r s t l yp r e t r e a t e d b ye l e c t r o d e i o n i z a t i o np r o c e s s ，a n dt h ec o n c e n t r a t e ds o l u t i o no b t a i n e dw a su s e df o r c u l t i v a t i o no fs p i r u l i n ap l a t e n s i s b e s i d e s ，t h ee f f e c to nm i c r o a l g a eg r o w t hb ya d d i n g d i f f e r e n tn u t r i e n t sw a si n v e s t i g a t e d i nb a t c hc u l t u r e ，s p i r u l i n ap l a t e n s i sw a sa b l et og r o wi nd i l u t e du r i n ea n dt h e g r o w t hr a t ei n c r e a s e da st h ed i l u t i o nr a t i oi n c r e a s e d b u tt h eb i o m a s s ，g r o w t h r a t ea n d p r o t e i nc o n t e n t so fs p i r u l i n a p l a t e n s i sc u l t u r e di nu r i n ew e r el o w e rt h a nt h a tc u l t u r e d i nz a r r o u kc o n d i t i o nd u et ot h ea m m o n i ai n h i b i t i o ni ni n i t i a lc u l t u r es t a g ea n dl a c ko f n u t r i e n t si nl a t e rp e r i o do fc u l t u r e d u r i n gt h et r a i n i n g ，t h en i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n d o r g a n i cm a t t e r sw a sd i r e c t l yu t i l i z e db y8 7 - 9 5 ，7 4 - 7 7 a n d5 0 - 6 0 ，r e s p e c t i v e l y i t w a sf o u n dt h a tt h em o s ts u i t a b l ei n o c u l a t i o nv o l u m ew a s lo w i t ha ni n i t i a l a b s o r b a n c ev a l u e ( o d 5 6 0 ) o f0 1 - 0 18 s u b s e q u e n t l y , t oi m p r o v ec u l t u r ec o n d i t i o n si n u r i n e ，as e m i c o n t i n u o u sc u l t u r eb ya d d i n gz a r r o u km e d i u m ，c a r b o ns o u r c e sa n d i v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n i t r o g e ns o u r c e sw a sc o n d u c t e d o nt h eb a s i so f b a t c hc u l t u r e ，t h eu r i n ew a sa d d e dt o t h ec u l t u r em e d i u ma f t e r7d a y sa n dap a r to ft h eo r i g i n a lm e d i u mw a su s e df o r r e p e a t e dc u l t u r e w h e nr ，t h er e n e w e dv o l u m et ot h et o t a lv o l u m e ，w a s0 8 ，a l m o s tn o g r o w t hl a g sw e r eo b s e r v e dw i t hh i g h e s tg r o w t hr a t ea c h i e v e di nr e p e m e dc u l t i v a t i o n t h i sp r o v i d e dab a s i sf o rl a r g e - s c a l ec u l t i v a t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h ew a s t e w a t e rf r o ms e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nw a sn o ts u i t a b l e f o rd i r e c tc u l t u r eo fs p i r u l i n ap l a t e n s i s c o n c e n t r a t e ds o l u t i o no b t a i n e db y e l e c t r o d e i o n i z a t i o nt e c h n o l o g yc a nb ed i r e c t l yu s e df o rt h ec u l t i v a t i o no fs p i r u l i n a p l a t e n s i s , b u tt h eg r o w t hr a t ea n db i o m a s s o b t a i n e dw e r el o w e rt h a nt h a t i nz a r r o u k m e d i u m z a r r o u km e d i u m ，n a h c 0 3 ，n a n 0 3a n dt r a c ee l e m e n t sw e r ea d d e dt ot h e c o n c e n t r a t e ds o l u t i o ni no r d e rt oi m p r o v ec u l t u r ec o n d i t i o n t h em a x i m u mo fg r o w t h r a t e ( 0 1 9 3d 1 ) a n db i o m a s sc o n c e n t r a t i o n ( 1 6 0g l ) w a so b t a i n e db ya d d i n g5 0 z a r r o u ka n d6 0g ln a l - - i c 0 3 ，2 0g ln a n 0 3 ，r e s p e c t i v e l y c o m b i n e dt h ec o s tw i t h e f f e c t s ，2 0 o ft h eo r i g i n a la l g a es o l u t i o nc o u l db ed i r e c t l y i n o c u l a t e dt ot h e c o n c e n t r a t e ds o l u t i o nf o rp r o d u c t i o n ，o ra d d i n g6 0g ln a h c 0 3a n d1 0g ln a n 0 3 t oc o n c e n t r a t e ds o l u t i o nc o u l db eu s e dt oo p t i m i z ec u l t u r ec o n d i t i o n d u r i n g i n c u b a t i o n ，9 9 1 a m m o n i aa n d8 4 6 t pi nc o n c e n t r a t e ds o l u t i o nw a sr e c o v e r e d ， r e s p e c t i v e l y b e s i d e s ，ap r o t e i nc o n t e n to f 5 6 8 i nm i c r o a l g a ew a so b t a i n e d k e y w o r d s ：u r i n e ；m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ；s p i r u l i n ap l a t e n s i s ；c u l t i v a t i o n ；n u t r i e n t s v 浙江大学硕士学位论文引言 目次 致谢i 摘要i i 1 1 前言1 1 2 微藻的综合应用1 1 2 1 微藻的特点l 1 2 2 微藻的综合应用2 1 3 微藻的培养技术2 1 3 1 微藻培养的影响因素3 1 3 2 微藻的培养方式6 1 4 微藻生物质生产的瓶颈7 1 5 利用废水培养微藻一7 1 5 1 微藻与废水处理7 1 5 2 废水培养微藻的研究进展8 1 5 3 尿液和城市废水的优势8 1 6 本文的研究目的与内容9 1 6 1 研究目的9 1 6 2 研究内容1 0 2 实验材料与方法1 1 2 1 实验材料1 1 2 1 1 藻种1 l 2 1 2 主要试剂一1 1 2 1 3 离子交换树脂与离子交换膜1 1 2 1 4 培养液1 1 2 1 5 主要仪器1 2 2 2 微藻的培养1 2 2 3 分析方法1 3 2 3 1 生物量浓度的测定1 3 2 3 2 比生长速率及最大细胞产率p m 觚1 4 2 3 3p h 测定1 4 2 3 4 氨氮的测定1 4 2 3 5 硝氮的测定1 5 2 3 6 尿素的测定15 2 3 7 总磷及磷酸盐的测定1 6 2 3 8c o d 的测定1 7 2 3 9 蛋白质的测定18 2 3 1 0 螺旋藻形态观察1 9 3 尿液应用于螺旋藻的培养2 1 3 1 螺旋藻在尿液中的直接培养2 1 3 1 1 前言2 l 3 1 2 实验内容2 l v i 塑鋈奎堂堡主兰堡垒文引言 3 1 3 结果与讨论2 1 3 1 4 小结2 9 3 2 螺旋藻在尿液中培养条件的改善2 9 3 2 1 前言3 0 3 2 2 实验内容3 0 3 2 3 结果与讨论3 0 3 2 4 小结3 7 4 城市废水应用于螺旋藻的培养3 8 4 1 城市废水的预处理3 8 4 1 1 前言3 8 4 1 2 实验内容3 8 4 1 3 结果与讨论3 9 4 1 4 小结4 4 4 2 螺旋藻在浓缩液中的培养4 5 4 。2 1 前言4 5 4 2 2 实验内容4 5 4 2 3 结果与讨论4 5 4 2 4 小结5 2 5 结论及展望一5 3 5 1 结论5 3 5 2 展望5 3 参考文献一5 5 作者简历6 3 v i i 浙江大学硕士学位论文引言 1 绪论 1 1 前言 据文献报道，全球8 0 的能源需求来自于化石燃料，然而随着人口的增长与 工业的发展，化石燃料将在半个世纪内耗尽【1 1 ，同时化石燃料的使用也导致了一 系列的环境问题如全球气候的变化。因此，寻求新型、清洁、可持续型能源势在 必行。生物燃料作为一种可再生能源近些年来引起了学者们的广泛关注，微藻因 其生长速率快、油脂含量高、占地少及c 0 2 吸收率高，已成为目前最有前景的 生产生物燃料的原料之一t 2 , 3 1 。此外，微藻生物质还可以用作肥料、土壤改良剂h 1 、 家畜和鱼的饲料b 1 、以及生产生物塑料材料晒1 、丙酮、丁醇和乙醇等盯1 。然而生 物燃料和生物制品的生产因原料( 微藻) 的生产和收获成本较高受到了极大限制。 除了生物燃料和生物制品的生产外，微藻还被广泛地应用于废水处理上。传 统的氮磷脱除方法是对废水进行物理化学的三级处理，由于能量消耗和化学物质 的使用导致其成本较高，同时也产生了剩余污泥的二次污染。利用微藻处理废水 可以实现资源的回收和利用，具有可持续性。然而，要实现一定的脱除效果，必 须对微藻进行大量的培养和采收。 因此，将微藻生物质的生产和废水的处理结合起来是非常必要和有优势的。 本章主要综述了微藻的应用、培养技术，微藻生物质生产的瓶颈及利用废水 培养微藻的研究进展，并提出问题，指出本文的研究目的及内容。 1 2 微藻的综合应用 1 2 1 微藻的特点 微藻是一种能够进行光合作用的原核( 如蓝藻) 或真核( 如绿藻、硅藻) 微 生物，为单细胞或简单的多细胞结构，能够适应恶劣的环境进行生长和繁殖【8 1 。 微藻具有如下一些特点【9 】： ( 1 ) 含有叶绿体，能够非常有效地利用太阳能，可以通过光合作用固定c 0 2 合成有机化合物，生长速度快、效率高、能耗低； ( 2 ) 繁殖方式一般为简单的分裂繁殖，周期较短，便于进行大规模的培养， 并且微藻结构简单，整体生物量易于利用； ( 3 ) 可以利用海水、碱水或半碱水进行培养，缓轻土地、淡水资源的压力： 浙江大学硕士学位论文引言 ( 4 ) 生物质富含蛋白质、脂肪和碳水化合物，可以作为人类未来的食品及 油料来源； ( 5 ) 可以合成许多结构和生理功能独特的生物活性物质，应用于人类的医 药品、保健品和化工原料，具有商业化生产价值。 1 2 2 微藻的综合应用 微藻在能源、医药、食品、水产养殖、化工、环保、农业及航天等领域有着 重要的应用价值。 微藻蛋白质含量很高，可以作为一种蛋白质的来源，用作鱼类和牲畜的饲料 1 0 】。其中，小球藻、螺旋藻应用广泛。小球藻是最早被用作优良饲料添加剂和 健康食品开发研究的微藻之一，必需氨基酸总量高于一般植物性蛋白。而螺旋藻 的蛋白质含量则是所有天然食物中最高的，可达6 0 7 0 ，是大豆的2 倍、牛 肉的3 倍、鸡肉的3 倍、猪肉的4 倍、鸡蛋的6 倍、大米的1 0 倍，而且氨基酸 中含有8 种人体必需氨基酸，是人类理想的蛋白质宝库【1 1 】。 徽藻中有大量的不饱和脂肪酸、多糖和色素，可以提取出来制备各种化学物 质，是一种良好的原料。多不饱和脂肪酸如二十碳五烯酸( e p a ) 和二十二碳六 烯酸( d h a ) 在营养和医学领域具有重要作用，已引起人们广泛关注，微藻多 糖中硫酸多糖独特的化学结构具有一定的药用价值，色素如d 一胡萝t - 素、虾青 素、藻胆蛋白可用作食品、医药、化妆品的天然色素【1 2 】。 此外，微藻还可以应用于环保领域。利用微藻处理废水已成为近年来研究的 热点，这种方法处理效果好，且处理费用仅是传统处理方法的5 0 【1 3 】。微藻在 光合作用的过程中利用了c 0 2 ，用微藻固定c 0 2 的光生物技术目前被认为是一 种有前景的、经济高效的新方法【1 1 】。 近年来，微藻因其生长速率快、油脂含量高、占地少及c 0 2 吸收率高，已 成为目前最有前景的生产生物燃料的原料之一n 4 ，15 1 。据估算，微藻生物质可以供 给全球能源需求量的2 5 【1 6 1 。微藻可以通过以下途径【1 7 1 转变成液体燃料：( 1 ) 生物质中的糖和简单碳水化合物可以发酵成乙醇；( 2 ) 生物质中的脂肪和油可以 提取出来制成生物柴油；( 3 ) 总生物质可以通过热化学转化成为生物粗油。 1 3 微藻的培养技术 浙江大学硕士学位论文引言 1 3 1 微藻培养的影响因素 1 3 1 1 环境因子 影响微藻培养的环境因子主要有光照、温度和p h 。 一般来说，微藻都是光合自养型【18 1 ，可以进行光合自养生长。光合作用过 程分为光反应和暗反应两个阶段，在光反应阶段，微藻可以利用色素吸收光能。 光照不仅能影响光合碳固定的速率，也能影响藻细胞的呼吸强度和能源水平，因 此光照是微藻生长最主要的环境因子【1 9 】。研究发现，在未达到光饱和点( 即光 合活动达到最大限度) 之前，增大光密度可以促进蓝藻的生长，而当光密度超过 一定值时，微藻的生长则会受到抑带j 2 0 , 2 1 。浊度会影响光密度的大小，当微藻细 胞浓度较高时，浊度交大，会使光密度降低，影响微藻对光能的吸收 2 2 】。适宜 的光照时间对微藻的生长也很重要，有研究指出螺旋藻的生长需要一个适当的光 暗变替，以利于光合作用的光反应和暗反应的匹配，否则其光合产物的形成和体 内的物质代谢发生阻碍，影响微藻的正常生长 2 3 1 。因此，微藻的生长会受到所 提供的光能及细胞密度大小的影响。而混合营养培养时，微藻对光过饱和现象不 敏感，需要的光能少，代谢活动强，相比之下更具有优势眨钔。光密度也会影响 微藻生物质的组成，一般来说，随着光密度的增加，总脂、脂肪酸和蛋白质的含 量会逐渐下降 2 5 , 2 6 , 2 7 】。 光合作用过程中的暗反应需要酶的催化，温度直接影响到酶的活性。温度较 低时，酶促反应下降，会限制光合作用的进行。而温度较高时，一方面会破坏叶 绿体和细胞结构，并使叶绿体的酶钝化，另一方面因呼吸速率大于光合速率，不 利于生物量的积累【2 引。不同的微藻最适生长温度不同，如螺旋藻的最适温度范 围为3 0 3 8 c ，温度也会影响生物质的组成，有研究指出，随着温度的上升，微 藻的蛋白质含量下降，碳水化合物含量上升，而有些研究与此恰恰相反，一般都 认为温度的升高有利于微藻脂质含量的提高【2 9 1 。 培养液中的p h 值不仅影响微藻对c 0 2 和h c 0 3 - 的吸收和利用，还影响其对 有机碳的利用效率以及代谢产物的再利用，并对藻体的生长产生极大的影响。一 般认为螺旋藻培养的最适p h 范围为8 5 1 0 5 ，而实际上环境中的p h 值大于9 0 的时候，螺旋藻的产率会下降 3 0 , 3 1 。对螺旋藻的培养基保持一定的碱性，既能促 浙江大学硕士学位论文引言 进生长，又能抑制杂藻的生长，以保证培养的成功及藻的纯度。 1 3 1 2 营养物质 影响微藻培养的营养物质主要有碳源、氮源、磷源及一些微量元素。 碳源是微藻培养过程中一个很重要的营养因子，主要有无机碳源和有机碳 源。微藻对无机碳源的利用主要是以c 0 2 和h c 0 3 - 的形式，c 0 2 溶解在水中，形 成了碳酸氢盐碳酸盐的弱酸缓冲体系，存在着以下的动态平衡： c 0 2 + h 2 0hh c o + h +( 1 - 1 ) 这个缓冲体系一般存在于自然水体中，并能与其他的缓冲子系统形成一个混 合缓冲体系。无机碳源的形式一般受到温度和p h 的影响，当p h 小于1 0 5 时， 碳酸氢盐为主要形式，而当p h 更高时，碳酸盐占主导。碳酸氢盐碳酸盐缓冲 体系一般通过以下反应为光合作用提供碳源： 2 h c 0 3 hc 0 3 2 - + h 2 0 + c 0 2 ( 1 - 2 ) h c 0 3 。hc 0 3 2 - + o h 。 ( 1 3 ) c 0 3 卜+ h 2 0 付c 0 2 + 2 0 h 。 ( 1 - 4 ) 虽然c 0 2 的溶解使得水体酸化，但是随着光合作用对c 0 2 的固定，o h 。逐渐 增多，p h 逐渐升高，水体呈碱性，此外，光合作用越强，p h 也会升高b 劫。这 两种碳源中一般采用n a h c 0 3 来提供，如螺旋藻的z a r r o u k 培养基中n a h c 0 3 含 量高达1 6 8g l 3 3 1 ，这无疑提高了生产成本( 约占全部原料成本的6 0 ) ，而使 用c 0 2 替代n a h c 0 3 来为螺旋藻提供全部碳源，既可以保持整个培养液体系的 p h 值稳定，有利于螺旋藻的良好生长和培养液的长期使用，同时又能较大幅度 地降低生产中的原料成本b 钔。 一些微藻如螺旋藻还可以利用糖类、有机酸、氨基酸等有机碳源进行异养或 混合营养生长。糖蜜作有机碳源培养螺旋藻时会促进其生长【3 5 1 。此外，葡萄糖 和醋酸盐也能提高螺旋藻的生长速率和生物量，但葡萄糖的效果明显优于醋酸 盐，其中5 0 0 9 葡萄糖转化成了螺旋藻的细胞结构，3 5 以c 0 2 形式释放，1 9 则以有机副产物的形式分泌到培养液中，而这些有机副产物对螺旋藻生长有可能 产生抑制作用1 1 9 。因此，微藻对不同碳源的利用是不同的，与无机碳源相比， 4 浙江大学硕士学位论文 引言 有机碳源作为营养源更易被螺旋藻利用并合成细胞物质，以葡萄糖为补充碳源对 螺旋藻进行混合营养培养时可以提高胞内、胞外多糖及叶绿素含量，而对藻胆蛋 白含量影响不大1 3 6 , 3 7 】。 氮源也是一个重要的营养因子，分无机和有机氮源。无机氮源主要有n 0 3 、 n 0 2 、n 时以及n 2 。蓝藻对氮源的使用顺序为b a h + n 0 3 n 2 ，当环境中存在 n i - h + ，微藻会优先利用n h 4 + ，直到使用完才开始利用其他氮源b 8 1 。 - 3p h 或温 度较高时，会有游离氨的形成，游离氨对大多数光合微生物是有毒的，但嗜碱的 螺旋藻对游离氨有一定的抵抗力，然而当氨浓度较高时，其生长也会受到抑制， 如在2 0 0m g l 氨氮的废水中，螺旋藻的生长几乎停滞t 3 9 , 4 0 。当环境中只有硝氮 时，微藻会将硝氮还原成亚硝氮，再将亚硝氮还原成铵盐，进而利用h 。硝氮 是微藻常用的氮源，如螺旋藻的z a r r o u k 培养基中使用硝酸钠作氮源，研究表明 硝酸钠是螺旋藻培养最合适的营养物质珥劲。但硝酸钠并不是我国氮肥工业的主 要产品，而且价格昂贵，这使得降低生产成本有一定的困难。尿素作为一种有机 氮源，价格低廉，引起了人们的兴趣。尿素在螺旋藻的批式和补料批式培养中的 使用会增大总生物量和叶绿素含量，与其他氮源相比，尿素作氮源时螺旋藻的y 一 亚麻酸的含量较高洱扪。氮源会影响微藻的蛋白质含量，研究发现增加培养液中 的氮含量会在某种程度上增加微藻蛋白质的含量，而氮源对脂质含量的影响并不 是很清晰【2 9 1 ，有研究发现氮饥饿会影响绿藻的光合作用体系，对蛋白质及光合 色素如叶绿素的合成有负面影响，而造成碳水化合物和脂质的积累1 。对于蓝 藻，氮饥饿会影响某些蓝藻的脂质含量，一般都认为会造成碳水化合物的积累 4 5 1 磷是微藻生长所必需的常量元素。虽然微藻对磷的需求量不大，但在磷缺乏 的自然环境中磷就会成为一个重要的生长限制因子。蓝藻能够以多聚磷酸盐的形 式在体内储存过量的磷，在缺磷培养液中的延长培养中可以为藻体提供足量的 磷，磷含量不足的细胞比磷含量充足的细胞吸收磷的速率要高，磷通常是以磷酸 根( p 0 4 3 。) 的形式被微藻利用的2 9 1 。微藻对p 0 4 3 - 的吸收受p h 的影响，在酸性 或过碱的环境中，其吸收速率下降，而当培养液中缺乏k + 、n a + 、m 9 2 + 时，其 吸收速率也会降低h 创。磷的浓度也会影响微藻生物质的组成，如在多变鱼腥藻 的培养中，磷浓度的下降导致微藻中碳水化合物含量的上升，蛋白质含量的下降 浙江大学硕士学位论文引言 1 4 ，j 此外，一些元素也是微藻生长繁殖所必需的，常量元素主要包括s 、c a 、 m g 和k ，微量元素主要包括m o 、f e 、n i 、c u 、z n 、c o 、b 、m n 和c l 。这些 元素对微藻的生长起着重要作用，如m 9 2 + 可以促进生物多糖的合成，k + 可以维 持、调整藻细胞内外的正常渗透压及促进一些营养物质的运输等阻剐。一些废水 如尿液中含有微藻生长所必需的微量元素b 、c u 、z n 、m o 、f e 、c o 和m n 等洱9 ，5 0 1 ， 从而可以考虑来培养微藻。 1 3 2 微藻的培养方式 微藻的生长和生物质组成受到培养条件的影响，根据微藻对碳的代谢机理， 其培养方式一般有自养、异养、光异养和混合营养培养四种晤。 自养培养是指将光能作为唯一的能量来源，并通过光合作用将无机碳源转化 为有机物。自养培养一般在开放式塘( 如跑道池) 或密闭式光生物反应器中进行。 开放式塘可以进行微藻的大批量培养，但是对微藻要求较高，一般适合能在极端 环境中生长的藻类，如螺旋藻( 高p h ) 、杜氏盐藻( 高盐度) 、小球藻( 生长较 快) 等，而封闭式光生物反应器适合易受外界污染的微藻的培养巧引。密闭式光 生物反应器可减少污染，实现纯种培养，培养条件易于控制，易于实现高密度培 养，对代谢产物的积累有利，同时由于培养密度高，收获效率也显著提高，适合 用于微藻代谢产物产品的生产，但利用光反应器培养微藻也存在一些限制因素， 如在微藻达到较高的细胞密度时，限制了光的穿透，使内部的细胞难以得到充分 的光照【5 3 】。 异养培养是以有机物作为能量和碳源的来源。与自养相比，异养培养过程中 不需要光，降低了生产成本，生长速度快、细胞密度高，可以降低收获成本，培 养易控制便于生产过程的控制及稳定生产，细胞生长和生物合成受培养液中营养 物质及环境因素的影响较大。微藻在生长过程中可以同化许多有机碳源，如葡萄 糖、醋酸盐、丙三醇、果糖、蔗糖、乳糖等，研究发现，异养培养可以提高微藻 的产量和脂质的产率，但是由于有机物的存在易受到其他微生物的污染晤舢。 光异养培养是以光能作为能量来源，以有机物作为碳源，即光异养培养过程 同时需要光和有机物。 在混合营养培养中光能是主要的能量来源，而c 0 2 和有机物都是必需的。 浙江大学硕士学位论文 引言 与以上几种培养方式相比，混合营养培养主要的优势有：降低光抑制作用、提高 生长速率及减少夜晚的生物质损失【3 2 ，5 5 1 。混合营养培养下微藻的生长速率并不是 自养与异养培养时生长速率的简单总和，自养与异养这两个代谢过程是相互影响 的【5 6 1 。这些优势表明混合营养培养是培养微藻的一个良好途径。 1 4 微藻生物质生产的瓶颈 微藻的生物质作为一种原料，具有很广泛的应用，微藻培养过程中需要提供 的大量水和营养盐则是人们尤为关心的一个问题 5 7 , 5 8 。微藻的培养在很大程度上 取决于营养盐的供应，以生物质的组成初步估算每公顷需要8 一1 6 吨的氮【2 9 】，常 用的营养盐主要是商业肥料。这些肥料的大量使用不仅可以引发一系列的环境问 题，而且还提高了生产成本，如肥料在螺旋藻的总生产成本中几乎占了一半b 卯。 因此，寻求廉价的水资源与营养盐对于降低微藻的生产成本具有重要的意义。如 果用一些受损的水源如生活废水、农业废水和工业废水等来取代这些传统的培养 液，那么将可以取得较大的经济可持续性。 此外，由于微藻个体较小，如单细胞真核藻有3 3 0 “m ，蓝藻只有0 2 2 弘m ， 这增加了微藻生物量的采收难度，造成微藻生产成本较高，据估计