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微藻固定二氧化碳实验研究 摘要 随着人类工业化水平不断提高，排放的温室气体越来越多，气候和生 态平衡遭到严重破坏。c 0 2 是造成温室效应的主要气体，对温室效应的贡献 占7 0 。因此，如何去除c 0 2 已经成为研究的热点。去除c 0 2 的技术主要 有物理法、化学法和生物法。物理法和化学法存在技术复杂、费用昂贵、 处理效果不佳等问题，而生物法中利用微藻固定c 0 2 具环保、经济、彻底 的独特优势，为人类提供了一条固碳新途径，受到了国内外研究者的高度 重视。本课题利用7 种微藻( 普通小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 、水网藻 i i y d r o d i c o 惦o nr e t i c u l a t u m 、斜生栅藻x c e n e d e s m u so b l i q u u s , 鞘藻o e d o g o n i u m s p 、水华鱼腥藻a n a b a e n a j t o s - a q u a e 、小颤藻o s c i l l a t o r i at e n u i s 和阿氏颤藻 o s c i l l a t o r i a a g a r d h i i ) 进行固定c 0 2 实验研究，首先筛选出适合固碳的微藻， 然后确定微藻固碳的最佳环境因素，最后进行微藻处理模拟烟气实验，为 温室气体减排和缓解温室效应提供一种新技术。 通过实验研究，得到如下主要结论： ( 1 ) 在温度2 5 、自然光、光暗比1 2h ：1 2h 的条件下，7 种微藻均 经历了4 d 左右的适应期。在提供等量营养物质的情况下，斜生栅藻和阿氏 颤藻生长情况要优于其他藻的生长。阿氏颤藻和斜生栅藻的叶绿素含量虽 然较小，但阿氏颤藻和斜生栅藻的生长情况好于叶绿素含量较高的水网藻， 藻生长情况还与叶绿素利用率有关。 ( 2 ) 在温度2 5 、光照强度4 0 0 0l u x 、光暗比1 2h ：1 2h 的条件下， 每天定时通入1 5 0m lc 0 2 ( 体积分数9 9 9 ) ，进行7d 通气实验。斜生 栅藻、普通小球藻和水网藻耐受c o z 能力较强。其中，斜生栅藻生长情况 最好，藻生长量为o 8 3 7g l 一，c 0 2 固定量为1 5 7 8g l 一。 ( 3 ) 4 因素4 水平正交实验中，斜生栅藻固定c o z 主要受温度影响， c 0 2 通入量、初始p h 和光照强度等因素对斜生栅藻固定c 0 2 影响不大。斜 生栅藻固定c o z 的最佳环境因素为温度3 0 、通气量3 0 0m l 、光照度4 5 0 0 l u x 、初始p h 9 5 。 ( 4 ) 模拟烟气实验：斜生栅藻能在模拟烟气中生长，并实现对c 0 2 的 固定，实验结束时，干重为0 8 9 5g l ，c 0 2 固定量为1 6 8 7g - l 一。因此， 利用斜生栅藻固定烟气中的c 0 2 具有可行性。 关键词：微藻固定c 0 2 斜生栅藻 w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h eh u m a ni n d u s t r i a ll e v e l ，m o r ea n d m o r eg r e e n h o u s eg a sd i s c h a r g i n g ，d a m a g ec l i m a t ea n d e c o l o g i c a lb a l a n c e s e v e r e l y c 0 2w h o s ec o n t r i b u t i o nt ot h eg r e e n h o u s ee f f e c ta c c o u n t sf o r7 0 i s t h em a i ng a sr e s u l t i n gi ng r e e n h o u s ee f f e c t s oh o wt or e m o v ec 0 2h a sa l r e a d y b e c o m er e s e a r c hf o c u s t h e r ea r ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lm e t h o d si n c 0 2r e m o v a lt e c h n o l o g i e s p h y s i c a la n dc h e m i c a lm e t h o d sh a v et h es a m e p r o b l e m ：t e c h n i c a lc o m p l e x i t y ，e x p e n s i v ec o s ta n dp o o rt r e a t m e n te f f e c t ，w h i l e i nt h e b i o l o g i c a l m e t h o d s m i c r o a l g a e t h a ti su s e dt of i xc 0 2w i t h e n v i r o n m e n t a l l y , e c o n o m i c a l l y ，t h o r o u g h l yu n i q u ea d v a n t a g e sp r o v i d e san e w w a yo ff i x i n gc 0 2a n do b t a i n sd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r s g r e a t a t t e n t i o n t h i s t o p i c s t u d i e d7 k i n d so fm i c r o a l g a e ( c h l o r e l l a v u l g a r i s , h y d r o d i c 功o nr e t i c u l a t u m , x c e n e d e s m u so b l i q u u s , o e d o g o n i u ms p 。d n a b a e n a f l o s - a q u a e , o s c i l l a t o r i at e n u i sa n do s c i l l a t o r i aa g a r d h i of i x i n gc 0 2t of i n da n e w t e c h n o l o g yr e d u c i n gg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sa n dm i t i g a t i n gg r e e n h o u s e e f f e c t f i r s ts c r e e n i n go fm i c r o a l g a ef o rc 0 2f i x a t i o n ，a n dt h e nd e t e r m i n i n gt h e b e s te n v i r o n m e n t a lf a c t o r so ft h em i c r o a l g a ew h i c hw a ss c r e e n e di nt h ef i r s ts t e p ， 1 1 1 f i n a l l yw i t hs i m u l a t i n gf l u eg a sd e a l tb yt h em i c r o a l g a e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a l lt h e7k i n d so fm i c r o a l g a ew e n tt h r o u g ha d a p t a t i o np e r i o do f 4d a y s a p p r o x i m a t e l yu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ( n a t u r a ll i g h t ，t e m p e r a t u r e2 5 a n dl i g h t - d a r kc y c l e12 ：12 ) t h eg r o w t ho fx c e n e d e s m u so b l i q u u sa n d o s c i l a t o r i aa g a r d m iw e r es u p e r i o rt oo t h e r a l g a ea f t e rp r o v i d i n gt h es a m e a m o u n to fn u t r i e n t s c h l o r o p h y l lc o n t e n to fx c e n e d e s m u so b l i q u u sa n d o x c i l l a t o r i aa g a r d m iw e r el o w e rt h a no t h e r a l g a e ，h o w e v e rt h eg r o w t ho f s c e n e d e s m u so b l i q u u sa n do s c i l a t o r i aa g a r d h i iw e r eh i g h e rt h a nh y d r o d i c o z o n r e t i c u l a t u mw i t hah i g h c h l o r o p h y l lc o n t e n t t h e r e f o r e ，a l g a lg r o w t hw a s r e l e v a n tt ot h er a t eo f c h l o r o p h y l lu t i l i z a t i o n ( 2 ) u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ( t e m p e r a t u r e2 5 ，l i g h ti n t e n s i t y 4 0 0 0 1 u xa n dl i g h t - d a r kc y c l e12 ：12 ) ，a l lt h e7k i n d so fm i c r o a l g a ew e r e p r o v i d e d15 0m lc 0 2 ( v o l u m ef r a c t i o n9 9 9 ) e v e r y d a yg r e wd u r i n g7d a y s s c e n e d e s m u so b l i q u u s , c h l o r e l l av u l g a r i sa n di t y d r o d i c t v o nr e t i c u l a t u mc o u l d t o l e r a t ec 0 2w h o s ec o n c e n t r a t i o nw a sh i g h t h e g r o w t ho fx c e n e d e s m u s o b i q u u sw h o s eb i o m a s sa n dc 0 2f i x e da m o u n tw e r eo 8 3 7g - l 1a n d1 5 7 8g l 。1 r e s p e c t i v e l yw a st h eb e s t ( 3 ) i nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t o f 4f a c t o r sa n d4 l e v e l s ，t h a t x c e n e d e s m u so b l i q u u sf i x e dc 0 2w a sm a i n l ya f f e c t e db yt e m p e r a t u r e ，w h i l e e n v i r o n m e n t a lf a c t o r ss u c ha st h ea m o u n to fc 0 2 ，t h ei n i t i a l p ha n dl i g h t i n t e n s i t yh a dl i r l ee f f e c t o p t i m a le n v i r o n m e n t a lf a c t o r so fc 0 2f i x e db y s c e n e d e s m u so b l i q u u sw e r et e m p e r a t u r e3 0 ，c 0 2a m o u n t3 0 0m l ，l i g h t i n t e n s i t y4 , 5 0 0l u x ，i n i t i a lp h 9 5 ( 4 ) s i m u l a t i n gf l u eg a se x p e r i m e n t ：s c e n e d e s m u so b l i q u u sg r e wa n df i x e d c 0 2i ns i m u l a t i n gf l u eg a s i nt h ee n do ft h ee x p e r i m e n t , i t sd r yw e i g h ta n d a m o u n to fc 0 2f i x e db yi tw e r e0 8 9 5 g l 。1a n d1 6 8 7g l ，r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e ，s c e n e d e s m u so b l i q u u sf i x e dc 0 2i nt h ef l u eg a sw a sf e a s i b l e m i c r o a l g a e ；f i x a t i o n ；c 0 2 ；s c e n e d e s m u so b l i q u u s v 符号说明 符号 意义单位或量纲 0 1 ) 6 6 0藻液在波长6 6 0d a t i 处的吸光值 彳6 6 5在波长6 6 5n n l 测得的吸光度值 a 6 3 0在波长6 3 0n l - n 测得的吸光度值 a 6 4 5在波长6 4 5n n l 测得的吸光度值 “l藻细胞干重g c 0 2 吸收量m l 门稀释倍数 m c藻细胞的含碳率 m 。 c 0 2 的分子量 g m o l - 1 m c碳的原子量 g - m o l 1 pc 0 2 密度 g - l l y 固碳率 比c 0 2 固定量 m l kc 0 2 通入量 m l g p微藻增长率倍数周。 1 2 0接种藻液中藻细胞干重g f培养时间周 k比生长速率 “培养时间 d n o藻液初始0 1 9 6 6 0 值 i x 符号意义单位或量纲 m藻液培养r 天后的o d 6 6 0 值 c l碳酸根离子浓度 m 0 1 l 。1 c 2碳酸氢根离子浓度 m 0 1 l 。1 n盐酸标准滴定溶液浓度 m 0 1 l 。1 y 、测定时所取藻液体积m l 巧溶液从粉红色变为无色时所消耗的盐酸体积 m l 圪溶液由黄色变为橙红色时所消耗的盐酸体积m l x 微藻固定二年化碳的实疆 研究 第一章绪论 1 1 温室气体c 0 ：排放现状 近年来，由于人口增加，煤、石油、天然气等化石燃料的大量使用及森林植被的破 坏，造成大气中温室气体含量不断增加，温室效应加剧，导致全球平均地表温度升高了 0 7 4 。联合国机构预测，在未来2 0 年即使所有温室气体排放量稳定在2 0 0 0 年的水平， 全球平均地表气温每l o 年也将升高0 1 。c l q 。全球气温升高会增加病虫害爆发率及传播 速度：引起海水膨胀，并增大台风、暴雨及风暴潮所造成的危害；加快冰川融化，增加 降雨量和蒸发量，最终导致海平面升高、物种迁移，并对沿岸低洼地区及海岛造成严重 的经济损害f 2 l 。 大气中的温室气体主要有：二氧化碳( c 0 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 、氧化亚氮( n 2 0 ) 、 六氟化硫( s f 6 ) 、全氟碳化物( p f c s ) 、氟利昂或氯氟烃( c f c s ) 、氢氟碳化物( h f c s ) 和水蒸气( h 2 0 ) 等【3 1 。表1 1 q 为部分温室气体排放现状。从表1 1 可以看出，c 0 2 占温 室气体总排放量的5 5 ，是造成温室效应的主要气体。2 0 0 0 年，中国的c 0 2 排放量排在 全球第二，仅次于美国f 3 】。此外，从表1 2 可知，中国未来不同排放源排放温室气体估算 中，化石燃料燃烧是产生c o z 的主要来源【5 1 。 表1 1 部分温室气体的排放现状 t a b l el 一1t h ec u r r e n ts i t u a t i o no f d i s c h a r g i n gs o m eg r e e n h o u s eg a s e s 三达三兰兰竺! 兰! ：! 二兰! 三! ! 兰竺兰兰! ! 竺! 兰兰兰! ! ：竺! 来源 燃烧微生物燃烧微生物 工业 艺麓搿 3 4 5眈 o o 。 每年增加率0 5 - 1 01 0 o 2 55 在全球增温中所 5 j2 05 1 5 占的比例 一 。 注：来源于“中国气候变化国别研究”项目 微藻固定二氧化碳的实验研究 1 2 温室气体c 0 ：的去除方法 目前，去除c 0 2 的主要方法有：物理法，化学法，生物法等【刚。 1 2 1 物理法 物理法是利用吸收剂对混合气中c o ：的选择性吸收，通过可逆吸附作用分离回收 c 0 2 。其优点是：在低温、高压条件下进行吸收时，吸收能力大，吸收剂用量少，吸收 剂可再生且不需加热【7 1 。但该法选择性差，运行成本、能耗较高，甚至会增加对化石燃 料的需求，导致在去除c o z 的过程中又产生c 0 2 ，在现实生活中应用较少。 1 2 2 化学法 化学法主要是利用酶促氢化、碳化作用及电化学技术，将c 0 2 转化为高附加值的化 学物质( 如氨基甲酸酯、碳酸酯、有机硅、有机磷化合物、新型c 0 2 树脂材料等) ，或 可重复利用的化学能源( 如甲醇、烯烃、合成气等) 1 8 1 。化学法常需纯c o ：，但工业排 放的c 0 2 纯度一般小于2 0 ，导致该技术的分离成本和开发应用成本较高，并且在处 理过程中消耗能源的同时仍会排放c o ：，增加环境负担。因此，利用化学法去除c 0 2 ， 仍然面临着巨大的挑战【6 】。 1 2 3 生物法 生物法主要是植物利用光合作用和微生物的自养作用固定c o ：【9 】。生物法固定c o ： 在碳循环中起决定作用，是地球上主要的固碳方式。生物固碳的技术主要有：原始森林 和再造林的调节；非光合微生物的固碳作用；高等植物和微藻的光合作用。在诸多技术 中，利用微藻光合作用固定c 0 2 的生物技术被认为是一种具有潜力的新方法【l o 】。微藻形 体微小，具繁殖快、环境适应性强、光合速率高，及易与其他工程技术集成等优点。此 外，利用微藻固定温室气体c 0 2 还具有以下优势：1 ) 相对于陆生植物而言，微藻固定 c o z 速率高、反应温度温和、不占用有限的可耕地资源，且固碳速率比陆生植物高出一 个数量级；2 ) 许多微藻易培养、培养方式简便，并能耐受高浓度c o ：和中等浓度的s o 。 和n o x ( 高达1 5 0 p p m ) 【】，可用于工业废气的处理，减少废气中c 0 2 及其他有毒物质 的含量，节省废气处理费用和微藻培养费用；3 ) 可与废水处理相结合，去除废水中的 氮磷、有机物和重金属等【1 2 ，1 3 1 。此外，微藻的消化作用或微藻、污泥的联合消化作用还 能产生生物气【1 4 】；4 ) 收获的微藻可作为工农业原料生产食品、药物、肥料、饵料和生 物燃料等【9 】。 综上所述，物理法、化学法处理工艺花费高、能耗大，处理效果不彻底，并且存在 广西大掌硕士掌位论文微藻固定二匀1 | ，发的实验研究 安全隐患；而生物法中利用微藻固定c o ：具环保、经济、彻底的独特优势，为人类提供 了一条有效的全新固碳途径，受到国内外研究者高度重视。 1 3 微藻固定c 0 ：的研究 1 3 1 微藻固碳机理 目前，植物主要有三大光合碳代谢途径：还原戊糖磷酸途径( c 3 途径) 、双羧酸 途径( c 4 途径) 和景天酸代谢途径( c a m 途径) 。c 4 途径仅存在于p h a e o d a c o d u m t r i c o r n u u m 等少数硅藻中，大部分微藻主要依靠c 3 途径【1 5 】。微藻光合作用反应方程式 如下： 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n o ；+ r i p o ；+ 1 2 2 h2 0 + 1 8 h + c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p + 1 3 8 0 2( 1 - 1 ) c 3 途径是微藻利用光反应产生的a t p 和n a d p h 合成有机物的过程，由c a l v i n 和 b e n s o n 发现，所以也被称为c a l v i n b e n s o n 循环，简称c a l v i n 循环1 1 6 】。此循环由1 3 个步骤 组成，主要分为固定、还原及再生3 个阶段：1 ) 羧化阶段，即在核酮糖1 ，5 二磷酸羧 化酶( r u b i s c o ) 的作用下，催化c 0 2 和核酮糖1 ，5 二磷酸生成3 磷酸甘油酸；2 ) 还原阶 段，3 磷酸甘油酸首先在3 磷酸甘油酸激酶的作用下，被a t p 酸化成1 ，3 二磷酸甘油酸， 然后在磷酸甘油醛脱氢酶的作用下，被n a d p h 还原为甘油醛3 磷酸；3 ) 再生阶段，即 核酮糖1 ，5 二磷酸的再生，甘油醛3 磷酸分子在a t p 与酶的作用下，最终酸化成核酮 糖1 ，5 二磷酸【1 7 1 。再生成的核酮糖1 ，5 二磷酸固定c 0 2 ，完成以上循环，从而实现对 c 0 2 的光合利用。 1 9 3 2 年，b u c h 解决了水中c 0 2 的溶解平衡问题，为微藻无机碳营养的研究提供了 理论基础，此后相关研究也日益深入【1 8 j 。国外学者r o b e r t s 等 1 9 l 研究了光子变迁和改变 c 0 2 浓度对海洋硅藻( c h a e f o c e r o s m u e l e r i ) 的生长和光合电子运输的影响，并为c c m ( c 0 2c o n c e n t r a t i n gm e c h a n i s m ) 寻找证据，结果表明，实验微藻可通过一个或多个c c m 机制，利用重碳酸盐，获得无机碳。国内学者邱保胜等对蓝藻的c c m 进行了归纳总结【2 0 】， 而夏建荣等研究了多种绿藻的无机碳转移模型，介绍并评述各模型的优缺点【2 1 1 。 1 3 2 固定c 0 ：藻种的研究 目前，已经分类的藻有4 万多种。固定c 0 2 的微藻以单细胞的绿藻和蓝藻居多，有 小球藻( c h l o r e l as p ) 、螺旋藻( x p i r u l i n as p ) 、斜生栅藻( s c e n e d e s m u so b l i q u u s ) 、 嗜热蓝藻( c h l o r o g e o p s i s s p ) 、纤细裸藻( e u g l e n a g r a c i i s ) 等【2 0 】十多种。不同微藻耐 受的c 0 2 浓度是不同的。一般地，适宜微藻生长的c 0 2 浓度为1 5 ( v v ) ，当 广西大掌硕士掌位论文微藻固定二氧化碳的实验研究 c 0 2 浓度大于5 时，大部分微藻的生长会受到抑带1 2 2 1 。研究初期阶段，学者从自然环 境中分离并筛选出耐高浓度c 0 2 的微藻。m u r a k a m i 等 i 0 1 通过大量实验研究，筛选出十 多种可以用于固定高浓度c 0 2 的微藻，其中，c h l o r e l l as p u k 0 0 1 和c h l o r o c o c c u m l i t t o r a l e 效果最好。m o r a i s 等【2 3 】从p r e s i d e n t em d d i c i 燃煤热电厂的废水中分离出的 s c e n e d e s m u so b l i q u u s 和c h l o r e l l ak e s s l e r i 具有较好的c 0 2 耐受力。b r o w n t 2 4 1 与s u n g t 2 5 】 等分别培养出m o n o r a p m d i u mm i n u t u m 与c h l o r e l l a k r 1 ，结果表明，它们都能在高浓 度c 0 2 下快速生长，并且对n o 。和s 0 2 有较好的耐受性。国内学者徐敏等【9 1 已在这一领 域有深入的研究。 某些研究者使用物理或化学诱变等方法对已有藻种进行诱变育种，增强藻种对各种 极端环境因素的适应性，最终达到提高其对c 0 2 的耐受能力和固定效率的目的。一些国 外学者 2 7 】及宋立荣等 2 6 】利用甲基磺酸乙酯( e m s ) 对聚球藻进行化学诱变，并获得了耐 受较高c 0 2 浓度的突变菌株。陈明明等【2 8 】利用诱变育种技术，获得可高效固定c 0 2 的 斜生栅藻突变株w u s t 0 4 ，并在5l 的光生物反应器培养，结果表明，微藻的c 0 2 固 定效率提高了1 7 5 ，固定c 0 2 速率最大可达1 8 4 6g ( l d ) 。 1 3 3 微藻光合生长相关影响因素的研究 影响微藻生长的环境因素主要有光、温度、p h 、盐度、营养物质、培养系统、溶解 氧和有毒物质( 如重金属或合成的有机物等) 等1 2 9 】。为获得微藻固碳最佳条件，越来越 多学者通过改变微藻的外部生长条件提高微藻固碳效率和高附加值产物的产率。 1 3 3 1 光对微藻固碳的影响 光是光合微生物最基本的能源，微藻培养常使用太阳光和人工光，人工光主要是在 光生物反应器内放置发光装置( 如l e d 、光纤维等) 。研究表明，不是所有波段的光都 能对微藻光合作用做出贡献。通常认为波长在4 0 0 7 0 0n m 范围内的光才是有效的 ，o 】。 s c h m i d 等【3 1 】发现许多褐藻具有一种特别的蓝光效应，即在蓝光下褐藻具有更大的无机 碳利用能力，并且在蓝光下( 比在红光下) 褐藻显示出更高的p h 补偿点。在光是唯一 限制因素的条件下，当光强小于光饱和点时，微藻生长率与光转化率呈正相关，但过大 会产生光抑制现象【3 2 】。一般来说，微藻在4 0 0 0 肛m o l ( m e s ) ( 中等纬度点夏季中午太 阳光通量的两倍【3 3 】) 的光强下具有较好的生长速率，但小球藻和栅藻的饱和光强却能达 到2 0 0m m o l ( m 2 s ) 1 3 4 1 。 1 3 3 2 温度对微藻固碳的影响 温度是影响微藻细胞形态和生理反应的主要环境因素之一，高温会加速微藻的代谢 广西大掌硕士掌位论文微藻固定二摹| 七碳的实验研究 速度，低温会抑制微藻生长【3 5 1 。一般地，不同种微藻的最佳生长温度是不同的，大部分 微藻的最佳生长温度是1 5 - 2 6 。当白天温度较高或晚上温度较低( 低至5 ) 时，会 发现微藻光合速率明显减慢 3 6 1 。m o r a i s 等【3 7 】对螺旋藻s p i r u l i n as p 和斜生栅藻 s c e n e d e s m u s o b l i q u u s 的固碳能力进行研究。结果表明，当培养温度控制在3 0 时，螺 旋藻最大生产速率和最大产率分别可达0 4 4g - l q 和0 2 2g - l ，斜生栅藻为0 2 2g - l 。和 0 1 4g l - ! 。m u r a k a m i 等【1 0 】在不同温度( 2 5 3 0 ) 条件下，对b o t r y o c o c c u sb r a u n i i 进行 了研究。结果表明，其固定c 0 2 的速率大于1 0g ( l d ) ，产生的生物质为1 1 ( l 。d ) 。 高春燕等 3 8 】考察了小球藻在温度为1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 的条件下对c 0 2 的去除效果，结果表明，将温度控制在2 5 3 0 范围内有利于小球藻去除c 0 2 。 1 3 3 3p h 对微藻固碳的影响 大多数微藻在中性环境中生长，某些微藻却能在较高p h ( 如螺旋藻s p i r u i n o p l a t e n s i s 可在p h - - 9 的条件下生长1 3 9 ) 或较低p h ( 如绿球藻c h l a r o c o c c u ml i t t a r a l e n - 叮在p h = 4 的条件 下生长1 4 0 ) 的环境中生长。微藻固碳实验时，通入的c 0 2 会降低藻液p h ，若微藻不能适 应这种酸性环境，生长会受抑制甚至出现死亡。y o o n 等【4 l 】研究了多变鱼腥藻( a n a b a e n a v a r i a b i i s ) 在不同c 0 2 浓度下的生长情况。结果表明，当c 0 2 的浓度大于2 5 时，会引起 培养基p h 降低，导致微藻细胞的生长受到抑制。此外，l a c e r d a 等【4 2 1 发现，微藻的光合 生长过程中碳酸酐酶( c a r b o n i ca n h y d r a s e ，简称c a ) 起催化作用，并会产生o h 一，产生 的o h 一被输送到细胞外。而s c o p a r o 等【4 3 】发现此时外部环境的h 十会被吸收到类囊体膜内 部，使培养基的p h 升高，有时高达1 0 11 1 删，若不加控制，可抑制微藻生长或致使微藻 失活。 i 3 3 4c 0 2 浓度对微藻固碳的影响 微藻以溶于水中的无机碳( 如c 0 2 、h 2 c 0 3 、h c 0 3 及c 0 3 2 。等) 为碳源，但不是每 种形态的无机碳都能被微藻固定和转化。h 2 c 0 3 和c 0 3 2 呗4 无法被利用，h c 0 3 的利用与 藻种类别和外部环境有关，c 0 2 是微藻可利用的形态【4 4 l 。所以，微藻的生长往往会受c 0 2 的浓度影响，并与微藻的耐受限有关。对于耐受限较高的微藻，在高浓度c 0 2 环境中生 长较为旺盛。高春燕等【3 3 l 在c 0 2 通入速度为2 0 0m l m i n - 1 、光强为3 5 0 0l u x 、温度为2 0 时，研究了c o ：浓度对小球藻去除c o ：的影响。结果表明，小球藻对c 0 2 的去除率随着 c 0 2 浓度的增加，先急剧增加，然后变缓。一般来说，可用于固定c 0 2 的微藻，适宜其 生长的c 0 2 浓度约在1 0 2 0 。但有的微藻却能耐受更高浓度的c 0 2 ，如海滩绿球藻 ( c h l o r o c o c c u mh t t o r a ! e ) 能在c 0 2 浓度为4 0 的环境中得到更好的生长【4 5 1 。 广西大聋页士掌位论文微藻固定二氧化碳的实验研究 许多学者利用小球藻进行固定c o z 实验研究。y u n 掣1 2 】通过实验发现，逐步增j d c o z 浓度，小球藻的生长情况要好于持续在高浓度c 0 2 环境下。m i c h e l e 等 4 6 1 对c h l o r e l l a k e s s e r i , c h l o r e l l av u l g a r i s ，s c e n e d e s m u s o l i q u u s 及。贸p i r u l i n a s p 分别进行固定c 0 2 的实验 研究，结果显示，4 种藻都可用于固定高浓度c o ：。岳丽宏等【4 7 】从沈阳市南郊稻田中分离 培养出c h l o r e l l a s p z y 1 ，实验发现z y 1 在光照为5 5 0 0 0l u x ，c 0 2 浓度为1 0 的条件下 生长最快；而当c 0 2 浓度大于3 0 时，z y 1 对c 0 2 的固定速率有下降的趋势，能耐受c 0 2 的最高浓度为7 0 。 1 3 3 5 培养系统对微藻固碳的影响 微藻培养系统主要有两种：开放池塘和光生物反应器【。8 】。最常见的开放池塘的设计 是敞开式跑道池( 其性能见表1 3 【4 9 】) ，而大规模商业化应用的水沟池塘( 面积从0 1h m z 到0 5h m 2 不等) 常有两种：第一种是用混凝土衬砌成，第二种是用聚乙烯氯化物或耐用 性塑料衬砌成。而在光生物反应器中，最常用的是管状光生物反应器( 其性能见表1 3 ) ， 主要有水平管式反应器、垂直管式反应器、螺旋管式反应器【4 8 1 。相比于光生物反应器， 开放池塘培养微藻成本较低，但是光生物反应器具有其他优点，如：较大的表面体积比， 较少的污染物排放，较强的防污染能力，较高的生物质产率和c o z 固定速率等。 表1 3 敞开式跑道池和管状光生物反应器的对比 t a b l e1 - 3c o m p a r i s o nb e t w e e nr a c e w a yp o n d sa n dt u b u l a rp h o t o b i o r e a c t o rr e a c t o r 国内外学者都在努力研究高效光生物反应器。f e r r e i r i a 5 0 和程丽华等【5 l 】在光生物反 应器旁串接中空纤维膜组件，改善了气体传质效果，使鼓入藻液中的气泡更加细密均一， 同时，气泡在藻液中停留的时间从2s 增3 n 至u 2 0s ，微藻固定c o ：效率提高了5 倍。岳丽宏 6 微藻固定二氧化碳的实验研究 等【5 2 1 设计了3 种密闭式光生物反应器，其中，圆柱形螺旋盘管式光生物反应器固碳效率 最好。犹他州大学生物燃料中心设计出具有可选择系统的高效光生物反应器l s 。】，它不仅 能生产微藻生物质，还能用于去除硝酸盐、磷酸盐及其他废水污染物质，洗去有毒气体 和烟气中的c 0 2 ，且面积产量是其他反应器生产同种藻的3 倍。 高效光生物反应器的研制技术尚未成熟，仍处于探索阶段，存在较高的运行 成本和复杂的运行、维修条件导致较少的整体能源效益和成本效益等难题【3 5 】。 1 3 3 6 溶解氧、营养物质及其他“有毒物质”等的影响 1 ) 溶解氧 微藻的呼吸作用需吸收氧气。但过多的溶解氧( 3 5m g l 1 ) 会抑制微藻代谢过程【4 8 1 。 研究表明，在密闭光生物反应器中，当水中溶解氧达4 0 0 时，会限制微藻生长【5 4 1 。 2 ) 营养物质 当营养物质供应不足时，微藻生长会停滞甚至死亡。除了主要营养物质碳外，氮是 核酸和蛋白质的组成部分，并直接与微藻主要代谢过程相关。在部分氮被剥夺的情况下， 微藻以较低的速度生长。微藻生长常选择氨氮而不是硝酸盐作为氮源，但若使用缺少硝 酸盐的培养基培养微藻，则会对其生长不利，间断供应硝酸盐反而会提高微藻生长速率 【5 5 】。 磷是微藻生长所必须的第三种重要营养元素。对海洋微藻的培养而言，通常在培养 液中加入磷酸提高培养效率。此外，还可添加金属( 如m g ，c a ，m n ，c u 和m b 等) 和 维他命等微量物质。德国魏格纳极地与海洋研究所等机构的科学家发现，给海洋施“铁 肥”有助于微藻的生长，帮助其固定c 0 2 。 3 ) “有毒物质”的影响 c 0 2 、n o 。、s o 。、0 2 、重金属等超过一定浓度会毒害微藻。当使用固碳藻处理烟气 时，固碳藻在以c 0 2 为碳源的同时，也会利用烟气中n o ns o x 。m a e d a 等【1 1 】已测试了小 球藻对n o 。和s o x 的耐受能力，当n o 浓度低于3 0 0p p m 时，n o 会被培养基吸收，变成 n 0 2 - ，并能被小球藻作为氮源进一步利用。当s 0 2 浓度高于4 0 0p p m 时，培养基p h 下降， 影响小球藻的生长，导致产率降低。相比于纯c o ：，利用电厂排放的烟气培养微藻成本 较低，尽管含有n o 。和s o 。，但其含量合适时，可以忽略它们的毒害作用。如澳大利亚 一水泥电厂利用烟气培养绿藻c h o r e l l ae m e r s o n i i , 3 0d 后，微藻生物质产量为2 0 0g l - l ， c 0 2 固定量为3 2 5g l 1 【5 6 】。 一般地，并不是控制某个影响因素就可以提高微藻的生长速度和固碳效率，往往要 7 广西大掌硕士掌位论文微藻固定二氧化碳的实验研究 控制多种影响因素才能实现。m u r r a y 等【5 7 】在开放塘中，以b g l1 培养基作为生长培养基， 控制温度为1 6 7 2 5 3 ，p h 为5 5 2 9 9 4 ，得到微藻的最大生长速度范围为0 1 5 0 3 7g l _ l ，倍增时间为4 8 1 9d 。1 w a s a k i 等 4 5 】对海滩绿球藻( c b l o r o c o c c u ml i t t o r a l e ) 进行固 碳实验，温度控制在3 0 ，通入浓度为4 0 的c 0 2 后，微藻固定c 0 2 速率最高可达1 0 0 0 g ( l d ) 。h u n t l e y 等【5 8 】在室外将砌矽张砌口饿r 醪如彤砌反滴业化大规模培养，控$ 0 c 0 2 浓度为1 6 3 4 ，生长温度为2 0 ，固定c 0 2 的速率达到o 1 4 3g ( l d ) ，产生的生 物质为0 0 7 6g ( l d ) 。在改变某些因素时，通常会引起其他因素的改变，如在生物反 应器系统中，增：b 1 1 c 0 2 浓度不仅能产生较高的生物质，还能降低培养液p h 值。p h 的降低 对微藻生长有不利影响，这个影响主要是由c 0 2 、h 2 c 0 3 、h c 0 3 。和c 0 3 2 。的潜在化学平 衡造成。同时，p h 的变化还会改变溶液中氨氮帮1 n h 4 + 的形态【3 9 1 ，影响微藻对氮的吸收。 因此，为这些交错影响的因素找到一个利于微藻生长的平衡点显得极为重要。 1 3 4 微藻固碳与其他领域的联系 1 3 4 1 微藻固碳与环境保护 许多学者己将废水处理和微藻固碳结合起来，例如，丛粒藻( b o t r y o c o c c u s b r a u n i l 3 被证明能去除光生物反应器系统中的n 和p 。y u n 等【1 2 】利用炼钢厂废水( 含氨7 3g m 一3 ) 和废气( 含1 5 的c 0 2 ) 来培养c h l o r e l l av u l g a r i s ，建立脱氨、固定c 0 2 与培养微藻相结 合的经济系统。在不调节p h 的情况下，c o z 固定速率和氨氮去除速率分别为2 6 0g ( m 3 h ) 和o 9 2 ( m 3 - h ) 。v o l t o l i n a 等【1 3 】在人工污水中培养斜生栅藻s c e n e d e s m u s o b l i q u u s , 在经过冬季和夏季为期3 天培养后，生物质分别达到了2 6m g l 。1 和4 3m g l ，相应c 0 2 的固定速率分别为1 6 0 7m g ( l d ) 和3 1 0m g ( l - d ) 。冬季氮的最终溶解浓度为初始 的5 3 ，夏季为2 1 ，磷的去除仅存在于第一天，在冬季共减少4 5 ，而在夏季共减少 7 3 。此外，m a e d a 等1 1 1 】已证实了小球藻可在n o 浓度低于3 0 0p p m ，8 0 2 浓度低于4 0 0p p m 的环境中生存；b r o w n 2 4 】与s u n g 2 5 】等分别培养出m o n o r a p h i d i u mm i n u t u m 与c h l o r e l l a k r l 对n o x 和s 0 2 有较好的耐受性，说明微藻具有去除大气污染物s o 。和n o 。的潜力。 废水处理和微藻固碳的结合节约了化学药品，并提供了一个在不用新鲜水的情况 下，从废水中去除金属、n 和p 及生产微藻生物质的新方法，此方法已被证实能用于生物 燃料的生产【5 9 】。部分国家已将含c 0 2 ( 浓度范围为5 1 5 ) 的烟气直接引到池塘和各 种用于多种藻混养的生物反应器中。如夏威夷的蓝藻生物技术公司，直接利用小型能源 工厂排放的烟气大规模培养螺旋藻。此工艺节省了购置c 0 2 所需费用，c 0 2 回收利用率 约为7 5 ，每个月消耗6 7t 含c 0 2 废气，生产3 6t 螺旋藻藻粉【硎。 广西大曹页士掌位论文微藻固定二氧化碳的实验研究 1 3 4 2 微藻固碳与高附加值产品 微藻细胞中含有蛋白质、脂类、藻多糖、p 胡萝卜素、多种无机元素( 如c u ， f e ，s e ，m n