模拟烟气条件下野生混合微藻的培养

都基峻，曾 萍，石应杰，王 清，张 凡

中国环境科学研究院，北京 100012

模拟烟气条件下野生混合微藻的培养

都基峻，曾 萍，石应杰，王 清，张 凡

中国环境科学研究院，北京 100012

开发利用生物质能是解决能源紧张和一系列全球环境问题的有效途径之一.微藻是一种具有发展前途的新型生物质能原料，利用烟气培养微藻不仅为生物质能的开发提供了新的途径，而且能够直接削减烟气CO2的排放，对于减缓全球气候变化具有积极意义.以野生混合微藻为对象，利用模拟烟气在柱状光生物反应器内培养微藻，通过180 d的培养，考察光照条件和CO2对微藻生长的影响及光照条件对细胞粗脂肪含量的影响.结果表明：驯化后的混合微藻对CO2具有生理敏感性，烟气中的CO2可以明显提高其生长速率;全天光照可提高微藻生长速率，并有利于生长速率和微藻生物量的稳定;在微藻生物量和光合有效辐射日总量一定的条件下，全天24 h光照比12 h∶12 h更有利于细胞粗脂肪的积累.

混合微藻;烟气;CO2;光照;粗脂肪

随着全球气候变化的加剧，削减人为CO2排放量越来越受到全世界的关注，开发利用可再生能源生物质能、太阳能、风能和水能等)是解决这一全球性环境问题的有效途径［1］.目前生物质能是最主要的可再生能源，在德国生物质能已占到可再生能源的一半以上［2］.但现阶段所使用的生物质能通常以陆生植物为原料，如大豆、玉米和油桐等，由于该类原料存在价格高、生产周期长、运输储存困难、与粮食饲料作物争地等缺点，不利于生物质能的大规模开发，因此生物质能的发展还需要寻找新型原料.

微藻是一类分布极广的低等自养生物，对环境条件要求不高，适应能力强［3］，具有细胞增殖快、光能利用率高、生物产量高及不受土地条件限制等优点［4］，并且许多微藻能够耐受高浓度的CO2，因此微藻不仅是一种具有发展前途的生物质能原料，而且还能在削减固定源 CO2排放［5-6］和废水处理方面［7-8］发挥作用.

自20世纪70年代起，发达国家就开始重视和资助有关微藻生物固碳技术的研究［9-10］.GORDANA等［11-12］研究认为，气升式光反应器适宜培养微藻;DOUSKOVA等［13-14］采用纯培养绿藻吸收 CO2;HSUEH等［15］采用纯化的温泉微藻吸收 CO2;DOUCHA等［16］开展了烟气培养微藻的中试研究和技术经济比较.国内岳丽宏等［17］在烟气培养微藻方面开展了探索性研究.

虽然微藻固碳技术逐渐受到人们的关注，但是国内外的相关研究报道还较少，技术也并不成熟.目前已开展的研究均采用纯培养的单一微藻，但根据已有的工业化试验结果，实验室培育出的纯培养单一藻种在大规模培养后往往竞争不过野生藻种［9］，这直接影响了该技术的工业化应用，因此有必要从竞争力强的野生微藻中筛选、驯化出适宜的混合藻种，并针对其开展微藻固碳技术研究.笔者以野生混合微藻为对象，利用模拟烟气在气升式柱状光生物反应器内培养微藻，通过180 d的培养，初步考察光照条件和CO2对微藻生长的影响及光照条件对细胞粗脂肪含量的影响，为进一步研究微藻处理烟气中CO2的工艺提供基础.

1 材料与方法

1.1 藻种

微藻取自江苏省太湖和北京北海，藻种混合后先用约10%(体积分数)的CO2驯化约15 d，而后装入反应器.经镜检，驯化后的混合微藻中优势种主要为适应氮丰富环境的斜生栅藻［18］和小球藻.

1.2 反应器

采用2套(1#和2#)相同的柱状光生物反应器，材质为普通有机玻璃，高1 000 mm，内径70 mm.反应器自底部起每隔200 mm设置藻液排出口，并用球阀来控制藻液排出与否.空气和CO2气体混合后由曝气头鼓入藻液.日光灯开启时间由定时器控制.反应器和培养系统如图1所示.

图1 微藻培养系统示意图Fig.1 The schema ofm icroalgae cultivation system

1.3 培养液

培养液 A：2 g/L NH4Cl，0.2 g/L CaCl2·2H2O，0.23 g/L KH2PO4，0.2 g/L NaHCO3，0.25 g/L MgSO4·7H2O.

培养液 B：4 g/L NH4Cl，0.4 g/L CaCl2·2H2O，0.45 g/L KH2PO4，0.4 g/L NaHCO3，0.5 g/L MgSO4·7H2O，微藻培养液用水均为煮沸后冷却的自来水.

1.4 温度和pH

使用电加热棒加热藻液，使藻液温度维持在25～35℃.培养条件下藻液 pH始终保持在 6.5左右.

1.5 曝气条件

培养期间完全曝气，曝气量控制在400～600 m L/min.

1.6 光照条件

试验用光源为36 W日光灯管2组，每组4根，竖直分布于反应器四周.光照条件1：用1组灯管，全天24 h光照，其光合有效光量子密度见表1.光照条件2：用2组灯管，每天光照12 h后再黑暗12 h，即光暗周期为12 h∶12 h，其光合有效光量子密度见表1.

表1 不同光照条件下的光合有效光量子密度Table 1 Photon flux density in different illum ination μmol/(m2·s)

1.7 测量方法

1.7.1 ρ(微藻)

采用质量法：取慢速定量滤纸在105℃下烘干1 h称质量(m1).取70 m L混合微藻液以2 800 r/m in离心5 m in，除去大部分上清液，剩余清液和微藻摇匀，再用慢速滤纸进行过滤，滤渣连同滤纸在105℃下烘干1.5 h后称质量(m2).m2与m1差值即为每70 m L中所含微藻质量(以干质量计)，除以藻液体积后得到混合液的ρ(微藻).测2组平行样，结果取平均值.

1.7.2 微藻细胞密度

采用血球计数板法对样品中所有微藻进行计数.具体操作：取少量培养的藻液根据大致生长量稀释混匀后制片，按血球计数板计数法计4个角和中间5个中格的微藻细胞数量.

细胞密度(m L-1)=(细胞总数/80)×400×1 000×稀释倍数

1.7.3 φ(CO2)

使用GXH-3010E1红外线 CO2分析仪(北京市华云分析仪器研究所生产)，仪器测量范围为0～20%.由于待测气体湿度较高，因此在进入仪器前，先通过置于冰水混合物中的冷凝干燥管，以除去部分水分，防止水分凝结在仪器的光路内影响分析结果.

1.7.4 光照强度

使用TBQ-5光合有效辐射传感器(锦州阳光科技发展有限公司生产)和QTC-4全天候光辐数据自记仪(锦州阳光科技发展有限公司生产)分别对反应器上、中、下部的前、后、左、右方进行测量，取平均值.

1.7.5 w(粗脂肪)

采用索氏提取法测量混合微藻的 w(粗脂肪)，所用有机溶剂为30～60℃的石油醚.

2 结果

2.1 CO2对微藻生长的影响

图2，3分别为不同φ(CO2)下ρ(微藻)和微藻细胞密度随培养时间的变化曲线，1#和2#反应器均采用微藻培养液 B，但是1#反应器通入空气，2#通入φ(CO2)为 10% 的 CO2.由图 2，3可知，在 10%CO2下的ρ(微藻)、微藻细胞密度及二者的增长速率都显著高于空气，说明CO2明显促进了微藻的增长.由图2估算可知，通入CO2条件下的微藻平均生长速率约为121.1 mg/(L·d)，而通入空气下的平均生长速率只有30.8 mg/(L·d)，表明通入10% 的CO2可将微藻的生长速率提高3倍.

2.2 光照条件对微藻生长的影响

图4为不同光照条件下1#和2#反应器内ρ(微藻)的变化曲线.表2为2个反应器内微藻在不同光照条件下的比生长速率，其中1#反应器采用培养液A，2#反应器采用培养液B.由表1可知，2种条件下的光合有效辐射日总量基本持平.

图2 不同 φ(CO 2)下 ρ(微藻)的变化Fig.2 Profiles ofmicroalgae mass concentration at different CO2 concentrations

图3 不同φ(CO 2)下微藻细胞密度的变化Fig.3 Profiles ofmicroalgae cell density at different CO2 concentrations

图4 不同光照条件下ρ(微藻)的变化Fig.4 M icroalgae mass concentrations in different illumination

从图4可以看出，光照条件改变前后，1#和2#反应器内ρ(微藻)基本持平，但在采用光暗交替的光照条件下，ρ(微藻)波动明显增大.从图5可以看出，光暗交替条件使得1#和2#反应器内微藻比生长速率都发生了明显下降，其中2#反应器在光照条件1下生长速率为0.21 d-1，而在光照条件2下降为0.12 d-1，1#反应器也由 0.20 d-1降为 0.11 d-1;而且从微藻比生长速率的变化趋势来看，光暗交替条件下比生长速率的波动较连续光照条件下更大.因此在光辐射总量不变的情况下，全天光照更有利于培养液微藻生物量和生长速率稳定在较高水平上.

表2 2种光照条件下微藻比生长速率Table 2 Microalgae specific growthrate in different illumination

图5 不同光照条件下微藻比生长速率变化Fig.5 Microalgae specific growthrate in different illumination

2.3 光照条件对w(粗脂肪)的影响

表3对比了不同光照条件下微藻细胞w(粗脂肪)，其中1#反应器采用培养液A，2#反应器采用培养液B.从表3可以看出，在全天光照条件下w(粗脂肪)略高于光暗交替条件，说明全天光照情况下可能更有利于微藻细胞积累脂肪.

表3 微藻细胞中w(粗脂肪)Table 3 Crude fat ofmicroalgae

3 讨论

3.1 CO2的影响

通常烟气中φ(CO2)在10%左右，远高于环境中的φ(CO2)(0.03%)，因此 CO2对微藻生长的影响是首要考虑的问题.根据已有的研究，微藻Scenedesmus dimorphus在φ(CO2)为 33.3%时，生长速率达到最大值［17］，而微藻 Chlorella vulgaris最佳生长的φ(CO2)为 5%［19］，并且在φ(CO2)小于 15%的情况下生长良好.需要指出的是，该研究中的藻种在φ(CO2)为10%的条件下生长速率约为空气条件下的4倍，远大于上述研究的生长速率增幅(在最佳生长条件下，生长速率为空气条件下的1.2～1.3倍).可能的原因如下：①藻种事先已经在φ(CO2)为10%的条件下进行了驯化;②混合藻种具有更强的适应能力.

此外有研究发现，已适应高φ(CO2)环境的小球藻，在不通入CO2后，生长速率明显降低［20］，这从侧面上也印证了试验结果.因此可以认为，驯化条件对微藻碳源需求量的影响十分重要，即使在培养初期ρ(微藻)不高的情况下，碳源不足仍会在很大程度上限制已驯化藻种的生长，这可能是因为驯化后的微藻对相应φ(CO2)具有生理敏感性，低于该φ(CO2)气体或被感知为碳缺乏，不利于其生长速率的提高.

3.2 光照条件的影响

在光照条件对微藻生长的影响方面，MOHEIMANI等［21］的研究发现，高强度光照下易获得高光合效率;而MIRÓN等［22］研究认为，当培养到达指数生长期后，光照受限，细胞为黑暗期作准备会尽可能多地储存能量物质(如碳水化合物和脂肪等)，所以低光照对于提高微藻细胞的粗脂肪含量有利.因此，在光照强度的选择上很难同时满足生长速率和脂肪积累的要求.

该研究的结果表明，在微藻生物量和光辐射总量一定的情况下，全天24 h光照比12 h∶12 h更有利于微藻细胞粗脂肪的积累.这可能是由于光暗交替条件下，虽然光照强度较高，但由于高光照强度下生物量也较多，光线不易透过，一定程度上削弱了有效的光照强度，而且在黑暗周期内微藻细胞还可能消耗掉已合成的粗脂肪;反之，低光照强度下的尽管光强不高，但光照时间更长，光合作用的时间也长，粗脂肪含量反而更高.因此，研究结果表明，在微藻生物量一定的情况下，减少黑暗时间更有利于为细胞粗脂肪的积累.

4 结论

a.在微藻培养初期补充CO2可以明显缩短微藻的适应期，提高其生长速率，特别对于已用一定φ(CO2)驯化的微藻，效果更明显.

b.全天光照能够提高微藻生长速率，并有利于生长速率和微藻生物量的稳定.

c.在微藻生物量和光辐射总量一定的情况下，全天24 h光照比12 h∶12 h更有利于细胞中粗脂肪的积累.

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Cultivation ofW ild M ixed M icroalgae by Synthetic Flue Gas

DU Ji-jun，ZENG Ping，SHIYing-jie，WANG Qing，ZHANG Fan
hinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Developing bioenergy is one of the availableways to alleviate the energy crisis and mitigate global climate change.Microalgaere a new form of bioenergy and have a great future.Cultivation ofmicroalgae by synthetic flue gas provides a new strategy to develop ioenergy and directly decreases CO2em ission in the flue gas，which has significant impact on climate change.This paper studied the ultivation of wild mixed microalgae using synthetic flue gas in a column photo reactor.The effects of carbon dioxide concentration，onditions of illumination on the grow th ofmicroalgae as well as the crude fat content in microalgae were investigated during 180 days'ultivation.Theresults showed that the acclimated mixed m icroalgae were sensitive to CO2.Themicroalgae growthrate could be greatly nhanced by feeding with CO2compared with the ones fed with air.Continuous illumination for 24 h was beneficial form icroalgae growth nd stability of growthrate.Under the conditions of samemicroalgae biomass and daily photosynthetic activeradiation，the accumulation f crude fatwould benefit from decreased radiation intensity and increased illumination time.

mixed m icroalgae;flue gas;carbon dioxide;illumination;crude fat

X51

A

1001-6929(2010)03-0366-05

2009-07-31

2009-11-17

中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2007KYYW 38)

都基峻(1974-)，男，辽宁锦州人，副研究员，博士，主要从事大气污染控制研究，dujijun2007@163.com.

(责任编辑：孙彩萍)