钝顶螺旋藻固定二氧化碳效率的研究

王 霞，张 涛，童 丹

（湖北工业大学轻工学部资源与环境工程学院，湖北 武汉430068）

CO2是引起全球变暖的主要温室气体［1］，而微藻固碳是目前最有效、环保的固碳方法［2］。用于CO2减排的微藻种类很多，如葡萄藻、小球藻、栅藻、衣藻、螺旋藻等［3］。而钝顶螺旋藻可生产蛋白质、维生素、不饱和脂肪酸、色素、多糖等高附加值产品，且繁殖速度快，户外大规模生产技术已经非常成熟，微藻吸收CO2一般为200～600mg/（L·d），而小球藻可达800～1 000mg/（L·d）［3］。本文通过试验了解钝顶螺旋藻生命规律，探索其生长及固碳最优生长条件，在吸收高浓度CO2下，同时得到生长速率较高的螺旋藻，为其运用于净化燃煤工业废气中高浓度CO2碳提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 藻种

钝顶螺旋藻（Spirulina platensis），来源于湖北工业大学轻工学部微藻实验室。

1.2 微藻培养

用自来水配制Zarrouk培养基［4］，户外自然条件下（湖北工业大学轻工学部楼顶）培养螺旋藻至对数期接种进行实验。本研究采用自制光反应器，6个圆底透明玻璃瓶（10L，直径22cm）串联，形成相对密闭装置。利用通气泵鼓气将空气注入各反应器底部，使空气充分与藻液接触。

图1 光生物反应器

1.3 室外温度、光照、通气流量的测定

用温度计每天定时测量反应器内外温度，全天光照强度使用自动在线光照检测仪每5min自动测定1次，用流量计测量通气流量。

1.4 生长参数及pH、NaHCO3含量的测定

收集适量藻液，用560nm紫外分光光度计测量藻细胞光密度（OD），用膜法测量细胞干重［5］，甲醇法测量细胞叶绿素a含量［6］。培养过程中，用德国默克pH试纸测量各反应器藻液pH。用双指示剂中和法［7］测量 NaHCO3浓度。

1.5 二氧化碳浓度的测定及固碳质量的计算

每天定时收集每个（0＃～5＃）反应器出气口的气体并测定气体流量，用GC/MSD测量气体样品中CO2含量。

所测得的CO2质量分数按如下公式转换为CO2质量式中:mO2为CO2质量，g；w 为CO2的质量分数，10－6；v为空气泵通气速率，L/h；Q为每天通气时间，h；M 为CO2的摩尔质量，g/mol；T 为培养天数，d。

1.6 GC/MS分析

采用安捷伦7890A/5975C气相色谱－质谱联用仪，色谱柱为GS-GasPro（30m×0.323mm，专有键合硅胶）；载气 He，纯度大于99.999%，恒流2.1 mL/min；柱箱初始温度为26℃，保持5min，以5℃/min上升到80℃，保持2min，再以4℃/min上升到220℃；进样口压力19 443.9Pa，分流比为50∶1，进样体积为500μL。质谱条件:电离方式为EI，70eV；传输线温度280℃；离子源温度为230℃，四级杆温度为150℃。利用不同质量分数CO2气体所做标准曲线计算样品中CO2含量。

2 结果

2.1 户外条件下钝顶螺旋藻生长情况

根据每天定时取样测量的螺旋藻生长参数数据显示，1＃～5＃反应器中藻的生长参数（OD、干重、叶绿素α）数值，随着培养时间的加长均逐渐增加，但相互之间无明显差别（图2a、b、c）。在培养过程中，浊度从0.37升至3.93，干重从0.16g/L升至1.88g/L，叶绿素α的含量由2.73mg/L升至21.00mg/L。图2c表明在培养过程的前7天，各反应器中藻液pH均缓慢升高至10.5；第7天后各瓶藻液pH高达12.5，其中5＃反应器上升速率较为明显。

图2 螺旋藻OD、干重、叶绿素a、pH随时间变化

螺旋藻是光合自养生物，即白天吸收CO2进行光合作用生长繁殖。根据本研究自制光的反应装置设计，1＃～5＃反应器中唯一单因素变量为进入各个培养瓶藻液CO2含量的不同（由于1＃～5＃反应器串联连接，空气从1＃进气口进入该反应器，其藻液吸收空气中一部分CO2。该气体从1＃出气口进入2＃进气口；依次类推各反应器藻液对空气中CO2均有不同程度的吸收，导致进入各培养瓶藻液CO2含量不同）。然而螺旋藻的碳源不仅是空气中的CO2，还有Zarrouk培养基中的NaHCO3，后者含量高达16.8g/L远远高于空气中 CO2（约0.4%）。螺旋藻对空气中CO2利用，所占碳的利用量比例小得多，同时此阶段培养基中pH低于10（图2d）［7］，导致各瓶生长无明显差别。

钝顶螺旋藻进入生长对数期后，其藻液pH随生长而缓慢增加。在第5天后，各反应器中培养基不再释放CO2，由于通入各反应器（1＃～5＃）的CO2逐渐减少，可能使CO2在降低pH的能力方面逐渐降低，导致5＃～1＃pH依次逐渐升高。

2.2 螺旋藻吸收CO2变化

在试验过程中，每天定时测量各培养瓶出气口CO2体积分数。由图3可见，在培养过程的前4天，各培养瓶出气口CO2的量远远高于空气中的CO2的量，最大相差14倍。第4天开始，各瓶螺旋藻开始吸收CO2。整个实验装置中藻液几乎能完全固定空气中的CO2。经计算，每个反应器藻液固定空气中40%的CO2。同时接种前期，户外晴天（温度约35℃，光照强度约800μmol/（m2·s）从培养基释放CO2的时间将缩短。

图3 各反应器进出口二氧化碳含量变化

试验中前4天出气口CO2浓度高，是因为瓶内培养基部分NaHCO3转化为CO2并释放出来。Zarrouk培养基pH仅为9，在低pH时HCO3－＝CO2＋ OH－的平衡向右移动（占优势）［14］，同时培养前4天螺旋藻正处于适应期，光合作用利用CO2的效率有所降低，藻液水温较高，CO2溶解度大大减小，导致CO2大量释放。从试验结果可知，大量NaHCO3转化为CO2被浪费，大规模培养将适当减少接种培养基的NaHCO3用量，从而降低成本。

2.3 培养基中碳酸氢钠使用量与剩余量关系

螺旋藻培养基Zarrouk［4］中，NaHCO3质量体积为16.8g/L。图4柱状图中条纹部分为第12d培养基剩余NaHCO3的含量，白色部分为试验中消耗NaHCO3的量。在户外培养12天后，经滴定法得出1＃～5＃培养瓶培养基中剩余NaHCO3约为9.76 g/L，其消耗量仅为接种时的一半。

图4 碳酸氢钠剩余量与使用量的关系

空气中CO2较燃煤产业废气中CO2浓度小得多。在CO2较低浓度时，一定量的钝顶螺旋藻可以完全吸收。

在武汉夏季重复试验中（特别是户外温度达到约40℃）发现，试验后期，5＃藻液pH逐渐升高，可达13，此时螺旋藻藻丝断裂，藻液颜色由蓝绿色依次渐变为棕绿色、棕色、橘黄色至藻细胞彻底死亡。这可能是由于温度过高藻细胞中起光合作用的酶活性受到抑制甚至失活，同时培养基中碳酸氢钠逐渐被消耗，降低了对藻液pH的调节作用，而通入的气体中较少CO2（约0.05%），对pH的调节几乎可以忽略。在户外温度较高（约40℃）的条件下，这种现象会依次在5＃、4＃、3＃培养瓶中发生。

2.4 螺旋藻固定CO2与生物量增长关系

图5中黑色条纹柱表示以螺旋藻开始吸收CO2为起始点，收获时为终点的各瓶螺旋藻平均生物增长量。白色柱表示依然是螺旋藻开始吸收CO2为起始点，收获时为终点螺旋藻平均固定CO2的量。在整个装置中1＃～5＃藻液增长量的总和即“Total”表示。在试验过程中，整个光生物反应器平均干重增长量可达0.14g/（L·d）。其中1＃～5＃瓶内平均生物增长量基本一致，而固定CO2的量逐渐降低，5＃几乎没有固定CO2。整个装置中1＃～5＃藻液固定空气中CO2的总碳量为89mg/（L·d），即固定CO2量为326mg/（L·d）。螺旋藻平均生物增长量是固定气体碳的量约为7.62倍。

图5 螺旋藻固定二氧化碳与生物量增长量之间关系

在螺旋藻生长过程中，各反应器中藻细胞生长几乎没有差别。1＃～5＃瓶内平均生物增长量基本一致。通气气体经过1＃～4＃培养瓶藻液，CO2依次被吸收，进入5＃反应器之前，气体中的CO2已经吸收完毕，则其藻液没有吸收到CO2气体，导致5＃瓶藻液对空气中CO2无固定。生物量增长量远远大于固体气体碳量，主要是由于螺旋藻的主要碳源依然是培养基中NaHCO3。

3 结束语

利用营养丰富、蛋白质含量高的钝顶螺旋藻，研究在密闭条件下CO2固定效率。由于培养基中高浓度的NaHCO3及pH低于10，试验前期（第0～4天，夏季晴天时时间较短），有大量的CO2从培养基中溢出，之后藻液开始固定空气中CO2。整个试验装置可以将空气中CO2全部吸收固定，单一反应器藻液固定CO2效率为40%。实验结果表明，在合适的光生物反应器中钝顶螺旋藻固定CO2效率较高。培养过程中大量NaHCO3转化为CO2溢出被浪费，适当减少NaHCO3用量，可降低成本，但导致培养基pH缓冲能力降低，可能影响螺旋藻的生长。该研究得出该自制光生物反应器固定CO2为326mg/（L·d），与报道的量200～600mg/（L·d）［5］相符。但本实验户外培养比报道研究室内培养更具有实际意义。利用微藻处理工业废气、废水，可释放大量氧气，改善空气质量，缓解全球温室效应，获得高附加值产品，在能源行业、环境保护、循环经济方面都具有重大的意义。在后续研究中，将加大CO2通入浓度，进一步观察在高浓度下钝顶螺旋藻生长情况及固碳效率。

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