（環(huán)境工程專業(yè)論文）混合微藻固定無機碳的影響因素及效果研究.pdf

混合微藻固定無機碳的影響因素及效果研究 i 互i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 嗣i i i i i i i 高i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 摘要 全球氣候變化是人類在2 1 世紀面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一，碳減排已成為世界各國環(huán)境 工作者的研究熱點。微藻固碳技術是一項新型的碳減排技術，既能固定氣體中的c 0 2 ， 又能吸收利用水中的無機碳( h c 0 3 ) ，減少環(huán)境中的碳排放。本文從自然水體中富集培 養(yǎng)出環(huán)境適應性強的混合微藻，考查了微藻固定氣體中c 0 2 和水中h c 0 3 的影響因素及 固定能力，并構建了微藻固定水中h c 0 3 - 的光生物反應系統(tǒng)，確定了微藻光生物反應器 固定水中h c 0 3 的連續(xù)運行效果。本文研究結果對微藻固碳技術的實際應用有借鑒價值。 本文從自然水體中取得了藻種并進行了微藻的富集培養(yǎng)實驗，發(fā)現湖底石塊附著物 中的微藻含量最大、活性最高，而水生6 號培養(yǎng)基為最適宜的混合微藻培養(yǎng)基。在獲得 了充足的藻液之后，本文于夏季室內環(huán)境下進行了微藻固定氣體c 0 2 影響因素實驗，結 果表明，在夏季2 5 3 0 的室溫下，微藻固定c 0 2 最佳操作條件為光照強度1 5 0 0 0l u x 、 進氣c 0 2 濃度1 0 、初始藻液p h9 0 、藻液濃度1 1 0 0m g l 。經計算，在最佳操作條件 下微藻對氣體c 0 2 的固定能力為0 0 8 ( l h ) ，微藻對c 0 2 的固定與自身增長之間的關 系為：每固定1 0gc 0 2 微藻可以增長0 2 2g ，或微藻每增長1 0g 可以固定4 5 2g 的c 0 2 。 本文構建了恒溫光照微藻培養(yǎng)箱搖床實驗系統(tǒng)，在此裝置中進行了微藻固定水中 h c 0 3 影響因素實驗。結果表明，微藻固定水中h c 0 3 的最佳操作條件為：溫度3 0 。c 、 光暗比1 2 ：1 2 、光照間隔1 2h 、光照強度6 8 0 0l u x 、h c 0 3 。初始濃度1 2 0 0m g l - 1 6 0 0m g l 、 藻液濃度11 0 0m g l 、n 濃度6 0 0 m g l 、p 濃度6 0m g l 。 在確定了微藻固定水中h c 0 3 最佳操作條件后，本文構建了微藻固定水中h c o f 的 光生物反應器連續(xù)運行系統(tǒng)，并對其連續(xù)運行固碳效果進行了考查。運行結果表明，該 系統(tǒng)連續(xù)運行時對水中h c 0 3 的去除率可以保持在6 0 左右，對水中的n h 4 + - n 也有較 好的去除效果，去除率達到i 廠8 0 以上，然而系統(tǒng)出水c o d 會有所升高，但對水質影 響并不大。經計算，微藻對水中h c 0 3 的固定能力為0 0 1 5g ( l h ) ，固定水中h c 0 3 。與 自身增長關系為：每固定1 0gh c 0 3 。微藻可增長o 4 1g ，或微藻每增長1 0g ，可固定水 中h c 0 3 。2 4 2g o 關鍵詞：微藻；c 0 2 ；h c 0 3 ；影響因素；光生物反應器 哈爾濱工程大學碩士生學位論文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 混合微藻固定無機碳的影響因素及效果研究 a bs t r a c t g 1 0 b a lw a n l l i n gi so n eo ft h em o s ts e v e r ec h a l l e n g e st om a n k i n di nt h e2 1s tc e n t u r y , a n d c a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o nh a sb e c o m e ar e s e a r c hf o c u s t oe n v i r o n m e n t a lr e s e a r c n e r s m i c r o a l g a ec a r b o ns e q u e s t r a t i o ni san e w l yd e v e l o p e dc a r b o nf i x a t i o nt e c h n o l o g y w h i c hc a n f i xg a s e o u sc 0 2a sw e l la sh c 0 3 i nw a t e r , t h u sc a r b o ne m i s s i o n r e d u c t i o nc a nb ea c h i e v e db y t h i st e c h n 0 1 0 9 y i nt h i sp a p e r , f r e s h w a t e rm i x e dm i c r o a l g a ew h i c hi s e a s yt oc u l t i v a t ea n d a d a p t a b l et oe n v i r o n l n e n tw a s c o l l e c t e da n dc u l t i v a t e dt of i xb o t hg a s e o u sc 0 2a n dh c 0 3 。i n w a r e r a f f e c t i n gf a c t o r so fm i c r o a l g a ec a r b o nf i x a t i o nw e r ea n a l y z e d ，f i x i n gc a p a c i t l e sw e r e c a l c u l a t e d ，a n dam i c r o a l g a ep h o t o b i o r e a c t o rw a sb u i l ta n d r u nc o n t i n u o u s l yt oe x a m l n et h e h c 0 1 。c o n t i i m o u sf i x a t i o ne f f e c t ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f m i c r o a l g a eh c 0 3 f i x a t i o nt e c h n o l o g y m i c r o a l g a ee n r i c h m e n tc u l t u r ee x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e df i r s t l y e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ea c t i v i t yo ft h em i c r o a l g a es e p a r a t e df r o mt h el a k er o c ka t t a c h m e n t sw a s t h e h i 吐e s to fs e v e r a ls a m p l e s ，a n dt h ea q u a t i cv ic u l t u r em e d i u m w a st h em o s te f f e c t i v ec u l t u r e m e d i u r nf o r 矗e s h w a t e rm i x e dm i c r o a l g a ec u l t i v a t i o n c 0 2m i c r o a l g a ef i x a t i o ne x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e du n d e rs u 瑚m e ：rr o o mt e m p e r a t u r e ( 2 5 c - 30 。c ) c o n d i t i o n ，a n dt h eo p t i m u m o p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e da s ：l i g h ti n t e n s i t y 15 0 0 0l u x ；i n l e tc 0 2c o n c e n t r a t i o n 10 ：i n i t i a lp h9 0 ；m i c r o a l g a ec o n c e n t r a t i o n110 0m g l u n d e ro p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h e c 0 2f i x a t i o nc a p a c i t yw a s0 0 8g ( l h ) ，a n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc 0 2f i x a t i o na n d m i c r o a l g a eg r o w t hw e r e ：f o rf i x a t i o no fe v e r y1 0gc 0 2 m i c r o a l g a ec a ng r o w0 2 2g ，o rf o r e v e r y1 0gg r o w t ho fm i c r o a l g a e4 5 2gc 0 2c a n b ef i x e d ac o n s r a n tl i g h ti n c u b a t o r - s h a k i n gt a b l ee x p e r i m e n ts y s t e mw a ss e tu p ，a n dt h ei m p a c t f a c t o re x d e r i m e n t so fm i c r o a l j g a ef i x i n gh c 0 3 。i nw a t e rw e r ec o n d u c t e di nt h es y s t e m t h e o p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e da s ：t e m p e r a t u r e3 0 。c ；l i g h t d a r k r a t i o1 2 ：1 2 ； l i g h ti n t e r v a l12h ；l i g h ti n t e n s i t y6 8 0 0l u x ；i n i t i a lh c 0 3 c o n c e n t r a t i o n 12 0 0m g l 16 0 0 m g l ：m i c r o a l g a ec o n c e n t r a t i o n11 0 0m g l ；nc o n c e n t r a t i o n6 0 0m g l ；pc o n c e n t r a t i o n6 0 m g l h c 0 3 c o n t i n u o u sf i x a t i c me x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e di nam i c r o a l g a ep h o t o b i o r e a c t o r e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a th c 0 3 r e m o v a lr a t er e a c h e da n ds t a b i l i z e d a ta r o u n d6 0 d u r i n gt h ec o n t i n u o u sr u n n i n g n h 4 + - nw a sa l s of o u n dc o u l db er e m o v e db ym i c r o a l g a e ，t h e r e m o v a lr a t er e a ：h e da b o v e8 0 d u r i n gt h e c o n t i n u o u sr u n n i n g e f f l u e n tc o dw a s1 o u l l d w o u l db e1 n c r e a s e da f t e rc a o b o nf i x a t i o nb ym i c r o a l g a e ，b u tt h ei n c r e a s ew a s n o tn o t a b l i ：a n d t h ew a t e rq u a l i t yw o u l dn o tb ea f f e c t e ds e r i o u s l y c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ehc 0 1 。 f i x a t i o n c a p a c i t yw a s0 015g ( l h ) ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n h c 0 3 f i x a t i o na n d 跏c r o a l g a eg r o w t hw e r e ：f o rf i x a t i o no fe v e r y1 0gh c 0 3 m i c r o a l g a ec a ng r o w 0 41g ，( i rf o r e v e r y1 0gg r o w t z ho f m i c r o a l g a e2 4 2gh c 0 3 。c a nb ef i x e d k e y w o r d s ：m i c r c l a l g a e ；c 0 2 ；h c 0 3 。；i m p a c tf a c t o r s ；p h o t o b i o r e a c t o r 課題來源 1 、城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室項目：北方濕地多介質環(huán)境中p a i l s 來源解析及污染歸趨( e s k 2 0 10 0 2 ) 2 、哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目：有機腈類工業(yè)污水一體式生 物處理技術與設備( 2 0 11r f x x s 0 7 6 ) 第1 章緒論 宣i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 萱i i i i i 毒i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第1 章緒論 1 1引言 全球氣候變化是人類在21 世紀所面臨的最嚴峻和深遠的挑戰(zhàn)之一。自18 世紀工業(yè) 革命以來，人類社會的發(fā)展過度地依賴煤炭、石油、天然氣等化石燃料的消耗，大量的 溫室氣體進入大氣，導致溫室效應( g r e e n h o u s ee f f e c t ) 不斷加劇。到目前為止，溫室效應 已經非常嚴重，我們身邊的種種跡象已經證明全球氣候正在經歷顯著的變化【l 】。各國研 究者認為，到本世紀末，全球平均氣溫將有可能升高1 5 4 5 c 2 , s 】，人類社會將會陷入 一片混亂。為了應對全球氣候變化，2 0 0 9 年1 2 月7 日至1 8 日，世界氣候大會在哥本哈 根隆重舉行，氣候變化問題已經成為全人類共同關注的首要議題之一，引起了世界各國 的廣泛重視。 c 0 2 是最重要的溫室氣體，如何減少c 0 2 的排放是緩和溫室效應的關鍵。此外，在 目前的廢水處理出水中往往含有較高濃度的h c 0 3 ，如果水中的無機碳大量進入自然界， 將有可能轉化為c 0 2 進入大氣，從而造成加劇溫室效應的風險【4 】。因此，如何固定無機 碳、減少碳排放成為各國環(huán)境工作者的研究重點。本文對一種新的無機碳固定技術 微藻固碳技術進行了研究，對混合微藻固定氣體c 0 2 以及水中h c 0 3 。的能力進行了考查。 微藻固碳技術不但能夠達到碳減排的目的，收獲的藻種還具有很高的利用價值【5 ，6 。因此， 微藻固碳技術的研究對于創(chuàng)建低碳型社會具有重要的意義。 1 2 c 0 2 固定與利用方法 在六種主要的溫室氣體中，c 0 2 在大氣中的含量最高，而且對全球升溫的貢獻權重 也最大，達到4 7 以上【7 1 。2 0 0 9 ：年1 1 月2 5 日國務院召開的常務會議決定，到2 0 2 0 年， 中國單位國內生產總值的c c ) 2 排放量要比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 。因此，碳減排工作將 是我國環(huán)保工作的重中之重。目前，c 0 2 的固定技術主要有：c 0 2 封存、c 0 2 礦物碳酸 化固定、利用c 0 2 合成有機產品、離子液體固定c 0 2 以及微藻固碳等。 1 2 1 c 0 2 封存 c 0 2 的封存技術是指將工業(yè)生產中所產生的c 0 2 進行收集，通過各種方式將收集的 c 0 2 儲存起來，以避免c 0 2 排入大氣造成溫室效應的加劇。c 0 2 的封存技術一般可分為 地質封存和海洋封存。地質封存即地下封存，其關鍵是要選擇符合封存要求的、具有適 當封閉條件的地質結構。目前地質封存主要有沉積盆地深部咸水層封存、油氣田封存以 及不可開采煤層封存三種【8 】。地質封存具有相當可觀的封存量，根據我國以上三種地質 哈爾濱工程大學碩士生學位論文 i i i i i i i i i i i i i i i 葡i i ；i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 結構的容積來計算，我國國土的c 0 2 地質封存總量可達1 4 5 1 0 1 2 t 左右9 1 。在這三種封 存方式中目前應用比較多的是油氣田封存，將c 0 2 注入油氣田用以驅油或驅氣，不盡實 現了c o ：z 的封存，同時還能提高石油或天然氣的采收率。海洋封存是指將工業(yè)生產產生 的c 0 2 輸送至深海海底進行封存。占地球面積7 2 的海洋雖然能夠提供相當可觀的c 0 2 封存量，但是海洋封存c 0 2 可能會對海洋環(huán)境造成負面影響，比如使海水酸化等。因此， c 0 2 的封存技術雖然具有很大的c 0 2 封存量，但同時也具有明顯的不足之處，如地質封 存的高難度高成本以及海洋封存對海洋生物的危害等。此外，c 0 2 的封存并沒有減少地 球上的c 0 2 總量，被封存的c 0 2 存在意外逸出的可能性。 1 2 2 c 0 2 礦物碳酸化固定 c 0 2 礦物碳酸化固定技術的設想是由s e i f r i t z 在1 9 9 0 年提出的，該技術是利用c 0 2 可以與c a 、m g 硅酸鹽礦石發(fā)生自發(fā)反應生成穩(wěn)定碳酸鹽的特性，模仿并強化c a 、m i ；硅 酸鹽礦物的風化過程【l0 1 。c 0 2 礦物碳酸化固定技術可以實現c 0 2 的永久固定，同時淚比 其他c 0 2 固定技術具有較小的環(huán)境風險。由于c 0 2 與鈣鎂硅酸鹽礦石的自發(fā)反應非常緩 慢，因此該技術的關鍵在于如何提高c 0 2 碳酸化的反應速率，縮短反應時間。通過：羞行 礦石預處理、加入添加劑、去除礦石表面生成的s i 0 2 表面層等方法，目前c 0 2 碳酸化 反應時間已經由幾十小時縮短到了幾小時【1 1 l 。近年來，國外開展了利用富含c a 、m g 元 素并且呈堿性的固體廢棄物作為原料進行c 0 2 碳酸化固定的研究，并取得了良好的效果 1 1 2 , 1 3 。c 0 2 礦物碳酸化固定技術雖然具有較好的c 0 2 固定效果和較低的環(huán)境風險，但目 前的技術水平仍；卞能解決反應速率低、反應條件苛刻等缺點，而且運行成本也比較高。 因此該項技術尚不能實現大規(guī)模的c 0 2 固定。 1 2 3 利用c 0 2 合成有機產品 利用c 0 2 合成有機產品，是指用c 0 2 作為有機合成的基本原料，在適當的反應條件 下與其它原料一起合成有機物。比較常見的兩種方式是c 0 2 與醇反應生成碳酸酯以及 c 0 2 與胺反應生成氨基碳酸酯【l4 1 。碳酸酯與氨基碳酸酯都是重要的化工原料，因此，這 種固碳技：術不但固定了c 0 2 ，還實現的c 0 2 的利用，具有廣闊的發(fā)展前景。國內外研究 者對利用c 0 2 合成有機產品進行了廣泛的研究，不論采用何種途徑，c 0 2 的活化都是其 關鍵問題。不同的活化方法和不同的活化狀態(tài)能夠決定c 0 2 被利用的反應途徑。目。f u 經 常采用的c 0 2 活化方法主要有電化學活化、光化學活化、配位活化、熱解活化以及生物 活化等【l4 | 。此外，有研究者發(fā)現，在某些過渡金屬的催化作用下，c 0 2 可以與過渡金屬 絡合物發(fā)生插入反應，生成c 0 2 配位化合物，達到c 0 2 固定的目的【l5 1 。然而，這項研 究目前還處于基礎研究階段，距離實際應用于c 0 2 固定以及有機產品的生產還有較滅差 第1 蘋緒論 一i i i i i 薯i i i 葛i 葺i i i i i i i i 亨i i 距。利用c 0 2 合成有機產品雖然可以實現c 0 2 的有效利用，但面對巨大的c 0 2 排放量， 這項技術并不能滿足大量固定c 0 2 的要求。 1 2 4 離子液體固定c 0 2 離子液體是指全部由陰陽離子組成的，在低于1 0 0 * c 時呈液態(tài)的有機鹽【1 6 】。某些離 子液體在一定的條件下對c 0 2 具：有較高的溶解度，利用這一性質可以實現c 0 2 的固定。 離子液體具有熱穩(wěn)定性、不揮發(fā)性、不可燃、溶解能力強、結構性質可調以及環(huán)境友好 等特性，在c 0 2 的固定方面具有一定的優(yōu)勢。由于僅靠單純的物理作用，常規(guī)離子液體 固定c 0 2 的能力是有限的。近年來，在常規(guī)離子液體固定c 0 2 的基礎上，發(fā)展出了具有 更強c 0 2 固定能力的各種離子液體，包括功能型離子液體、聚合型離子液體、支撐離子 液體膜以及離子液體與分子溶劑的混合體等【1 7 】。這些新型的離子液體具有更強的溶解性 能、更好的傳質條件，對c 0 2 的固定能力有了很大的提高。然而，目前離子液體固定 c 0 2 的研究大多是針對于高濃度的純c 0 2 氣體，要實現直接且有選擇性地高效固定廢氣 中的c 0 2 仍有很多問題需要解決。 1 2 5 微藻固碳 微藻是一類在淡水、海洋分布廣泛的自養(yǎng)植物，其具有光合效率高、繁殖速度快、 環(huán)境適應能力強的特點。微藻的生物量倍增時間一般為2 4 小時甚至更短，因此可以實 現短時間的大量繁殖。微藻固碳技術就是利用藻類的光合作用，吸收環(huán)境介質中的無機 碳用于合成自身物質，從而達到固碳的效果。與前面幾項固碳技術不同，微藻不僅能夠 利用氣體的c 0 2 ，同時還能利用水中的h c 0 3 。因此，微藻具有更全面的固碳能力，除 了固定空氣中的c 0 2 外，去除水中的溶解性h c 0 3 對于碳減排同樣具有非常重要的意義。 微藻在固定無機碳的同時，自身快速繁殖，將無機碳轉化為有機物，收獲的藻體可以用 于生產生物柴油、藻蛋白等高價值產品。而用微藻生產的生物柴油是一種比化石燃料更 加清潔的能源，其燃燒產生的c 0 2 和c o 的排放量僅為化石燃料的1 0 1 8 】。因此，微藻 固碳技術在固定空氣和水中的無機碳的同時，還能收獲新型能源等高價值產品，具有一 舉兩得的功效。目前，國內外對微藻固碳的研究大多集中于微藻對氣態(tài)c 0 2 的固定，而 對微藻固定水中h c 0 3 的研究比較少。下面將對微藻固定無機碳的國內外研究現狀進行 詳細介紹。 1 3 微藻固定無機碳的國內外研究現狀 從上世紀9 0 年代開始，一些發(fā)達國家便開始了微藻固定煙道氣中c 0 2 以及密閉空 間中c 0 2 的去除等方面的研究，并取得了令人滿意的效果 1 9 , 2 0 】。近年來國內外關于微藻 哈爾濱工程大學碩士生學位論文 i i i i i i 虧i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 固碳的研究也多集中于微藻固定c 0 2 的研究，對微藻固定水中h c 0 3 - 無機碳的研究較少。 目前的研究內容主要包括微藻固定無機碳的機理、固定無機碳藻種的選育、微藻固定無 機碳的影響因素、微藻光生物反應器的研制、微藻的水處理功效、微藻固碳基因工程方 面的研究以及微藻的綜合利用等方面。 1 3 1 微藻固定無機碳機理 關于微藻固定無機碳機理的研究，主要集中在微藻的無機碳營養(yǎng)方面。研究發(fā)現， 在c 0 2 、h 2 c 0 3 、h c 0 3 、c 0 3 厶這四種無機碳形態(tài)中，并不是所有形態(tài)的無機碳都能被 微藻利用。作為一類光合自養(yǎng)綠色植物，氣態(tài)的c 0 2 是微藻能夠利用的無機碳形態(tài)而 h 2 c 0 3 和c 0 3 2 - - - 般被認為不能被微藻所利用 2 1 1 。至于h c 0 3 。，a n g e l s t e i l l 【2 2 1 于1 9 1 0 年 首次提出h c 0 3 ?？梢宰鳛樗参锏臒o機碳源，微藻對h c 0 3 的利用證明了這一觀點。 如圖1 1 瞄”所示，在接近中性的條件下，水中的無機碳主要以h c 0 3 的形式存在，而h c o ，。 屬于可以被微藻所利用的無機碳形態(tài)，因此，利用微藻固定水中h c 0 3 無機碳引起i 廣各 國研究者的關注。 z碡豁玨 舔 21 鷹 爭l 圖1 1 水中h 2 c 0 3 、h c 0 3 和c 0 3 2 - 隨p h 變化曲線 微藻對h c 0 3 的利用與藻種和環(huán)境條件有關。海水中的c 0 2 濃度僅為0 0 1 4m m o l l ( 1 5 。c ) ，而h c 0 3 。的濃度則達到2 1m m o l l ( 1 5 。c ) ，因此，大多數的海洋藻類都具有將 h c 0 3 作為無機碳源的能力【2 4 1 。這些藻類具有某些特殊的機制，從而能夠強化微藻對 h c 0 3 。的吸收利用。許多研究者認為碳酸酐酶( c a ) 與微藻利用h c 0 3 具有密切的關：系。 碳酸酐酶能夠催化h c 0 3 和c 0 2 之間的相互轉化，分為胞外碳酸酐酶和胞內碳酸酐酶兩 種。胞外碳酸酐酶在微藻細胞外催化h c 0 3 轉化為c 0 2 ，c 0 2 再通過自由擴散或主動運 輸的方式進入細胞內被吸收利用；胞內碳酸酐酶則在細胞內將儲存在細胞內的h c 9 3 。 轉化為c o 2 供藻細胞吸收利用2 5 1 。某些藻類并不具有胞外碳酸酐酶，但它們可以通過主 4 e 器 樂 a 乏 e ， 駐 舔 袋 ， 第1 章緒論 i i i i i i i i i i i 莓ii ii ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 動運輸的方式將h c 0 3 直接吸收至細胞內，再由胞內碳酸酐酶催化轉化為c 0 2 【2 引。還有 研究者認為，對于在細胞內存在鈣化作用的微藻，h c 0 3 可以不通過碳酸酐酶而直接提 供c 0 2 ： 2 h c 0 3 + c a 2 + 一c a c 0 3 + c 0 2 + h 2 0 【2 7 】 除了海洋微藻能夠利用h c 0 3 外，在無機碳源不足的環(huán)境條件下，許多淡水微藻也 能夠通過一種二氧化碳濃縮機s u ( c c m 機制) 來維持一定的光合效率。這種機制與海洋微 藻利用h c o f 的機制類似，包括兩種方式：h c 0 3 通過離子交換蛋白的主動轉運通過細 胞膜，在細胞內被碳酸酐酶分解為c 0 2 供細胞利用；h c o f 直接被胞外碳酸酐酶分解為 c 0 2 ，c 0 2 再通過擴散作用進入藻細胞。c c m 機制即通過這兩種方式來保證藻細胞內有 充足的c 0 2 供給1 ，5 二磷酸核酮糖羧化力口氧酶( r u b i s c o ) 禾l j 用，以維持穩(wěn)定的光合作用強 度【2 8 1 。r u b i s c o 是光合作用( ：3 途徑中的關鍵酶，它所催化的反應是無機碳轉化為有機 碳的主要途徑。t h o r n s 等【2 9 】提出了以葉綠體的精細結構和生理學為基礎的c c m 模型， 考查了碳酸酐酶與r u b i s c o 的相互作用機制，并利用這種模型研究了葉綠體的各組成部 分對c c m 機制的特定作用。 b j o r k 等【3 0 1 研究了不同j 不境條件對微藻無機碳代謝的影響，研究發(fā)現微藻u l v a l a c t u c a 在天然海水中主要吸收利用h c 0 3 。，而在p h 被調至6 5 的海水中只能利用c 0 2 而不吸收h c 0 3 。不同的藻種對無機碳源的選擇也不同。綠藻門微藻和褐藻門微藻都具 有較強的吸收利用h c 0 3 - 的能力：，而大多數紅藻門微藻吸收利用h c 0 3 的能力都非常弱 【2 4 】；h u e r t a s 和l u b i a n 【3 1 比較了幾種微藻無機碳代謝的種類，研究發(fā)現微藻n g a d i t a n a 吸收利用h c 0 3 的能力很強，而微藻n m a c u l a t a 則更加傾向于吸收利用c 0 2 。 1 3 2 藻種的選育 微藻種類繁多，各種微藻的無機碳代謝情況不盡相同，有些微藻只能利用c 0 2 作為 碳源，而有些藻種則可以同時吸收利用c 0 2 和h c 0 3 。因此，要利用微藻實現無機碳的 高效固定，必須根據所要固定的無機碳的形態(tài)選擇適宜的藻種。目前國內外對高效固定 無機碳藻種的選育大多都是固定氣體c 0 2 的藻種。 ( 1 ) 國外研究者對固定無機碳藻種的選育 近年來國外的研究成果表明，不論是固定煙道氣中的高濃度c 0 2 還是密閉空間中的 微量c 0 2 ，藍藻門微藻和綠藻門微藻都具有明顯的優(yōu)勢，尤其以綠藻門中的小球藻 ( c h l o r e l l a ) n 碳效果最好。w a t a n a b e 等【3 2 】從稻田水中取得藻種，并在一圓柱形生物反應 器( 高4 0 c m ，直徑8 c m ) 內培養(yǎng)馴化得到一種小球藻c h l o r e l l as p h a 1 。該藻種最高可以 耐受5 0 的c 0 2 濃度。當反應條件設定為氣體流速2 5 0m l m i n 、c 0 2 濃度1 0 、光照 哈爾濱工程大學碩士生學位論文 i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 強度5 5 0 0 01 u ) ( 時，c h l o r e l l as p h a 1 固定c 0 2 速率達到最大值6 0 4g m d 。s u n g 等3 3 1 選育出了一種能夠耐受高c 0 2 濃度和高溫的小球藻c h l o r e l l as p k r 1 ，同時這種小球藻 還能適應很寬的p h 范圍。在c 0 2 濃度達到3 0 、溫度達到4 0 的條件下，c h l o r e l l as p k r 1 仍能保持良好的生長狀態(tài)，因此這種小球藻非常適合于固定煙道氣中的c 0 2 。 h a n a g a t a 等【3 4 】篩選出了五種能夠耐受高c 0 2 濃度的微藻，其中尤其以自然水體中常見的 淡水綠藻門微藻斜生柵藻( s c e n e d e s m u so b l i q u u s ) 和小球藻( c h l o r e l l a ) 固碳效果和耐受能 力最佳。斜生柵藻比小球藻能夠耐受更高濃度的c 0 2 ，而小球藻則能夠耐受更高的溫度。 ( 2 ) 國內研究者對固定無機碳藻種的選育 國內研究者選育出的高效固定c 0 2 的藻種的大多為綠藻門微藻。岳麗紅等 3 5 1 從沈陽 市郊稻田泥水混合物中取得藻種，培育出了一種小球藻c h l o r e l l as p z y - 1 。這種小球藻 在光照強度為5 5 0 0 0l u x 、通入氣體c 0 2 濃度為1 0 時對c 0 2 的固定速率可以達到三0 2 3 g l d 。然而隨著c 0 2 濃度的增加，c h l o r e l l as p z g - 1 對c 0 2 的固定速率逐漸下降，當 c 0 2 濃度達到7 0 時，固定速率僅為0 2 3 4 9 l d ，可見這種微藻并不能耐受高濃度的c 0 2 ， 但固定較低濃度的c 0 2 效率較高。郭禎等【3 6 】考查了亞心形扁藻( p l a t y m o n a s s u b c o r d i 且) 玎1 1 i s ) 對不同濃度c 0 2 的固定能力。在光照強度3 0 0 0l u x 、溫度2 5 的條件下， 分別將含c 0 2 濃度為5 、1 0 、1 5 的氣體通入亞心形扁藻藻液，經過1 0 日培養(yǎng)后藻 液濃度分別增長3 6 倍、2 6 倍和2 3 倍。可見亞心形扁藻比較適于在低c 0 2 濃度的環(huán)境 下生長，但也能夠耐受較高濃度的c 0 2 。c h a n g 等【3 7 調查了臺灣湖泊、稻田、海洋及溫 泉中的2 0 0 多種微藻，從中篩選出一種單細胞綠藻c h l o r e l l as p n t u h 1 5 。在光照強度 為3 0 0 0 0l u x 、溫度為3 0 的條件下，這種微藻能夠耐受濃度高達6 0 的c 0 2 ，固定速 率為0 11 ，一0 13 9 i 。d 。 可見，國內外研究者選育出的固定無機碳藻種大多為綠藻門微藻，尤其以小球藻最 多。小球藻、斜生柵藻等淡水綠藻在自然界分布非常廣泛，藻種易于獲得。這些微藻不 盡能夠固定氣態(tài)的c 0 2 ，還能夠通過c 0 2 濃縮機制固定水中的h c 0 3 。各國研究者對淡 水綠藻固定氣體c 0 2 進行了廣泛研究，但關于淡水綠藻固定水中h c o s 的研究為數不多。 1 3 3 微藻固定無機碳的影響因素 微藻固定無機碳效果的影響因素包括進氣c 0 2 濃度、溫度、光照強度、p h 等，此 外水中的n 、p 濃度、鹽度等也會影響微藻的生長狀態(tài)，從而對微藻固定無機碳的效果 產生影響。 ( 1 ) c 0 2 濃度的影響 高春燕等3 8 1 考查了進氣中c 0 2 濃度對c 0 2 去除率的影響。研究發(fā)現，在光照強度 第1 章緒論 暑眚；置i i i i i i i i i i l l l l li i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 3 5 0 0l u x 、溫度2 0 。c 、進氣流量2 0 0m l m i n 的條件下，c 0 2 去除率隨進氣中c 0 2 濃度的 升高先快速升高，然后增速減緩。夏建榮和高坤山 3 9 】研究發(fā)現在較高濃度c 0 2 條件下培 養(yǎng)的蛋白核小球藻細胞葉綠體明j 顯增多，有利于提高光能利用率，因此這種蛋白和小球 藻具有較高的光合作用強度，對無機碳的固定速率也比較快。 ( 2 ) 溫度的影響 溫度是微藻生長重要的影響因素，不同的微藻種類適應的生長溫度也不同。雖然微 藻對環(huán)境溫度的適應能力比較強，在較低、較高的環(huán)境溫度下都能夠存活，但溫度對微 藻固定無機碳的速率具有明顯的影響。一般微藻光合固碳效率比較高的溫度范圍為2 0 3 0 c 左右，但小球藻c h l o i r e l l as p k r 1 在4 0 。c 的高溫下仍能維持良好的生長狀態(tài)、 保持較好的固碳效果【3 3 1 。高春燕等【3 8 1 考查了溫度對小球藻固定氣體c 0 2 效果的影響， 分別在1 5 、2 0 、2 5 、3 a l 、3 5 的溫度條件下在光生物反應器中進行了c 0 2 的固 定實驗，結果表明小球藻固定c 0 2 最適宜的溫度范圍為2 5 - 3 0 。c 。 ( 3 ) 光照強度的影響 趙素芬和何培民 4 0 考查了光照強度對紅色和綠色品系長心卡帕藻( k a p p a p h ) r c u s a l v a r e z i i ) 生長狀態(tài)的影響。其研究結果表明，雖然同為長心卡帕藻，但紅色品系和綠色 品系長心卡帕藻所適應的光照強度差別很大。紅色品系長心卡帕藻只能適應較弱的光照 強度，光照過強會抑制其生長；而綠色品系長心卡帕藻更加適于在強光下生長，較弱的 光照強度不能滿足其生長要求，綠色品系長心卡帕藻所適應的光照強度達到了紅色品系 的5 倍左右。高春燕等 3 8 】在進氣流量6 0 0m l m i n 、c 0 2 濃度1 、溫度2 0 。c 的條件下考 查了光照強度對小球藻固定c 0 2 效果的影響。實驗結果表明，光照強度過低時小球藻的 光合作用強度較低，對c 0 2 的固定效果較差；而光照強度過高時，小球藻對c 0 2 的固定 也會受到抑制，這是由于過強的光照引起的氧化光解會對小球藻細胞造成損害。在其實 驗條件下，小球藻固定c 0 2 的最適宜光照強度為3 5 0 0l u x 。 ( 4 ) p h 的影響 劉玉環(huán)等【4 1 】考查了p h 對二形柵藻( s c e n e d e s m u sd i m o r p h u s ) n 定c 0 2 速率的影響。 在控制p h 為7 5 時，二形柵藻對進氣中3 3 3 的c 0 2 固定速率達到最大值0 9 9 l d 。 許海等【4 2 】通過在藻液中加入p h 緩沖劑固定藻液的初始p h ，考查了p h 對幾種淡水微藻 生長狀況的影響。實驗發(fā)現不同的藻種適應的p h 范圍有較大差異，如雷氏衣藻 ( c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i ) 迢) 宜在p h 為7 的中性條件下生長，而斜生柵藻( s c e n e d e s m u s o b l i q u u s ) 貝j j 更適合在p h 達到1 0 左右堿性條件下生長。而當藻液中沒有加入p h 緩沖劑 時，藻液的p h 會隨著微藻的生長發(fā)生變化，微藻的生長狀況明顯要差于p h 固定在適 哈爾濱工程大學碩士生學位論文 i i i i i i i i ；i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宜范圍內的藻液。然而藻液p h 并不是對所有微藻的生長都有顯著影響，徐敏等 4 3 ：研究 發(fā)現能夠耐受高濃度c 0 2 的海灘綠球藻( c h l o r o c o c c u ml i t t o r a l e ) 的生長受p h 的影響不 大。 ( 5 ) n 、p 濃度和鹽度的影響 藻液中的n 、p 濃度和藻液的鹽度對微藻的生長也有明顯的影響。n 、p 是微藻生 長重要的營養(yǎng)元素，藻液中n 、p 缺乏對微藻細胞內酶等蛋白質的合成影響極大，會使 微藻的生長發(fā)育收到嚴重影響。然而藻液中n 、p 濃度過高時，對微藻的生長也會造成 不良影響。梁瑛：等【4 4 】考查了n 、p 濃度對綠色巴夫藻( p a v l o c av i r i d i s ) 生長的影響，實驗 發(fā)現當藻液中n 、p 不足時綠色巴夫藻生長緩慢；當n 、p 濃度過高時藻液同樣表現出 生長受到抑制的：跡象；只有在n 、p 濃度分別為8 8 0g m o l l 和3 6 3p m o l l 時，藻液生 長最為旺盛，葉綠素相對含量也最高，此時的n 、p 濃度即為綠色巴夫藻培養(yǎng)的最適n 、 p 濃度。趙素芬和何培引4 0 】考查了鹽度對長心卡帕藻( k a p p a p h y c u sa l v a r e z i i ) 生長狀兄的 影響，分別在2 3 、2 8 、3 2 、3 5 、4 l 五個鹽度等級下進行了紅色和綠色品系長心卡怕藻 的培養(yǎng)。實驗結：果表明紅色品系長心卡帕藻適宜的鹽度范圍為2 8 3 2 ，而綠色品系長心 卡帕藻則能適應更寬的鹽度范圍2 3 3 2 。 1 3 4 微藻光生物反應器 微藻的培養(yǎng)：療式主要有封閉式和開放式兩種。開放式的光生物反應器主要適用于微 藻的大規(guī)模培養(yǎng)，具有結構簡單、成本低廉、操作簡便的優(yōu)點，但缺點是藻種易受污染、 培養(yǎng)條件不穩(wěn)定，無法實現單一藻種的高密度培養(yǎng)。封閉式光生物反應器一般具有相對 復雜的結構，具有較高的光能利用率，并能對微藻培養(yǎng)過程中的各項參數進行有效控制， 培養(yǎng)條件穩(wěn)定，能夠實現單一藻種的高密度培養(yǎng)。利用微藻固定無機碳需要特定的高效 固碳藻種，而且要對這些微藻的培養(yǎng)條件進行嚴格的控制。因此，在微藻固碳領域：長多 使用封閉式光生物反應器，而各種新型封閉式光生物反應器也成為各國研究者的研究熱 點。 目前的封閉式光生物反應器主要有柱狀氣升式、管道式、平板式、浮式薄膜袋、攪 拌式發(fā)酵罐等幾種形式 4 川。新型光生物反應器的開發(fā)思路主要是提高光生物反應器的光 傳遞效率、光能利用率，提高傳質效率以及為微藻創(chuàng)造更適宜的生存環(huán)境。西班牙的f g a c i e nf e r n a n d e z 等【4 6 j 設計了一種氣升式平行管光生物反應器，如圖1 2 所示。這種光生 物反應器：具有巨大的光接收面積，藻液在平行管中循環(huán)接受光照，液層厚度小，因此能 夠獲得較高的光傳遞效率和光能利用率。在這種反應器中進行的微藻連續(xù)培養(yǎng)實驗表 明，微藻的最高產率可以達到1 2