產油嗜堿綠球藻MC-1的煙氣適應性

楊熙，向文洲，張峰，吳華蓮，何慧，范潔偉

1 中國科學院南海海洋研究所，廣東廣州 510301

2 中國科學院大學，北京 100049

因大量溫室氣體的排放而引發(fā)的全球變暖已經越來越受到全世界人民的關注，在各種溫室氣體中，CO2是導致溫室效應的最主要因素[1]，減排已成為目前國內的重點工作之一。由于化石能源的不可再生性及其儲量日益減少，人們普遍意識到必須尋找新能源以便實現(xiàn)經濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，并把目光投向了微藻[2]。微藻具有諸多其他材料無可比擬的優(yōu)勢，已成為生產清潔生物能源的首選材料，微藻產油的相關技術也已基本成熟[3]，但目前還沒能實現(xiàn)商業(yè)化生產，其主要問題是成本過高以及缺乏合適藻種[4-5]。據Grima 等[6]報道，微藻在培養(yǎng)過程中碳源的供應占總生產成本的41%之多。而發(fā)電廠所排放的煤炭煙氣中含有大量的CO2氣體，如果利用煙氣培養(yǎng)微藻進行產油，則生產所需的碳源成本可忽略不計，又能達到減排的目的[7]。本實驗室發(fā)現(xiàn)一株極具潛力的產油減排藻種——嗜堿綠球藻Chlorococcum alkaliphilus MC-1，其不僅生長速度快，油脂含量較高，且具有pH 快速漂移和高堿適應特性[8-9]。該藻的這種特性使其易于進行室外大體積培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中藻液的偏堿性有利于提高煙氣中CO2等酸性氣體的吸收利用效果。

截至目前，國內外關于利用煙氣進行產油微藻室外大體積培養(yǎng)的報道還比較少見，已有的一些報道：如Maeda 等[10]利用工廠煙氣在70 L 的循環(huán)光反應器中培養(yǎng)微藻 Chlorella sp.T-1；Matsumoto等[11]將火力發(fā)電廠排放的工業(yè)煙氣直接通入2 m2開放式跑道池中培養(yǎng)微藻微擬球藻Nannochloropsis salina (NANNP2)；以及Israel等[12]在1000 L 的開放式跑道池中，利用工廠排出的煙氣培養(yǎng)隅江籬(紅藻門) Gracilaria cornea(Rhodophyta)。上述研究中都只粗略地分析了培養(yǎng)過程中煙氣對微藻生物量的影響，而關于煙氣影響微藻生物量的原因、煙氣對微藻油脂含量的影響以及培養(yǎng)過程中煙氣各成分的吸收利用情況等沒有進行深入的研究。

本項研究通過利用煤爐燃燒煤炭產生的煙氣分別于室外15 L 光生物反應器和24 m2開放式跑道池中培養(yǎng)嗜堿綠球藻 Chlorococcum alkaliphilus MC-1，研究了煙氣對該藻的生長、藻體總脂含量和有毒重金屬含量的影響，此外還測定了藻液中無機N 和無機S 的濃度變化，并分析了藻液對煙氣中CO2、NO 和SO2的吸收效果，以評估該藻對煙氣的適應性，為實現(xiàn)微藻產油與煙氣減排的耦合培養(yǎng)和商業(yè)化生產提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 藻種和培養(yǎng)基

本研究采用一株嗜堿綠球藻Chlorococcum alkaliphilus MC-1(暫定名，簡稱MC-1)作為實驗藻種，該藻種由中國科學院南海海洋研究所微藻項目組于2002年在室外藍藻培養(yǎng)箱中分離并經過固體純化培養(yǎng)后獲得[13]。

實驗中所用培養(yǎng)基配方在原ZSNT 培養(yǎng)基[13]的基礎上加以調整，調整后的配方為：每升蒸餾水中分別加入NaHCO30.5 g，KCl 0.1 g，NaNO30.4 g，NaH2PO4·2H2O 0.03 g，MgSO4·7H2O 0.05 g，CaCl20.02 g，M2、A5和B6各1 mL。M2溶液：每升蒸餾水添加FeCl3·6H2O 0.244 g 和Na2·EDTA 0.189 g。A5溶液：每升蒸餾水添加H3BO32.86 g，MnCl·4H2O 1.81 g ， ZnSO4·7H2O 0.22 g ，CuSO4·5H2O 0.08 g，Na2MoO40.021 g 和濃H2SO41滴。B6溶液：每升蒸餾水添加NH4VO322.96 mg，K2CrO419.9 mg，NiSO4·6H2O 47.85 mg，NaWO4·2H2O 17.914 mg，Ti(SO4)340 mg 和Co(NO3)2·6H2O 43.98 mg。

1.2 氣體來源及補氣方法

煙氣：實驗中所使用的煙氣由煤爐燃燒煤炭產生，煤炭為市場上采購的蜂窩煤。初始煙氣先經過冷卻過濾設備進行前處理，使溫度降至25℃左右，處理后的煙氣直接通入藻液中進行微藻培養(yǎng)。經測定煙氣的主要成分及濃度分別為：

(14.72±0.02)% CO2、(4.20±0.02)% O2、(28.74±1.03) mg/m3NO、(343.78±17.22) mg/m3SO2。CO2

氣體：實驗中以純度為99.99%的食品級CO2氣缸作為CO2氣源，液態(tài)CO2經減壓氣化后再導入藻液中培養(yǎng)微藻。

補氣方法：鑒于該藻的最適生長pH 為9.00，而且該藻以NaHCO3為初始碳源進行光照培養(yǎng)時會產生明顯的pH 漂移現(xiàn)象，即藻液pH 會在短時間內快速上升，本實驗采用間歇性補氣的方法，以藻液pH 值作為供氣與否的指標，當pH值升至9.50時，開始供氣降pH，當pH 降到9.00時停止供氣，如此反復，此補氣過程均采用人工控制。

1.3 光生物反應器培養(yǎng)條件

實驗中使用圓柱形氣升式光生物反應器，透明玻璃材質，內徑為24 cm，高為33 cm，總容積為15 L，底部裝有曝氣裝置，氣體從底部導入，并帶動藻液循環(huán)流動。實驗分3組進行，空白組：不補充任何氣體下培養(yǎng)；CO2組：通純CO2氣體進行培養(yǎng)；煙氣組：通煤炭煙氣進行培養(yǎng)。每組設3個平行樣。實驗于室外進行，反應器放置于盛水的玻璃水箱中，以此來控制藻液溫度在30℃附近。每個反應器中藻液的初始OD700都為0.321，培養(yǎng)體積為14 L，自然光照，通氣速率為250 mL/min，夜間停止補氣，于每天18:00補充蒸發(fā)水。

1.4 開放式跑道池培養(yǎng)條件

跑道池的規(guī)格為：3.0 m (寬)×8.0 m (長)，培養(yǎng)前藻池經消毒滅菌處理。實驗于室外進行，選擇天氣晴朗，溫度和光照強度相似的日期在池中先后進行純CO2培養(yǎng)和煙氣培養(yǎng)實驗。藻液初始OD700均為0.425，培養(yǎng)深度為22 cm，自然光照，培養(yǎng)溫度為30℃左右，通過曝氣石向池底曝氣，通氣速率為2 L/min。每天早上6點開攪拌機，下午18:00關攪拌機，葉輪攪拌轉速為13 r/min，藻液流速為0.3 m/s。夜間停止補氣，于每天18:00補充蒸發(fā)水。

對培養(yǎng)末期采收的藻粉進行有毒重金屬Pb、As、Cd 和Cr 含量的測定，由中山大學分析測試中心協(xié)助完成。依據JY/T 015-1996，采用全譜直讀等離子體原子發(fā)射光譜儀(Icap6500Duo，美國)進行含量的檢測，檢測條件為：入射功率1150 W，等離子氣流量14 L/min，霧化氣流量0.6 L/min。Cd 的參照標準為保健(功能)食品通用標準(GB/2762-2005)，As、Pb 和Cr 的參照標準為食品中污染物限量標準(GB/16740-1997)。

1.5 藻液pH、DIC (溶解無機碳)濃度以及微藻生長參數(shù)的測定

利用FiveGo 基礎型便攜式pH 計-FG2-FK(METTLER TOLEDO，美國)直接測定藻液pH，每天08:00、11:00、15:00和18:00分別進行測定，然后取平均作為當天藻液的pH 值；藻液中DIC濃度的測定參考Stumm 等[14]的方法；采用干重法[15]測定藻的生物量濃度(g/L)，其方法是取15 mL 的藻液，利用0.22μm 的微孔濾膜過濾并用去離子水清洗2次，于110℃下烘干至恒重。

生長速率采用以下計算公式：

式中GR 為藻的生長速率(g/(L·d))；We和Wi分別為培養(yǎng)末和培養(yǎng)初的生物量濃度(g/L)；△t 為培養(yǎng)開始到結束所用的時間(d)。

CO2固定速率的計算參考Choi 等[16]的方法，計算公式如下：

式中FCO2為CO2固定速率(g/(L·d))；GR 為藻的生長速率(g/(L·d))；fC為藻細胞中有機碳含量(%，占干重比)，經測定為44.43%(由中山大學分析測試中心協(xié)助完成)；MCO2和MC分別為CO2和C 的相對分子質量。

1.6 藻體總脂含量的測定

依據Takagi 等[17]的方法并加以改進，通過離心收集藻泥，經過冷凍干燥后于?20℃保存。稱取30 mg 左右的干藻粉放入碾缽中，加入少量石英砂，液氮冷凍后將碾缽放入冰塊中進行碾磨，鏡檢至細胞完全破碎，將破碎后的藻液轉移至10 mL 的離心管中，加入3 mL 氯仿∶甲醇(2∶1)溶液預處理樣品2 h，再將樣品轉入70℃水浴鍋中水浴15 min 至沉淀呈白色，冷卻至室溫后于4℃、3000 r/min 下離心10 min，取上層提取液，再在沉淀中加入1 mL 氯仿∶甲醇(2∶1)溶液水浴重新提取一次，將兩次提取液合并，在提取液中加入1 mL 0.9%的KCl 溶液搖勻后于4℃、3000 r/min 下離心10 min，將底層溶液轉入棕色吹瓶中，于高純氮氣下吹干，將吹瓶放入烘箱中烘干稱重，每個樣品重復3次，總脂含量計算公式如下：

式中Clipid為藻體總脂含量(%)；me和mi分別為末了和初始時吹瓶的重量(g)；mcell為所測藻粉干重(g)。

1.7 藻液中NO3?、NO2?和SO42?濃度的測定

取15 mL 藻液，于4℃、5000 r/min 離心10 min，取上層清液，用去離子水稀釋40倍，然后用離子色譜儀(WYIC6000，中國)進行測定，陰離子色譜柱型號：WY-Anion-4，進樣體積100μL，流動相：1.8 mmol/L Na2CO3+1.7 mmol/L NaHCO3溶液，流速1.5 mL/min，溫控箱溫度35℃，電導池溫度40℃。

培養(yǎng)始末，各培養(yǎng)體系單位體積中N 元素和S 元素總含量變化的計算公式如下：

式中△ρ為N 或S 總含量的變化(g/L)；△W 為培養(yǎng)末與培養(yǎng)初藻細胞生物量濃度之差(g/L)；f 為藻細胞中有機N 或S 的含量(%，占干重比)，經測定分別為6.92%和0.48%(由中山大學分析測試中心協(xié)助完成)；△C 為培養(yǎng)末與培養(yǎng)初藻液中無機N (包括NO2?和NO3?)濃度之差或無機S 濃度之差(mol/L)；M 為N 或S 的相對分子質量。

1.8 藻液對煙氣中CO2、NO 和SO2的吸收率的測定

采用煙氣分析儀(testo 350，德國)對煙氣中各氣體成分濃度進行檢測。光生物反應器培養(yǎng)的檢測方法為：對通氣過程中反應器進口處和出口處CO2、NO 和SO2的濃度以及氣體流速進行檢測，檢測時的通氣速率控制為250 mL/min；開放式跑道池培養(yǎng)的檢測方法為：利用本實驗室自制的一種檢測裝置，該裝置為立方形，頂端有一個進氣口和一個出氣口，底部敞開，底部朝下扣置于藻池中，氣體從進氣口導入藻液中，經藻液吸收后從出氣口排出，同樣通過檢測其進氣口和出氣口處CO2、NO 和SO2的濃度以及氣體流速來計算吸收率，檢測時的通氣速率控制為2 L/min。吸收率的計算公式[15]如下：

式中 Rgas為藻液對氣體的吸收率(%)；gasinlet和gasoutlet分別指進口處和出口處各氣體成分的濃度(%或mg/m3)；qinlet和qoutlet分別指進口處和出口處的氣體流量(L/min)。

1.9 統(tǒng)計分析

2 結果

2.1 光生物反應器培養(yǎng)實驗

2.1.1 各培養(yǎng)體系中MC-1的生長狀況和總脂含量

采用15 L 光生物反應器對微藻MC-1進行了7 d 的培養(yǎng)，測定了各培養(yǎng)體系中藻的生物量濃度、藻液pH 和DIC 濃度的變化。從圖1A 可以看出，煙氣組的生長速率明顯要快于空白組和CO2組，在培養(yǎng)第7天空白組、CO2組和煙氣組的生物量濃度分別為：(0.45±0.01) g/L、(0.75±0.04) g/L 和(1.02±0.07) g/L (起始生物量濃度均為0.15 g/L)；各培養(yǎng)體系的生長參數(shù)見表1，煙氣組的生長速率和CO2固定速率分別為(0.12±0.02) g/(L·d)和(0.20±0.02) g/(L·d)，均比CO2組提高了33.33%。圖1B 顯示，空白組出現(xiàn)了明顯的pH 漂移現(xiàn)象，在培養(yǎng)第2天pH 就由初始的9.00上升到了11.12，最高達到了11.70；而CO2組和煙氣組中pH 始終維持在藻的最適生長pH 9.00附近。空白組由于沒有碳源的補充，DIC 濃度呈明顯的下降趨勢，從起始的10.57 mmol/L 下降到第5天的(4.16±0.15) mmol/L，此時藻的生長也趨于停止；煙氣組中DIC 濃度與CO2組呈現(xiàn)相似的變化趨勢，由起始的10.57 mmol/L 上升到第6天的(14.72±0.18) mmol/L，并在此后維持在這一濃度附近(圖1C)，在這一過程中煙氣組始終保持較快的生長速率。

培養(yǎng)末各培養(yǎng)體系中藻體總脂含量見表1，結果表明，與空白組相比，CO2組和煙氣組中藻體的總脂含量都有所增加，煙氣組的總脂含量達到了(37.84±0.58)%，增幅最大，比CO2組和空白組分別提高了15.34%和23.20%。以上結果顯示，煙氣組中微藻的生長和油脂積累狀況都要優(yōu)于CO2組。

2.1.2 各培養(yǎng)體系中無機N 和無機S 濃度的變化

通過對各培養(yǎng)體系NO2?、NO3?、SO42?濃度的檢測發(fā)現(xiàn)，各體系中無機N 和無機S 的濃度都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由藻的快速生長對體系中NO2?、NO3?、SO42?的大量消耗所導致，其中煙氣組的下降速度最快，CO2組其次，空白組最慢，煙氣組中無機N 在培養(yǎng)的第6天幾乎已被消耗殆盡(圖2)；通過計算培養(yǎng)前后各培養(yǎng)體系單位體積內N元素和S元素總含量的變化發(fā)現(xiàn)，只有煙氣組中N 和S 的總含量呈正增長，空白組和CO2組都呈負增長(表1)，對于這一現(xiàn)象可能是由于在測定藻細胞中有機N和S 含量時，細胞內還儲存有一定量的無機N 和S，而這一部分無機N 和S 沒有被算入培養(yǎng)末N和S 的總含量中所導致。上述結果說明煙氣對藻液中氮源和硫源起到了一定的補充作用。

圖1 光反應器培養(yǎng)實驗中各培養(yǎng)體系的生物量濃度、pH 和DIC 濃度變化曲線Fig.1 Time course of biomass concentration,pH and DIC concentration of each experimental group in the photobioreactor test.

表1 光反應器培養(yǎng)實驗中各培養(yǎng)體系藻的生長參數(shù)Table 1 Growth parameters of each experimental group in the photobioreactor test

圖2 光反應器培養(yǎng)實驗中各培養(yǎng)體系藻液無機N 和無機S 的濃度變化曲線Fig.2 Time course of inorganic N and S concentration of each experimental group in the photobioreacter test.

2.2 開放式跑道池培養(yǎng)實驗

在室外24 m2開放式跑道池中先后進行了煙氣和純CO2培養(yǎng)實驗，培養(yǎng)時間均為7 d。圖3A顯示，從生物量濃度的變化趨勢來看，煙氣和純CO2具有相似的培養(yǎng)效果，在培養(yǎng)末，煙氣和純CO2培養(yǎng)下藻的最高生物量濃度分別為147.40 g/m2和140.80 g/m2；煙氣能使藻液pH 維持在該藻最適生長pH 9.0附近(圖3B)；煙氣培養(yǎng)中藻液的DIC 濃度呈現(xiàn)與純CO2培養(yǎng)相似的變化趨勢，由起始的10 mmol/L 上升到第2天的12.52 mmol/L，此后一直在該濃度附近波動(圖3C)；從各項生長參數(shù)來看，跑道池中煙氣培養(yǎng)和純CO2培養(yǎng)的差異不明顯，煙氣培養(yǎng)下藻生長速率、CO2固定速率和藻體總脂含量分別為14.73 g/(m2·d)、24.01 g/(m2·d)和35.72%(表2)。

圖3 開放式跑道池中的生物量濃度、pH 和DIC 濃度變化曲線Fig.3 Time course of biomass concentration,pH and DIC concentration in the open raceway pond.

表2 開放式跑道池中微藻MC-1的生長參數(shù)Table 2 Growth parameters of MC-1 cultivated in the open raceway pond

表3 開放式跑道池培養(yǎng)產出的藻粉中有毒重金屬(Pb、As、Cd 和Cr)的含量Table 3 Concentrations of toxic heavy metals (Pb,As,Cd and Cr) in the biomass of MC-1 cultivated on flue gas and pure CO2 in the open raceway pond

對開放式跑道池培養(yǎng)產出的干藻粉進行了有毒重金屬Pb、As、Cd 和Cr 的含量檢測，結果見表3，煙氣和純CO2培養(yǎng)下藻體中有毒重金屬Pb、As 和Cd 的含量都遠低于國家限量標準，就是含量相對較高的Cr 也沒有超出國家限量標準。以上結果表明，微藻MC-1能適應室外煙氣放大培養(yǎng)，且培養(yǎng)出的藻粉中沒有出現(xiàn)有毒重金屬含量過高的現(xiàn)象。

2.3 藻液對煙氣中CO2、NO 和SO2的吸收效果

在通煙氣培養(yǎng)時，當藻液pH 從9.5下降到9.0的過程中，測定了不同時間點藻液對煙氣中CO2、NO 和SO2的吸收率，然后取平均值獲得光生物反應器和開放式跑道池培養(yǎng)過程中藻液對煙氣中CO2、NO 和SO2的平均吸收率。在光生物反應器中CO2、NO 和SO2的平均吸收率分別為：(67.78±3.60)%、(78.90±4.70)%和(70.61±3.84)%；開放式跑道池中CO2、NO 和SO2的平均吸收率分別為：(86.28±1.15)%、(78.65±6.18)%和(84.93±4.29)%(圖4)。以上結果表明，培養(yǎng)過程中藻液對煙氣中CO2、NO 和SO2具有較好的吸收效果。

圖4 光生物反應器和開放式跑道池中藻液對煙氣中CO2、NO 和SO2的平均吸收率Fig.4 The average absorption ratios of CO2,NO and SO2 by the culture solution in the photobioreactor and open raceway pond.

3 討論

3.1 煙氣培養(yǎng)下微藻MC-1的生長情況和總脂含量

本實驗中煙氣組微藻MC-1的生長不僅沒有受到抑制，反而優(yōu)于CO2組，在光生物反應器培養(yǎng)實驗中煙氣組的生長速率為(0.12±0.01) g/(L·d)，比CO2組提高了33.33%；開放式跑道池培養(yǎng)實驗證明了微藻MC-1能適應室外煙氣放大培養(yǎng)。Douskova 等[18]利用城市垃圾焚燒爐中產生的煙氣培養(yǎng)微藻Chlorella vulgaris 時，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，煙氣使該藻的生長速率提高了48%；Matsumoto 等[11]在2 m2的開放式跑道池中利用煙氣培養(yǎng)微藻Nannochloropsis salina，實驗發(fā)現(xiàn)煙氣培養(yǎng)下該藻的生長曲線和CO2培養(yǎng)相似，生長速率為8 g/(m2·d)，而在本實驗中煙氣培養(yǎng)池的生長速率為14.73 g/(m2·d)，比其提高了1.84倍。經分析，本實驗中出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要有以下幾點：1)由于煙氣組與CO2組使用的氣體中CO2濃度不同，煙氣組中CO2濃度低，CO2組中CO2濃度高，雖然藻液最終都被調至相同的pH 值，但此過程中煙氣組所通氣體總流量要大于CO2組，這使得煙氣組的藻液混合要優(yōu)于CO2組，而混合效果越好對藻的生長是越有利的；2)煙氣中所含NOX和SOX等氣體對藻液中氮源和硫源起到了一定的補充作用。由于煙氣中所含NOX和SOX被藻液吸收后會以NO2?、NO3?和SO42?等形式存在[19]，而NO2?、NO3?和SO42?可被微藻作為營養(yǎng)元素加以吸收利用[20]。本實驗也證實了煙氣對藻液中氮源和硫源起到了補充作用，由于補充量相比于藻細胞生長對氮源和硫源的消耗量來說太小，因此在圖2中無機N 和S濃度都呈總體下降趨勢，沒有體現(xiàn)出這一補充效果；3)由于煙氣中含的一些微量元素，有可能其中有些微量元素是藻體中一些酶的重要激活因子[21]，從而對微藻的生長起到了激活作用。

在光生物反應器培養(yǎng)中，煙氣組藻體的總脂含量為(37.84±0.58)%，比CO2組提高了15.34%；開放式跑道池中煙氣培養(yǎng)下藻體的總脂含量也達到了35.72%。Yoo 等[22]通過利用燃燒液化汽油產生的CO2濃度為5.5%的煙氣培養(yǎng)微藻柵藻Scenedesmus sp.和布朗葡萄藻 Botryococcus braunii，研究發(fā)現(xiàn)，在煙氣培養(yǎng)條件下這兩種藻的總脂含量分別為18%和24%，比10% CO2培養(yǎng)下分別提高了1倍和14.29%。煙氣促進微藻油脂積累的具體原因目前還不清楚，可能煙氣在促進微藻生長的同時也加快了其對培養(yǎng)液中氮、磷等營養(yǎng)元素的消耗，使藻細胞較早進入了營養(yǎng)元素缺乏階段，而氮、磷的缺乏會促使藻體從快速生長階段轉入油脂的積累階段[23]。

煙氣培養(yǎng)下微藻MC-1表現(xiàn)出較好的生長效果以及總脂含量有所升高的現(xiàn)象均說明了該藻對煙氣有較好的適應性。

3.2 煙氣培養(yǎng)產出藻粉的安全性分析

由于煙氣中還含有一些重金屬元素，如Cd、Pb、Hg、As、Cr、Co、Cu 等，且這些重金屬會以氧化物或氯化物的形式存在于煙氣中的微小顆粒中，而微藻對重金屬有很強的吸收和吸附能力，很容易在藻體內發(fā)生重金屬富集效應[19]。本實驗通過測定在煙氣培養(yǎng)下開放式跑道池產出的藻粉中有毒重金屬Pb、As、Cd 和Cr 的含量，以此來判斷其作為食品、餌料以及其他產品的安全性。結果發(fā)現(xiàn)藻體中這些指標的含量均低于國家限量標準。出現(xiàn)這種結果的原因有以下幾種可能：1)由于煙氣在通入藻液之前進行了冷卻過濾處理，可能對其起到了凈化作用，有效地降低了煙氣中這些重金屬的含量，從而沒有出現(xiàn)藻體內重金屬的富集現(xiàn)象；2)由于培養(yǎng)時間不夠長，這些重金屬在藻體中的富集現(xiàn)象還不明顯。如果延長煙氣培養(yǎng)時間，是否會出現(xiàn)藻體有毒重金屬含量升高的現(xiàn)象還有待進一步研究。

3.3 藻液對煙氣中各氣體成分的吸收效果

煙氣培養(yǎng)過程中藻液對煙氣中CO2、NO 和SO2都有較高的吸收效果。此前關于利用煙氣培養(yǎng)微藻的報道中，這三種氣體的最高吸收率分別為：67%、68%和51%[15,24-25]，均低于本研究。由于吸收率取決于氣液接觸的表面積和時間，以及藻液的酸堿性等，其中藻液的酸堿性是由藻的生理特性所決定的。因此，補氣裝置構造、補氣時氣泡大小以及藻的生理特性等都會影響氣體的吸收效果。本實驗中采用的是常規(guī)的補氣方式(利用曝氣石在光反應器和開放式跑道池底部補氣)，因此分析認為，出現(xiàn)較高的吸收率主要是由微藻MC-1獨特的生理特性所決定的。該藻不僅具有嗜堿特性，且在培養(yǎng)過程中會使藻液產生明顯的pH 漂移，即培養(yǎng)過程中隨著藻細胞的生長，藻液表現(xiàn)出同步的pH 上升現(xiàn)象，從而使藻液呈堿性，根據酸堿平衡原理，CO2、NO 和SO2等酸性氣體更容易被堿性溶液所吸收[26]。本實驗采用間歇性通氣方法很好地維持了這種平衡關系，使藻液既不會出現(xiàn)堿性過高現(xiàn)象，也不會由于大量酸性氣體的通入而快速酸化，而是維持在該藻的最適生長pH 附近，既保證了煙氣中各成分都具有較高的吸收效果，又能使該藻在最適pH 下快速生長。

3.4 微藻產油與煙氣減排耦合培養(yǎng)的進一步優(yōu)化及其商業(yè)化生產前景

雖然在24 m2開放式跑道池中煙氣培養(yǎng)與純CO2培養(yǎng)相比差異不明顯，但其生長速率與此前研究相比有了較大幅度的提高。在室外大規(guī)模煙氣培養(yǎng)中將會遇到培養(yǎng)條件難控制(如pH、溫度、溶解氧等)，天氣以及敵害生物等因素的影響。因此我們認為在室外微藻產油與煙氣減排的大規(guī)模培養(yǎng)中，需要進一步優(yōu)化培養(yǎng)條件，包括培養(yǎng)系統(tǒng)、煙氣補充系統(tǒng)等的優(yōu)化。如何通過改善煙氣補充裝置，提高煙氣中各成分的吸收利用率，從而更好地降低培養(yǎng)成本，有待進一步深入研究。

據統(tǒng)計，直到目前只有少數(shù)幾家企業(yè)嘗試過利用煙氣進行微藻工業(yè)化生產，如以色列電力公司和Seambiotic 有限公司嘗試過將煙氣直接導入露天培養(yǎng)池中培養(yǎng)一種微綠球藻[27]；在夏威夷，Cyanotech 公司利用自己研發(fā)的一種煙氣發(fā)生系統(tǒng)來進行微藻節(jié)旋藻Arthropspira sp.的培養(yǎng)，并利用燃料燃燒產生的余熱來干燥藻泥[28]，而在我國關于利用煙氣大規(guī)模培養(yǎng)微藻的研究則少有報道。本實驗中所使用的嗜堿綠球藻MC-1是一株能適應煙氣培養(yǎng)條件的產油藻種，由于其培養(yǎng)過程中藻液偏堿性，能對敵害生物起到有效的控制作用，易于室外大規(guī)模培養(yǎng)。如果采用具有與本研究中微藻MC-1相似生理特性的藻種，優(yōu)化培養(yǎng)條件，進一步完善煙氣補給系統(tǒng)，耦合微藻產油與煙氣減排并實現(xiàn)商業(yè)化生產是可期的。

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