鈍頂螺旋藻固定二氧化碳效率的研究

王 霞，張 濤，童 丹

（湖北工業(yè)大學(xué)輕工學(xué)部資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

CO2是引起全球變暖的主要溫室氣體［1］，而微藻固碳是目前最有效、環(huán)保的固碳方法［2］。用于CO2減排的微藻種類很多，如葡萄藻、小球藻、柵藻、衣藻、螺旋藻等［3］。而鈍頂螺旋藻可生產(chǎn)蛋白質(zhì)、維生素、不飽和脂肪酸、色素、多糖等高附加值產(chǎn)品，且繁殖速度快，戶外大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，微藻吸收CO2一般為200～600mg/（L·d），而小球藻可達(dá)800～1 000mg/（L·d）［3］。本文通過試驗了解鈍頂螺旋藻生命規(guī)律，探索其生長及固碳最優(yōu)生長條件，在吸收高濃度CO2下，同時得到生長速率較高的螺旋藻，為其運用于凈化燃煤工業(yè)廢氣中高濃度CO2碳提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 藻種

鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis），來源于湖北工業(yè)大學(xué)輕工學(xué)部微藻實驗室。

1.2 微藻培養(yǎng)

用自來水配制Zarrouk培養(yǎng)基［4］，戶外自然條件下（湖北工業(yè)大學(xué)輕工學(xué)部樓頂）培養(yǎng)螺旋藻至對數(shù)期接種進行實驗。本研究采用自制光反應(yīng)器，6個圓底透明玻璃瓶（10L，直徑22cm）串聯(lián)，形成相對密閉裝置。利用通氣泵鼓氣將空氣注入各反應(yīng)器底部，使空氣充分與藻液接觸。

圖1 光生物反應(yīng)器

1.3 室外溫度、光照、通氣流量的測定

用溫度計每天定時測量反應(yīng)器內(nèi)外溫度，全天光照強度使用自動在線光照檢測儀每5min自動測定1次，用流量計測量通氣流量。

1.4 生長參數(shù)及pH、NaHCO3含量的測定

收集適量藻液，用560nm紫外分光光度計測量藻細(xì)胞光密度（OD），用膜法測量細(xì)胞干重［5］，甲醇法測量細(xì)胞葉綠素a含量［6］。培養(yǎng)過程中，用德國默克pH試紙測量各反應(yīng)器藻液pH。用雙指示劑中和法［7］測量 NaHCO3濃度。

1.5 二氧化碳濃度的測定及固碳質(zhì)量的計算

每天定時收集每個（0?！?＃）反應(yīng)器出氣口的氣體并測定氣體流量，用GC/MSD測量氣體樣品中CO2含量。

所測得的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)按如下公式轉(zhuǎn)換為CO2質(zhì)量式中:mO2為CO2質(zhì)量，g；w 為CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，10－6；v為空氣泵通氣速率，L/h；Q為每天通氣時間，h；M 為CO2的摩爾質(zhì)量，g/mol；T 為培養(yǎng)天數(shù)，d。

1.6 GC/MS分析

采用安捷倫7890A/5975C氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀，色譜柱為GS-GasPro（30m×0.323mm，專有鍵合硅膠）；載氣 He，純度大于99.999%，恒流2.1 mL/min；柱箱初始溫度為26℃，保持5min，以5℃/min上升到80℃，保持2min，再以4℃/min上升到220℃；進樣口壓力19 443.9Pa，分流比為50∶1，進樣體積為500μL。質(zhì)譜條件:電離方式為EI，70eV；傳輸線溫度280℃；離子源溫度為230℃，四級桿溫度為150℃。利用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CO2氣體所做標(biāo)準(zhǔn)曲線計算樣品中CO2含量。

2 結(jié)果

2.1 戶外條件下鈍頂螺旋藻生長情況

根據(jù)每天定時取樣測量的螺旋藻生長參數(shù)數(shù)據(jù)顯示，1?！?＃反應(yīng)器中藻的生長參數(shù)（OD、干重、葉綠素α）數(shù)值，隨著培養(yǎng)時間的加長均逐漸增加，但相互之間無明顯差別（圖2a、b、c）。在培養(yǎng)過程中，濁度從0.37升至3.93，干重從0.16g/L升至1.88g/L，葉綠素α的含量由2.73mg/L升至21.00mg/L。圖2c表明在培養(yǎng)過程的前7天，各反應(yīng)器中藻液pH均緩慢升高至10.5；第7天后各瓶藻液pH高達(dá)12.5，其中5＃反應(yīng)器上升速率較為明顯。

圖2 螺旋藻OD、干重、葉綠素a、pH隨時間變化

螺旋藻是光合自養(yǎng)生物，即白天吸收CO2進行光合作用生長繁殖。根據(jù)本研究自制光的反應(yīng)裝置設(shè)計，1?！?＃反應(yīng)器中唯一單因素變量為進入各個培養(yǎng)瓶藻液CO2含量的不同（由于1＃～5＃反應(yīng)器串聯(lián)連接，空氣從1＃進氣口進入該反應(yīng)器，其藻液吸收空氣中一部分CO2。該氣體從1＃出氣口進入2＃進氣口；依次類推各反應(yīng)器藻液對空氣中CO2均有不同程度的吸收，導(dǎo)致進入各培養(yǎng)瓶藻液CO2含量不同）。然而螺旋藻的碳源不僅是空氣中的CO2，還有Zarrouk培養(yǎng)基中的NaHCO3，后者含量高達(dá)16.8g/L遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣中 CO2（約0.4%）。螺旋藻對空氣中CO2利用，所占碳的利用量比例小得多，同時此階段培養(yǎng)基中pH低于10（圖2d）［7］，導(dǎo)致各瓶生長無明顯差別。

鈍頂螺旋藻進入生長對數(shù)期后，其藻液pH隨生長而緩慢增加。在第5天后，各反應(yīng)器中培養(yǎng)基不再釋放CO2，由于通入各反應(yīng)器（1?！?＃）的CO2逐漸減少，可能使CO2在降低pH的能力方面逐漸降低，導(dǎo)致5?！?＃pH依次逐漸升高。

2.2 螺旋藻吸收CO2變化

在試驗過程中，每天定時測量各培養(yǎng)瓶出氣口CO2體積分?jǐn)?shù)。由圖3可見，在培養(yǎng)過程的前4天，各培養(yǎng)瓶出氣口CO2的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣中的CO2的量，最大相差14倍。第4天開始，各瓶螺旋藻開始吸收CO2。整個實驗裝置中藻液幾乎能完全固定空氣中的CO2。經(jīng)計算，每個反應(yīng)器藻液固定空氣中40%的CO2。同時接種前期，戶外晴天（溫度約35℃，光照強度約800μmol/（m2·s）從培養(yǎng)基釋放CO2的時間將縮短。

圖3 各反應(yīng)器進出口二氧化碳含量變化

試驗中前4天出氣口CO2濃度高，是因為瓶內(nèi)培養(yǎng)基部分NaHCO3轉(zhuǎn)化為CO2并釋放出來。Zarrouk培養(yǎng)基pH僅為9，在低pH時HCO3－＝CO2＋ OH－的平衡向右移動（占優(yōu)勢）［14］，同時培養(yǎng)前4天螺旋藻正處于適應(yīng)期，光合作用利用CO2的效率有所降低，藻液水溫較高，CO2溶解度大大減小，導(dǎo)致CO2大量釋放。從試驗結(jié)果可知，大量NaHCO3轉(zhuǎn)化為CO2被浪費，大規(guī)模培養(yǎng)將適當(dāng)減少接種培養(yǎng)基的NaHCO3用量，從而降低成本。

2.3 培養(yǎng)基中碳酸氫鈉使用量與剩余量關(guān)系

螺旋藻培養(yǎng)基Zarrouk［4］中，NaHCO3質(zhì)量體積為16.8g/L。圖4柱狀圖中條紋部分為第12d培養(yǎng)基剩余NaHCO3的含量，白色部分為試驗中消耗NaHCO3的量。在戶外培養(yǎng)12天后，經(jīng)滴定法得出1?！?＃培養(yǎng)瓶培養(yǎng)基中剩余NaHCO3約為9.76 g/L，其消耗量僅為接種時的一半。

圖4 碳酸氫鈉剩余量與使用量的關(guān)系

空氣中CO2較燃煤產(chǎn)業(yè)廢氣中CO2濃度小得多。在CO2較低濃度時，一定量的鈍頂螺旋藻可以完全吸收。

在武漢夏季重復(fù)試驗中（特別是戶外溫度達(dá)到約40℃）發(fā)現(xiàn)，試驗后期，5＃藻液pH逐漸升高，可達(dá)13，此時螺旋藻藻絲斷裂，藻液顏色由藍(lán)綠色依次漸變?yōu)樽鼐G色、棕色、橘黃色至藻細(xì)胞徹底死亡。這可能是由于溫度過高藻細(xì)胞中起光合作用的酶活性受到抑制甚至失活，同時培養(yǎng)基中碳酸氫鈉逐漸被消耗，降低了對藻液pH的調(diào)節(jié)作用，而通入的氣體中較少CO2（約0.05%），對pH的調(diào)節(jié)幾乎可以忽略。在戶外溫度較高（約40℃）的條件下，這種現(xiàn)象會依次在5＃、4＃、3＃培養(yǎng)瓶中發(fā)生。

2.4 螺旋藻固定CO2與生物量增長關(guān)系

圖5中黑色條紋柱表示以螺旋藻開始吸收CO2為起始點，收獲時為終點的各瓶螺旋藻平均生物增長量。白色柱表示依然是螺旋藻開始吸收CO2為起始點，收獲時為終點螺旋藻平均固定CO2的量。在整個裝置中1?！?＃藻液增長量的總和即“Total”表示。在試驗過程中，整個光生物反應(yīng)器平均干重增長量可達(dá)0.14g/（L·d）。其中1?！?＃瓶內(nèi)平均生物增長量基本一致，而固定CO2的量逐漸降低，5＃幾乎沒有固定CO2。整個裝置中1?！?＃藻液固定空氣中CO2的總碳量為89mg/（L·d），即固定CO2量為326mg/（L·d）。螺旋藻平均生物增長量是固定氣體碳的量約為7.62倍。

圖5 螺旋藻固定二氧化碳與生物量增長量之間關(guān)系

在螺旋藻生長過程中，各反應(yīng)器中藻細(xì)胞生長幾乎沒有差別。1?！?＃瓶內(nèi)平均生物增長量基本一致。通氣氣體經(jīng)過1?！?＃培養(yǎng)瓶藻液，CO2依次被吸收，進入5＃反應(yīng)器之前，氣體中的CO2已經(jīng)吸收完畢，則其藻液沒有吸收到CO2氣體，導(dǎo)致5＃瓶藻液對空氣中CO2無固定。生物量增長量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體氣體碳量，主要是由于螺旋藻的主要碳源依然是培養(yǎng)基中NaHCO3。

3 結(jié)束語

利用營養(yǎng)豐富、蛋白質(zhì)含量高的鈍頂螺旋藻，研究在密閉條件下CO2固定效率。由于培養(yǎng)基中高濃度的NaHCO3及pH低于10，試驗前期（第0～4天，夏季晴天時時間較短），有大量的CO2從培養(yǎng)基中溢出，之后藻液開始固定空氣中CO2。整個試驗裝置可以將空氣中CO2全部吸收固定，單一反應(yīng)器藻液固定CO2效率為40%。實驗結(jié)果表明，在合適的光生物反應(yīng)器中鈍頂螺旋藻固定CO2效率較高。培養(yǎng)過程中大量NaHCO3轉(zhuǎn)化為CO2溢出被浪費，適當(dāng)減少NaHCO3用量，可降低成本，但導(dǎo)致培養(yǎng)基pH緩沖能力降低，可能影響螺旋藻的生長。該研究得出該自制光生物反應(yīng)器固定CO2為326mg/（L·d），與報道的量200～600mg/（L·d）［5］相符。但本實驗戶外培養(yǎng)比報道研究室內(nèi)培養(yǎng)更具有實際意義。利用微藻處理工業(yè)廢氣、廢水，可釋放大量氧氣，改善空氣質(zhì)量，緩解全球溫室效應(yīng)，獲得高附加值產(chǎn)品，在能源行業(yè)、環(huán)境保護、循環(huán)經(jīng)濟方面都具有重大的意義。在后續(xù)研究中，將加大CO2通入濃度，進一步觀察在高濃度下鈍頂螺旋藻生長情況及固碳效率。

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