內(nèi)置LED光源平板型光生物反應(yīng)器用于微藻培養(yǎng)
——普通小球藻在反應(yīng)器中的固碳產(chǎn)油性能探究

王曰杰，孟范平*，李永富，崔鴻武（.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 6600；.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 6607）

內(nèi)置LED光源平板型光生物反應(yīng)器用于微藻培養(yǎng)
——普通小球藻在反應(yīng)器中的固碳產(chǎn)油性能探究

王曰杰1，孟范平1*，李永富2，崔鴻武1（1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071）

為降低光生物反應(yīng)器（PBR）的光照能耗和提高微藻對(duì)光能的利用效率，自制了內(nèi)置LED光源的平板型光生物反應(yīng)器，用于綠藻普通小球藻（Chlorella vulgaris）的培養(yǎng)和CO2生物固定.評(píng)價(jià)了這種新型反應(yīng)器的進(jìn)氣CO2濃度對(duì)生物質(zhì)產(chǎn)率（BP）、CO2固定速率（FCO2）和油脂產(chǎn)率（LP）的影響.經(jīng)過(guò)10d連續(xù)培養(yǎng)后，與通入空氣的對(duì)照組相比，濃度1%～10%的CO2均明顯促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，BP ［0.258和0.263g/（L·d）］、最大FCO2［1.18、1.00gCO2/（L·d）］和指數(shù)生長(zhǎng)期平均FCO2［0.57、0.62gCO2/（L·d）］的高值均出現(xiàn)在CO21%、2.5%處理組中.較高濃度（5%、10%）CO2在培養(yǎng)初期造成酸化現(xiàn)象，導(dǎo)致藻細(xì)胞密度和生物量較低.CO2濃度變化對(duì)微藻總脂含量（17.81%～23.13%）影響較小，以CO22.5%條件下得到微藻油脂產(chǎn)率最大［60.71mg/（L·d）］.本研究證明，所設(shè)計(jì)的平板型PBR能夠高效培養(yǎng)用于CO2固定和生物柴油原料生產(chǎn)的微藻.

普通小球藻；光生物反應(yīng)器；CO2；生物量；油脂產(chǎn)率

近幾十年來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致大氣中CO2濃度不斷增加［1］，由此帶來(lái)的全球變暖問(wèn)題大大促進(jìn)了CO2減排技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用.微藻具有光合速率高、繁殖速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此基于微藻的CO2生物固定成為最具潛力的減排技術(shù)，其中，小球藻屬的微藻因生長(zhǎng)速度快［2］、逆境耐受性強(qiáng)［3］、總脂含量高［4］等特性而成為生物固碳研究中常用的藻種.研究發(fā)現(xiàn)［5］，普通小球藻（Chlorella vulgaris）對(duì)高溫（35℃）和酸性條件（pH 4）都具有較強(qiáng)耐受性，因此本研究將其作為研究對(duì)象.

微藻培養(yǎng)常用設(shè)備包括開(kāi)放式藻塘和密閉式光生物反應(yīng)器（PBRs）兩類(lèi).后者的優(yōu)點(diǎn)是培養(yǎng)條件可控，可無(wú)菌操作，易進(jìn)行高密度培養(yǎng)，因而成為今后的發(fā)展方向.其中，平板型PBR （F-PBR）因占地面積小、氣液傳質(zhì)效果好、氧氣積累少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于放大、造價(jià)較低、容易清洗等優(yōu)勢(shì)［6］受到更多關(guān)注.然而，培養(yǎng)耗費(fèi)高、光能利用率低等問(wèn)題仍是大規(guī)模微藻培養(yǎng)和CO2固定的制約因素.采用人工光源的PBRs運(yùn)行期間的能量消耗包括藻液照光以及藻液混合、CO2供應(yīng)兩方面，且前者明顯高于后者.在入射光能和藻種一定的情況下，增加單位體積的照光面積和縮短光程能夠明顯提高光能向生物質(zhì)轉(zhuǎn)換的效率［7］.目前F-PBR等密閉式光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中一般使用熒光燈管作為光源［8］，雖然也有學(xué)者將熒光燈設(shè)置在PBR兩側(cè)，但是只能增大照光面積而無(wú)法縮短光程，致使光能損失較大.發(fā)光二極管（LED）具有節(jié)能、可自動(dòng)控制和多樣化集成的特點(diǎn)［9］，其中，柔性彩色LED燈帶防水性好、幾乎可以任意角度彎曲，特別適于作為PBR的光源.本研究將LED燈帶引入氣升式內(nèi)環(huán)流平板型光生物反應(yīng)器中，并采用雙側(cè)光照模式，設(shè)計(jì)了內(nèi)置LED光源—?dú)馍h(huán)流式F-PBR，進(jìn)行普通小球藻培養(yǎng)，期間持續(xù)通入不同體積濃度的CO2，以評(píng)價(jià)普通小球藻在該P(yáng)BR中的生長(zhǎng)、生物質(zhì)產(chǎn)率、固碳速率和油脂產(chǎn)率，為將這種PBR實(shí)際應(yīng)用于生物固碳提供科學(xué)依據(jù).

1 材料、儀器與方法

1.1 材料

普通小球藻（C. vulgaris）:購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所.為綠藻門(mén)淡水藻種.細(xì)胞多為球形、橢圓形，營(yíng)無(wú)性繁殖.

實(shí)驗(yàn)采用SE培養(yǎng)基，每升蒸餾水中含有以下成分:250mg NaNO3、75mg K2HPO4、75mg MgSO4·7H2O、25mg CaCl2·2H2O、175mg KH2PO4、25mg NaCl、5mg FeCl3·6H2O、2.86mg H3BO3、1.86mg MnCl2·4H2O、0.22mg ZnSO4·7H2O、0.39mg Na2MoO4·2H2O、0.08mg CuSO4·5H2O、0.05mg Co（NO3）2·6H2O、1mL EDTA·Fe （將0.901g FeCl3·6H2O溶于10mL的1moL/L稀鹽酸中，再與10mL 0.1mol/L的EDTA-Na2溶液混合，加入蒸餾水稀釋至1L ）、40mL土壤提取液（將200g避光晾干的未施肥花園土溶于1L去離子水中，水浴煮沸3h，冷卻沉淀24h，重復(fù)煮沸3次.過(guò)濾取上清液，高壓滅菌后4℃冷藏保存?zhèn)溆茫?培養(yǎng)基在使用前于120℃下滅菌20min.

CO2氣體:體積濃度分別為0.04%， 1%， 2.5%，5%， 10%，由青島市瑞豐氣體有限公司生產(chǎn)，裝于40L高壓鋼瓶?jī)?nèi).

1.2 儀器

3415F型光量子計(jì)（美國(guó)Spectrum公司）；T6型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；CXZ型智能光照培養(yǎng)箱（寧波江南儀器廠）；LDZX-50KBS型高壓蒸汽滅菌鍋（上海申安醫(yī)療器械廠）；SX716型溶解氧測(cè)量?jī)x（極譜型DO電極，上海三信儀表廠）；PHB-4型 pH計(jì)（上海精密科學(xué)儀器廠）；XB-K-25型血球計(jì)數(shù)板（Nikon公司）；Freezone2.5L型真空冷凍干燥機(jī)（美國(guó)Labconco公司）；GM-0.33A型隔膜真空泵（天津津騰）；DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；JY92-II型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（寧波新芝生物科技股份有限公司）.

光生物反應(yīng)器:自制，內(nèi)置LED光源的氣升環(huán)流式平板PBR.器壁材質(zhì)為透明亞克力板材，降流區(qū)與升流區(qū)橫截面積比為4.0；總體積3.8L，有效體積3.0L.詳見(jiàn)圖1.根據(jù)Rodolfi等［8］利用20L平板式PBR培養(yǎng)微綠球藻（Nannochloropsis sp. F&M-M24）的研究結(jié)論（在總光強(qiáng)保持不變時(shí)，雙側(cè)照光下的生物質(zhì)產(chǎn)率高于單側(cè)高光照），本研究將兩條LED燈帶并排均勻地纏繞在導(dǎo)流管上，提供持續(xù)的雙側(cè)光照，平均光強(qiáng)為120 μmol/（m2·s）.反應(yīng)器的平板式結(jié)構(gòu)保證了良好的氣液傳質(zhì)水平［10］，有利于提高CO2利用率.來(lái)自鋼瓶的CO2氣體由位于底部的氣體分散器進(jìn)入PBR中，這種氣升式曝氣系統(tǒng)能提供均質(zhì)反應(yīng)環(huán)境，即:以氣體為動(dòng)力，通過(guò)導(dǎo)流管的引導(dǎo)，形成氣液相的有序循環(huán)，增強(qiáng)氣液混合效果，有利于微藻分布均勻，并防止反應(yīng)器中氧氣過(guò)量積累.反應(yīng)器置于帶溫控器的自制反應(yīng)區(qū)內(nèi)，以維持溫度恒定.

圖1 自制平板式光生物反應(yīng)器Fig.1 Diagrammatic sketch of the flat-plate photobioreactor proposed in this study

1.3 方法

1.3.1 反應(yīng)器中微藻培養(yǎng) 將微藻接種到裝有足量培養(yǎng)基的三角瓶中，在溫度25℃、光強(qiáng)100μmol/（m2·s）、光照時(shí)間24h/d的條件下培養(yǎng)，每天搖瓶3次，培養(yǎng)至指數(shù)生長(zhǎng)期.然后，將處于指數(shù)生長(zhǎng)期的微藻接種于上述PBR中，接種密度為2×106cells/mL.根據(jù)在碘量瓶中進(jìn)行的預(yù)實(shí)驗(yàn)（暗處測(cè)定呼吸耗氧速率，持續(xù)光照下測(cè)定凈光合放氧速率），當(dāng)采用來(lái)自L(fǎng)ED的3種光質(zhì)（紅光LR、藍(lán)光LW和白光LW）照射處于指數(shù)生長(zhǎng)期的藻細(xì)胞時(shí)，得到光強(qiáng)20～120μmol/（m2·s）對(duì)應(yīng)的總光合放氧速率P（凈光合放氧速率與呼吸耗氧速率之和），由光合放氧曲線(xiàn)（P-I曲線(xiàn)）計(jì)算的最大光合作用速率以L(fǎng)W最高.因此，本研究以白色LED燈帶作為光源，溫度為25℃.期間，不同濃度（1%、2.5%、5%、10%，V/V）的CO2氣體經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后，以0.1vvm［單位時(shí)間（min）內(nèi)每升藻液中通入的氣體體積（L）］的流量通入PBR中.運(yùn)行過(guò)程中，定時(shí)取樣測(cè)定藻細(xì)胞密度、藻生物量、藻液pH值；培養(yǎng)結(jié)束時(shí)測(cè)定微藻的總脂含量.以通入空氣（CO20.04%，V/V）的PBR中生長(zhǎng)的微藻為對(duì)照.

1.3.2 藻細(xì)胞密度和pH值測(cè)定 藻培養(yǎng)液經(jīng)適當(dāng)稀釋后，用血球計(jì)數(shù)板在顯微鏡下計(jì)數(shù)，并根據(jù)稀釋倍數(shù)計(jì)算得到藻細(xì)胞密度，單位為cells/mL.藻液pH值采用 pH計(jì)測(cè)定.

1.3.3 藻生物量測(cè)定和生物質(zhì)產(chǎn)率、固碳速率計(jì)算 藻生物量（D）采用細(xì)胞干重法［11］測(cè)定:將10mL藻液在1000g、4℃下離心10min，用蒸餾水沖洗藻泥2次，冷凍干燥，儲(chǔ)存在干燥箱中.根據(jù)重量法測(cè)定結(jié)果計(jì)算藻生物量，單位為g （干重）/L.生物質(zhì)產(chǎn)率（BP）和微藻固碳速率（FCO2）分別按式（1）、式（2）計(jì)算:

式中:D1、D2分別為培養(yǎng)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的藻生物量，g/L；t為培養(yǎng)時(shí)間，d； η為微藻生物質(zhì)的含碳量，%，經(jīng)測(cè)定，普通小球藻的碳含量為47.16%；MCO2為CO2分子量，44；MC為C的原子量，12.

1.3.4 微藻油脂含量測(cè)定和油脂產(chǎn)率計(jì)算 微藻總脂含量（ω）采用氯仿-甲醇法［12］測(cè)定:在具塞離心管中加入冷凍干燥后的藻粉0.1g及蒸餾水、氯仿、甲醇（體積比2:2.5:5）混合液7.6mL，漩渦混合1min后，冰浴中超聲破碎2min（功率700W，間隔5s、工作5s），再加入1mL氯仿和1mL蒸餾水，漩渦混合1min，靜置10min，5000r/min離心10min，將有機(jī)相轉(zhuǎn)移到已稱(chēng)重的燒杯中.再向原試管中加入2mL氯仿，按前述方法提取2次，有機(jī)相均合并到燒杯中，用高純N2吹至恒重.按式（3）計(jì)算總脂含量:

式中:ω為總脂的百分含量，%； W0為藻粉干重，g；W1為粗脂重，g.

油脂產(chǎn)率（LP）按式（4）計(jì)算:

式中:LP為油脂產(chǎn)率，g（L·d）；D1、D2為培養(yǎng)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的藻生物量，g/L；ω為微藻的總脂含量，%.

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2濃度對(duì)普通小球藻生長(zhǎng)的影響

不同濃度CO2通入PBR后的微藻生長(zhǎng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2（A）.各處理組的微藻生長(zhǎng)延滯期相差不大，但是，指數(shù)生長(zhǎng)期卻因CO2濃度的不同而有很大差異:通入空氣后，普通小球藻的指數(shù)生長(zhǎng)期只有3d（2～5d），隨后進(jìn)入平臺(tái)期，最大藻細(xì)胞密度為25.46×106cells/mL；高濃度CO2的通入均造成普通小球藻的指數(shù)生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，CO2濃度1%、2.5%、5%、10%的處理組對(duì)應(yīng)的指數(shù)生長(zhǎng)期分別達(dá)到6、5、8、5d；相應(yīng)的藻細(xì)胞密度最高值（90.73×106、78.58×106、65.39×106、47.15× 106cells/mL）分別出現(xiàn)在培養(yǎng)9、7、10、10d后，為對(duì)照組的3.56倍、3.09倍、2.57倍、1.85倍.可見(jiàn)，4種高濃度CO2處理均能明顯促進(jìn)普通小球藻生長(zhǎng)（最適宜的CO2濃度在1%～2.5%），雖然10% CO2處理組的微藻在培養(yǎng)初期（3～6d）受到一定抑制而生長(zhǎng)緩慢，但是培養(yǎng)后期的藻細(xì)胞密度明顯高于對(duì)照組.Miyachi等［13］研究提出，能夠耐受濃度2%～5%、5%～20%、20%～100% CO2的微藻分別屬于耐性高、非常高和極高的藻種.從這一點(diǎn)看，本研究所用的普通小球藻屬于CO2耐受性非常高的藻種.Yun等［14］發(fā)現(xiàn)，藻液在通入含15% CO2的空氣后，普通小球藻（C. vulgaris）生長(zhǎng)受到一定抑制，而在5% CO2中生長(zhǎng)最快.根據(jù)De Morais等［15］的研究，凱氏小球藻（C. kessleri）對(duì)濃度18%的CO2表現(xiàn)出良好耐受性.還有研究［16］指出，普通小球藻（C. vulgaris NIES-2173）藻株能夠在15-50%的CO2下生長(zhǎng).不同藻株對(duì)高濃度CO2的耐受性存在差異，可能與研究所用藻株、培養(yǎng)基種類(lèi)不同有關(guān).

由圖2（B）可見(jiàn)，無(wú)論對(duì)照組還是高CO2處理組，藻液的pH值隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)總體呈上升趨勢(shì)，并在8d后達(dá)到最高，分別為9.11（對(duì)照組）、8.93（1% CO2）、8.92 （2.5% CO2）、7.83 （5% CO2）、8.02（10% CO2）.這種變化同樣見(jiàn)于Vidyashankar等［17］利用聚乙烯制備的PBR培養(yǎng)二形柵藻（Scenedesmus dimorphus）的研究中:在通入高濃度（5%～15%） CO2培養(yǎng)期間，藻液pH值在10.5～9.78之間，而且CO2濃度越低，藻液pH值越接近于對(duì)照組（pH 10.47）水平.出現(xiàn)這種堿化現(xiàn)象的原因是，水體中溶解性無(wú)機(jī)碳存在形式為，而微藻培養(yǎng)基的初始pH值多在6.0～8.0，其中的無(wú)機(jī)碳存在形態(tài)以為主，因此微藻光合過(guò)程中主要利用.各種形式的無(wú)機(jī)碳之間存在以下動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，當(dāng)體系中的因微藻利用而減少時(shí)，反應(yīng)平衡將自?xún)蛇呄蛑虚g移動(dòng)，引起溶液pH值上升，如果此時(shí)有足夠的外部CO2予以補(bǔ)充，pH升高幅度會(huì)得到減緩.圖2（B）顯示，與通入空氣的對(duì)照組相比，4種高CO2處理對(duì)于堿化作用具有一定減緩效果，其中5%、10% CO2處理組較為明顯.但是，兩者也引起了培養(yǎng)初期的酸化（pH值小于5.5）. pH值可顯著影響微藻的生長(zhǎng)和光合作用［18］，文獻(xiàn)［16］報(bào)道，普通小球藻生長(zhǎng)的最適pH值為7.0，過(guò)低或過(guò)高的pH值均不利于微藻正常生長(zhǎng).因此，雖然CO2可作為微藻生長(zhǎng)的碳源，但是，只有處于適宜濃度范圍的CO2才能有效促進(jìn)微藻生長(zhǎng).對(duì)照組pH值自第5d開(kāi)始高于8.0，第8d則高于9.0.根據(jù)趙亞麗等［19］的研究，pH 9.0是形成磷酸鈣沉淀的適宜反應(yīng)條件.其他研究［20］也指出，高pH值環(huán)境以及通入空氣的藻液能夠促進(jìn)磷酸鈣形成.本研究所用SE培養(yǎng)基中含有Ca2+、，當(dāng)對(duì)照組出現(xiàn)較高堿性時(shí)，這些營(yíng)養(yǎng)成分將轉(zhuǎn)化為沉淀物而無(wú)法被微藻利用，這可能是微藻在第5d即停止生長(zhǎng)的主要原因.另一方面，5%、10% CO2處理組在培養(yǎng)初期的pH值較低，相應(yīng)的，其生長(zhǎng)速率小于CO21%、2.5%處理組，主要是因?yàn)楣夂献饔玫年P(guān)鍵酶（核酮糖-1，5-二磷酸羧化/加氧酶Rubisco和藻細(xì)胞外碳酸酐酶CA）活性受到pH影響.Rubisco具有催化羧化和催化氧化兩種功能，在補(bǔ)充CO2且經(jīng)CCM （即CO2濃縮機(jī)制，需要CA的參與）轉(zhuǎn)運(yùn)后，Rubisco活性位點(diǎn)處的CO2濃度得以提高［13］，其羧化活性增強(qiáng)而氧化活性受到抑制，有利于光合作用進(jìn)行；但當(dāng)CO2濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)引起培養(yǎng)基酸化和葉綠體基質(zhì)酸化，抑制關(guān)鍵酶的活性，即產(chǎn)生所謂的“麻醉”作用，降低藻類(lèi)光合作用水平［21］.

圖2 普通小球藻在不同濃度CO2下的生長(zhǎng)曲線(xiàn)（A）和pH值變化曲線(xiàn)（B）Fig.2 Growth curve （A） of C. vulgaris under different concentration of CO2and variation of pH （B） in cultures

2.2 CO2濃度對(duì)普通小球藻生物質(zhì)合成和固碳性能的影響

在通氣流量0.1vvm條件下，對(duì)照組和高CO2處理組的普通小球藻生物量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化見(jiàn)圖3:指數(shù)生長(zhǎng)期結(jié)束時(shí)，以1% CO2、2.5% CO2處理組的生物量最大（2.42、2.20g/L），分別比對(duì)照組（0.73g/L）增加232%和201%.培養(yǎng)期間的BP最大值［0.258、0.263g/（L·d）］也出現(xiàn)在這兩個(gè)處理組中（表1）.由于培養(yǎng)初期存在酸化現(xiàn)象，10% CO2處理組的BP值處于較低水平［0.115g/（L·d）］，僅略高于對(duì)照組［0.105g/（L·d）］.本研究在1%、2.5%CO2下獲得的生物量和BP值與Ryu等［22］在鼓泡柱中采用批次方式培養(yǎng)小球藻（Chlorella sp.）的研究結(jié)果相當(dāng):在5%CO2和0.1vvm條件下生長(zhǎng)最快，最大生物量和BP值分別為2.02g/L和0.335g/（L·d）.相反，有些研究者采用其他類(lèi)型反應(yīng)器或裝置進(jìn)行小球藻屬微藻培養(yǎng)所得到的生物量相對(duì)較低.Fan等［23］采用容積2L的膜-鼓泡式螺旋管狀PBR（MSTR）培養(yǎng)普通小球藻以去除CO2，在溫度25℃、光強(qiáng)3600lx和CO2濃度0.093%的條件下，當(dāng)進(jìn)氣流量為3.60L/min （相當(dāng)于1.8vvm）時(shí)，最大藻生物量為0.90g/L，僅為本研究在2.5% CO2下生物量的37%.Tang等［24］利用1L錐形瓶培養(yǎng)蛋白核小球藻（C. pyrenoidosa SJTU-2）藻株，在5%～30% CO2下生長(zhǎng)良好，最大生物量（1.55g/L）和生物質(zhì)產(chǎn)率［0.144g/（L·d）］出現(xiàn)在10%CO2下，分別約為本研究在2.5% CO2下相應(yīng)測(cè)定值的70%和55%.Lam等［28］在有效容積5L的鼓泡式柱狀PBR中培養(yǎng)普通小球藻，光強(qiáng)為60～70μmol/（m2·s），連續(xù)通入CO2濃度5%的混合氣體，培養(yǎng)10d后的藻生物量和BP值分別僅為0.77g/L和0.073g/（L·d）.針對(duì)鼓泡柱狀PBR中普通小球藻的生物量和固碳速率較低問(wèn)題，Lam等［25］將5個(gè)同樣的PBR進(jìn)行串聯(lián)，在同樣培養(yǎng)條件下所得到的藻生物量比單級(jí)PBR增加5倍，總CO2去除率也由1.5%明顯提高到7.5%，表明CO2在第一級(jí)PBR的培養(yǎng)基中溶解量非常低，未被溶解的那些CO2可被隨后的PBR中微藻繼續(xù)利用，使總生物量產(chǎn)出增加，這意味著通過(guò)進(jìn)一步增加PBR的串聯(lián)數(shù)量，CO2去除率可達(dá)到100%，同時(shí)獲得大量藻生物質(zhì)用于生物柴油生產(chǎn).這為今后改進(jìn)本研究所用的PBR以提高其生物量和固碳效果提供了借鑒.

根據(jù)式（1）計(jì)算不同濃度CO2下的微藻最大固碳速率以及指數(shù)生長(zhǎng)期平均固碳速率，見(jiàn)表1.兩者的高值［1.18、1.00gCO2/（L·d）； 0.57、0.62gCO2/（L·d）］也出現(xiàn)在CO21%、2.5%處理組中.De Morais［26］認(rèn)為，密閉式PBR對(duì)CO2的去除效率取決于微藻種類(lèi)、反應(yīng)器類(lèi)型和進(jìn)氣中CO2濃度.

圖3 通入空氣和不同濃度CO2后普通小球藻生物量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.3 Variations of biomass with growth time in the cultures of C. vulgaris under conditions with air and various concentrations of CO2

由表2可見(jiàn)，雖然文獻(xiàn)采用了普通小球藻或其同屬的微藻進(jìn)行研究，但是，由于PBR類(lèi)型不同，所得到的最大固碳速率存在差異，這是因?yàn)?，不同?lèi)型PBR中的氣液傳質(zhì)效率、光捕獲效率和混合效率有所差異［27］.與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果相比，本研究設(shè)計(jì)的內(nèi)置LED光源的平板式PBR中普通小球藻具有較好固碳性能，與Kumar等［28］采用氣升鼓泡式柱狀PBR培養(yǎng)小球藻的結(jié)果相當(dāng).Fan等［23］報(bào)道，利用有效容積800mL的膜-鼓泡式螺旋管狀PBR培養(yǎng)普通小球藻，固碳速率為0.148gCO2/（L·h） ［即3.55gCO2/（L·d）］，但是這種高固碳效果是在進(jìn)氣CO2濃度為0.093%的條件下獲得的，該濃度比工業(yè)煙氣中的CO2濃度（10%～20%）低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此其實(shí)際應(yīng)用效果難以判斷.另一個(gè)高固碳數(shù)據(jù)［2.22gCO2/（L·d）］來(lái)自Anjos等［29］在6.5% CO2、0.5vvm下對(duì)普通小球藻P12藻株培養(yǎng)7d的研究結(jié)果，應(yīng)當(dāng)指出的是，高通氣流量需要消耗較多能量，同時(shí)，由于CO2在水中的溶解度較?。?5℃、1.03×105Pa下約為1.45g/L）［30］，較大的通氣流速將會(huì)減少氣泡在PBR中的滯留時(shí)間，導(dǎo)致大多數(shù)CO2在未溶于水和被微藻利用之前就釋放到PBR之外［31］.

表1 普通小球藻的生物質(zhì)產(chǎn)率和固碳速率Table 1 Biomass productivity （BP） and rate of carbon fixation （FCO2） of C. vulgaris under different concentrations of CO2

表2 在通入CO2的PBR中小球藻的固碳速率比較Table 2 Comparison of rates of carbon fixation by Chlorella sp. cultured in PBRs aerated with different concentrationsof CO2

2.3 CO2濃度對(duì)普通小球藻總脂含量及油脂產(chǎn)率的影響

微藻產(chǎn)品的油脂產(chǎn)率決定著其適于制備藻基生物柴油的可行性.油脂產(chǎn)率的高低由微藻的生物質(zhì)產(chǎn)率和總脂含量?jī)煞矫鏇Q定.本研究所設(shè)計(jì)的PBR中，普通小球藻在不同濃度CO2下培養(yǎng)10d后的ω值及LP統(tǒng)計(jì)于表3. ω值隨CO2濃度增加呈先升后降趨勢(shì)，以2.5% CO2、5% CO2處理組的微藻ω值最大（23.13%、22.79%），兩者之間無(wú)顯著差異，但顯著高于對(duì)照組和其他CO2處理組. CO2濃度增加引起的微藻總脂含量變化幅度不大（＜6%）.這與文獻(xiàn)報(bào)道相似:鼓泡式柱狀PBR中普通小球藻的ω值未隨著CO2濃度上升而出現(xiàn)顯著變化，保持在18.1～18.7%［25］；蛋白核小球藻（C. pyrenoidosa STJU-2）藻株的ω值由0.03% CO2下的20.9%逐漸增加到10% CO2下的24.25%、20% CO2下的25.48%和50% CO2下的26.75%［24］；擬眼點(diǎn)微綠球藻（Nannichloropsis oculata）半連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中，通入濃度2%、5%、10%、15%CO2時(shí)，ω值分別為29.7%、26.2%、24.6%、22.7%［32］.這是因?yàn)椋艘灾拘问奖４嫠潭ǖ奶纪?，微藻還能將吸收的碳儲(chǔ)存于蛋白質(zhì)、糖類(lèi)和色素中，在高CO2濃度下，微藻固定的CO2中有更大比例轉(zhuǎn)化為脂肪以外的有機(jī)物質(zhì)［33］.由此看來(lái)，在PBR中，CO2濃度對(duì)微藻總脂含量的調(diào)控作用小于其對(duì)光合及生物量的調(diào)控幅度，因此，期望通過(guò)增加CO2濃度以大幅度提高微藻油脂含量的可能性不大.在這種情況下，油脂產(chǎn)率高低主要取決于生物質(zhì)產(chǎn)率，表3中的LP計(jì)算值、表1中的平均BP值隨CO2濃度變化的高低順序可證明這一點(diǎn).在研究所設(shè)置的CO2濃度范圍內(nèi)，最大LP值［60.71mg/（L·d）］出現(xiàn)在CO2濃度2.5%處理組中，主要是由該濃度CO2下的生物質(zhì)產(chǎn)率最高所致.該數(shù)值為大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的普通小球藻油脂產(chǎn)率［8～14.8mg/ （L·d）］的4.1～7.6倍，只是低于Huang等［16］采用30% CO2培養(yǎng)普通小球藻NIES-2173藻株的測(cè)定值.這是因?yàn)?，本研究所用普通小球藻自身的總脂含量較低（表4）.今后的研究中，在利用內(nèi)置LED光源的平板式PBR培養(yǎng)微藻的同時(shí)，采用NO3-濃度適宜的培養(yǎng)基（即氮限制的培養(yǎng)基）使微藻油脂含量提高10%以上［34］，則PBR中普通小球藻的油脂產(chǎn)率將會(huì)得到進(jìn)一步增加.

3 結(jié)論

3.1 利用內(nèi)置LED光源的平板式PBR培養(yǎng)普通小球藻，與通入空氣的對(duì)照組相比，濃度1%～10%的CO2均明顯促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，最適CO2濃度為1%～2.5%.較高濃度（5%、10%）CO2引起培養(yǎng)初期的酸化現(xiàn)象，導(dǎo)致藻細(xì)胞密度和生物量較低.

表3 普通小球藻在不同濃度CO2中的總脂含量及油脂產(chǎn)率Table 3 Total content and production efficiency of lipid within cells of C. vulgaris under different concentrations of CO2

表4 不同濃度CO2培養(yǎng)條件下小球藻的油脂含量和油脂產(chǎn)率比較Table 4 Comparison of total content and production efficiency of lipid within cells of Chlorella sp. aerated with different concentrations of CO2

3.2 培養(yǎng)期間，微藻最大固碳速率及指數(shù)生長(zhǎng)期平均固碳速率的高值［1.18、1.00gCO2/（L·d）；0.57、0.62gCO2/（L·d）］出現(xiàn)在CO21%、2.5%處理組中.

3.3 微藻總脂含量隨CO2濃度增加呈先升后降趨勢(shì)，在CO22.5%條件下得到總脂含量、油脂產(chǎn)率的最大值［23.13%、60.71mg/（L·d）］.

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Internally LED-illuminated flat plate photobioreactor for microalgae cultivation-carbon-fixation and production of lipid in Chlorella vulgaris cultured in photobioreactor.

WANG Yue-jie1， MENG Fan-ping1*， LI Yong-fu2， CUI Hong-wu1（1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology， Ministry of Education， Ocean University of China，Qingdao 266100， China；2.Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences， Qingdao 266071， China）. China Environmental Science， 2015，55（5）：1526～1534

s：In order to improve the utilization efficiency of light by microalgae within a photobioreactor （PBR）， an internally LED-illuminated flat plate PBR with volume of 3L was constructed and used for Chlorophyta （Chlorella vulgaris） in this study. Effects of the concentration of inlet CO2on the biomass production （BP）， fixation efficiency of carbon （FCO2） and the production of lipid （LP） were evaluated. Biomass of microalgae in each treatment with concentration of CO2ranging from 1% to 10% was higher than that of control with air （0.04% CO2） aeration in the cultures after 10-days growth. High levels of BP ［0.258 and 0.263g/（L·d）］， FCO2［1.18 and 1.00gCO2/（L·d）］and average FCO2［0.57 and 0.62gCO2/（L·d）］during the exponential growth stage were obtained under the concentration of CO2at 1% and 2.5%， respectively. The cell density and biomass of microalgae were inhibited by the higher concentrations of CO2（5% and 10%） during the initial growth stage because of acidification in cultures. Significant effects of CO2concentrations on the production of lipid （17.81% ～ 23.13%） were not found here. The highest productivity of lipid ［60.71mg/（L·d）］was obtained under the concentration of CO2at 2.5%. The present results suggested that the PBR used here was useful to improve CO2biofixation and the production of lipid of microalgae.

Chlorella vulgaris；photobioreactor；carbon dioxide；biomass；production of lipid

X17

A

1000-6923 （2015）05-1526-09

王曰杰（1990-），男，山東高唐人，碩士研究生，主要從事環(huán)境污染生物凈化技術(shù)研究.

2014-09-18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAD14B04）資助

* 責(zé)任作者， 教授， fanpingm@tom.com