固氮藍藻在環(huán)境保護中的應(yīng)用研究進展

周伊薇， 馮世偉， 張定煌， 盧玉真， 黎華壽， 賀鴻志①

(1.農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室/ 華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院， 廣東 廣州 510642； 2.中山市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測研究所， 廣東 中山 528401)

藍藻又稱藍細菌,是地球上最早出現(xiàn)的一類能進行光合作用的原核微生物。固氮藍藻是具有固氮能力的藍藻的總稱,其中典型的絲狀種類可以分化出異形胞將大氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為氮化物以支持生長[1]。已知的固氮藍藻有200多種,其中絕大多數(shù)隸屬于藍藻門下段殖體藻綱中的不同目科屬[1-2]。絕大多數(shù)屬于念珠藻目中的種類,如念珠藻(Nostoc)、魚腥藻(Anabaena)、單岐藻(Tolypothrix)、項圈藻(Anabaenopsis)和眉藻(Calothrix)等,同時,色球藻目和真枝藻目的一些種類也有固氮能力[1-2]。固氮藍藻具有極強的生態(tài)適應(yīng)能力,可在許多生境中以游離態(tài)存在或與某些生物形成共生體,是熱帶亞熱帶地區(qū)重要的微生物資源[1-2]。雖然其中的部分種類可以在富營養(yǎng)化水體中形成水華或赤潮,且部分種類產(chǎn)生毒素,對生態(tài)環(huán)境造成了一定的負面影響[3]。但近年來國內(nèi)外研究表明固氮藍藻在生物肥料、生物農(nóng)藥、新藥物、新能源、新材料和污染修復等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。固氮藍藻具有比表面積大、抗逆性強和生長繁殖速度快等優(yōu)點,可在大氣、水體、土壤和固體廢棄物污染等的防治方面發(fā)揮重要作用[3-4]。固氮藍藻的一些藻株已被證明具有生產(chǎn)環(huán)保生物材料和生物能源的潛力[3-4]。因此,相關(guān)研究具有重要的理論和應(yīng)用價值,國外相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展迅速,但國內(nèi)在多數(shù)方向的研究和應(yīng)用方面還比較滯后。

1 污染物處理

1.1 含氮磷污水處理

微藻具有超強的營養(yǎng)吸收和生物質(zhì)生產(chǎn)能力,近年來受到廣泛關(guān)注,利用固氮藍藻處理含氮磷污水已有不少報道,很多已經(jīng)達到可以實際應(yīng)用的水平。一般采取多種藻類聯(lián)合接種形成藻聯(lián)合體或藻柵進行污水處理,如RENUKA等[5]評估了3種微藻聯(lián)合體的污水處理能力后,發(fā)現(xiàn)本地絲狀藻(4種固氮藍藻和1種綠藻)形成的藻聯(lián)合體具有最高的N去除速率(90%)和PO43--P去除率(97.8%)。RAY等[6]研究發(fā)現(xiàn)利用10個藻株構(gòu)建的實驗規(guī)模藻柵可以利用牡蠣養(yǎng)殖設(shè)施中的無機養(yǎng)分廢物,TN和TP平均去除速率分別為12.2和0.25 g·m-2·d-1,640 m2的藻柵系統(tǒng)即可以修復該養(yǎng)殖場排放的所有氮,這種規(guī)模在夏季的生長季可去除7.8 kg N和151.6 g P。MUKHERJEE等[7]發(fā)現(xiàn)包括鞘絲藻(Lyngbyasp.) KF644563和席藻(Phormidiumsp.) KU740239在內(nèi)的6種微藻形成的藻聯(lián)合體可以處理蒸米廠產(chǎn)生的高度污染廢水。處理2 d后P和NH4+-N去除率分別達93.9%和100%,BOD、COD和懸浮物分別降低98.7%、91.6%和93.5%,且席藻可聚集形成絲狀便于收獲。TSOLCHA等[8]研究發(fā)現(xiàn)來自葡萄干和葡萄酒產(chǎn)業(yè)污水可以分別單獨用作以細鞘絲藻(Leptolyngbyasp.)為主的微藻聯(lián)合體的生長基質(zhì),可以獲得令人滿意的COD去除效果。該藻對來自葡萄干和葡萄酒產(chǎn)業(yè)混合廢水的COD、TN和TP去除率分別為92.8%、78.1%和99%。李曉敏等[9]研究發(fā)現(xiàn)水華束絲藻(Aphanizomenonflosaquae)對模擬污水中PO43--P和NH4+-N的最高去除率分別達98%和52%。

1.2 重金屬和砷污染處理

1.2.1重金屬去除

就利用藻修復重金屬污染環(huán)境而言,從重金屬含量高的礦區(qū)分離篩選修復藻株是通常的做法。HAZARIKA等[14]研究發(fā)現(xiàn)從礦區(qū)分離的灰色念珠藻(Nostocmuscorum)對初始質(zhì)量濃度為5 mg·L-1的Pb2+、Cu2+、Cd2+和Zn2+去除率分別為98%、87.8%、82%和67.2%(分別單獨處理時)。去除機制可能為重金屬離子先結(jié)合于藻細胞表面,再被緩慢吸收。ROY等[15]研究發(fā)現(xiàn)在金屬離子共存條件下培養(yǎng)60 h后,Pb2+、Cu2+、Cd2+和Zn2+去除率分別為96.3%、96.42%、80.04%和71.3%,Zn2+和Pb2+強烈抑制Cu2+和Cd2+的去除,而Pb2+強烈抑制對其他金屬離子的去除,這可能與其較小的水化離子半徑有關(guān)。GOSWAMI等[16]從煤礦坑中分離的灰色念珠藻處理24 h后其對Zn2+和Cu2+的去除率分別為66%和71%。該過程的主要作用方式為細胞表面結(jié)合,其次是內(nèi)化作用。同時,藻通過增加胞內(nèi)多聚磷酸鹽體來隔離離子以應(yīng)對細胞內(nèi)Zn2+和Cu2+濃度升高,有效減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露于金屬離子的機會。而同樣的藻種,DIXIT等[17]研究發(fā)現(xiàn)其細胞表面鍵合的Cd2+和Pb2+最高可達85%和79%,而胞內(nèi)累積量僅為5%和4%,該藻種(以蛋白質(zhì)質(zhì)量計)對兩者的最大去除率分別為666.702和833 mg·g-1。2種金屬均通過羧基、羥基和氨基與細胞表面結(jié)合,但對不同配體具有不同偏好。而從石油污染地區(qū)分離篩選到的具有最大Cd2+吸收能力的橢孢念珠藻(Nostocentophytum)ISC32,其在Cd2+初始質(zhì)量濃度為150 mg·L-1時對Cd2+吸附量達302.91 mg·g-1。另外,研究發(fā)現(xiàn)在微重力下藍藻培養(yǎng)6 d時其對Cd吸附量比地表處理高29%,說明微重力條件可以提高藍藻對Cd的去除能力[18]。

JIANG等[19]發(fā)現(xiàn)葛仙米(Nostocsphaeroides)產(chǎn)生的胞外多糖可以有效吸附金屬離子。分別處理單金屬時,新鮮藻團對Pb2+的吸附能力最強,而藻粉對Pb2+和Cr3+的吸附能力最強。藻細胞主要利用羥基、氨基和羧基與金屬離子結(jié)合。如果考慮生產(chǎn)成本,實際應(yīng)用時新鮮藻團是更好的選擇。KUMAR等[20]研究表明以雙點席藻(Phormidiumbigranulatum)為優(yōu)勢種的藻墊對Cu2+具有耐受和去除能力,可從Cu2+初始濃度為10～100 μmol·L-1的培養(yǎng)基中去除80%～94%的Cu2+,認為這可能與胞外多糖有關(guān)。而CLARES等[21]將可產(chǎn)生大量胞外多糖的魚腥藻(Anabaenasp.)ATCC 33047固定在泡沫塑料網(wǎng)中作為生物吸收劑,發(fā)現(xiàn)其對水中80%鎘的吸附發(fā)生在前10 min,50 min左右時達到平衡。對Cd2+的最大吸收量高達162 mg·g-1,這是迄今為止生物系統(tǒng)所能獲得的最高值。而PIPPO等[22]研究發(fā)現(xiàn)可以培養(yǎng)魚腥藻(Anabaenaaugstumalis)VRUC 163獲得生物質(zhì),再通過營養(yǎng)缺乏誘導促進羧基化胞外多糖的產(chǎn)生。上述這些研究結(jié)果驗證了藍藻胞外多糖在去除重金屬中的作用,而直接利用多糖也具有良好作用。研究發(fā)現(xiàn)林氏念珠藻(Nostoclinckia)胞外多糖對Cr5+和Co2+具有吸附作用。在初始質(zhì)量濃度為20 mg·L-1時,胞外多糖對兩者的最大吸附能力分別為14.3和17.9 mg·g-1[23]。

除多糖以外,還有一些特殊機制可以加以利用,如ZHAO等[24]構(gòu)建了以藍藻誘導的碳酸鹽和重金屬共沉淀為基礎(chǔ)的生物反應(yīng)器,認為可以克服傳統(tǒng)反應(yīng)器中藻細胞吸收過多重金屬而自身遭到破壞的缺點。評估了3種鈣生念珠藻(Nostoccalcicola)反應(yīng)器去除廢水中Cd的效果,結(jié)果表明當Cd初始濃度為2.5 μmol·L-1時處理2個月后的Cd去除率超過98%。Cd主要與有機物結(jié)合,僅少量與碳酸鹽結(jié)合。但該方法的缺點是藻細胞死亡后Cd會被重新釋放。而ACHARYA等[25]首次報道紐曲魚腥藻(Anabaenatorulosa)與細胞表面結(jié)合的酸溶性多聚磷酸鹽體可固定鈾,是一種新的鈾吸附隔離機制。

1.2.2砷污染修復

ANIMESH等[26]研究表明魚腥藻對As3+具有很強的生物氧化能力,As3+初始質(zhì)量濃度為2.5～7.5 mg·L-1時,用30 g·L-1藻生物質(zhì)處理72 h后,95%以上的As3+被轉(zhuǎn)化為As5+。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的可能機制是以藻細胞作為催化膜表面加快了生物氧化過程。而DEBNATH等[27]研究發(fā)現(xiàn)從稻田分離的5種固氮藍藻均可將亞砷酸鹽轉(zhuǎn)化為砷酸鹽,100～400 μmol·L-1亞砷酸鹽經(jīng)藻處理后,產(chǎn)生的9.58%～78%的砷酸鹽存在于培養(yǎng)液中,33%～100%存在于藻細胞中。這表明這些藻可以降低As對水稻的毒性,減少生物可利用度,因此,具有應(yīng)用于大田原位修復As污染土壤的潛力。

1.3 廢氣處理

作為光合自養(yǎng)生物,固氮藍藻可以吸收CO2作為碳源支持其生長,能幫助減緩溫室效應(yīng)。研究表明放養(yǎng)藍藻可使絲狀藍藻在稻田中的生物量增加,最高達30倍以上[28],在為作物供應(yīng)氮素的同時,具有顯著的CO2固定能力,因此,應(yīng)該大力推廣這項技術(shù)[28]。酶學研究表明原型微鞘藻(Coleofasciculuschthonoplastes)的碳酸酐酶CahB1可以催化CO2的水合,表明其在仿生CO2捕獲方面具有應(yīng)用價值[29]。CLARES等[30]比較評估了3種培養(yǎng)方式下魚腥藻ATCC 33047固定CO2的效果,結(jié)果表明水平管式反應(yīng)器具有最高的單位體積CO2固定能力和生物質(zhì)產(chǎn)量,但是平板反應(yīng)器的單位面積產(chǎn)率最高,比前者高50%(超過35 g·m-2·d-1),且具有低能耗、高效混合、適合規(guī)?；?、建設(shè)費用低和操作簡單等優(yōu)點。SINGH等[31]研究發(fā)現(xiàn)細鞘絲藻ISTCY101在含50 mmol·L-1NaHCO3的BG11培養(yǎng)基和人工海水培養(yǎng)基中生物質(zhì)產(chǎn)率分別為78.9和75.74 mg·L-1·d-1。在網(wǎng)狀生物膜培養(yǎng)器中,生物質(zhì)最大產(chǎn)量為2.01 g·m-2·d-1。生物質(zhì)中脂含量為16%～21%,可用于生物柴油生產(chǎn)。有些藻還能用于吸收工廠排放的CO2,如NAYAK等[32]研究發(fā)現(xiàn)魚腥藻PCC 7120可以耐受超過φ=7%的CO2水平并固定CO2,可以用于處理發(fā)電廠煙氣。

1.4 有機污染物處理

近年研究發(fā)現(xiàn)固氮藍藻具有處理廢液中組成和結(jié)構(gòu)各異的有機污染物的能力,包括聚磷酸酯、多氯聯(lián)苯、石油烴、塑化劑和阻燃劑等[34-40],它們都屬于當前廣受關(guān)注的污染物質(zhì)(表1)。但上述方法的作用機理各異,如研究表明固氮藍藻可以分解二乙烯三胺五甲叉聚磷酯(DTPMP)和馬拉硫磷以獲得磷源,其中多變魚腥藻(Anabaenavariabilis)CCALA 007甚至可以使DTPMP接近完全礦化,灰色念珠藻對馬拉硫磷的降解率達91%[34-35]。而對原油或廢機油等烴類物質(zhì)則是將其中的脂肪族和芳香族化合物作為碳源加以利用[36-37],如稻田魚腥藻(Anabaenaoryzae)與φ=1%的原油混養(yǎng)可使6種脂肪族化合物完全消失[36]。多氯聯(lián)苯通過脫氯進而實現(xiàn)進一步降解,魚腥藻PD-1對氯化二苯的降解半衰期為11.36 d,25 d后的總降解率為84.4%[38]。隱桿藻(Cyanothecesp.)對鄰苯二甲酸二甲酯類則可能是通過酯酶催化水解轉(zhuǎn)化為鄰苯二甲酸后實現(xiàn)降解[39]。但念珠藻對多溴二苯醚BDE-47主要是生物吸收作用,可以去除培養(yǎng)液中70%～82%的BDE-47,其中60%以上累積于細胞[40]。

表1固氮藍藻對有機污染物的處理

Table1Treatmentoforganicpollutantswithdiazotrophiccyanobacteria

有機污染物固氮藍藻作用方式及主要產(chǎn)物文獻二乙烯三胺五甲叉聚磷酯多變魚腥藻(Anabaenavariabilis)CCALA007降解,中間產(chǎn)物為n-乙酰氨基乙基磷酸[34]馬拉硫磷稻田魚腥藻(Anabaenaoryzae)、灰色念珠藻(Nostocmuscorum)作為唯一磷源[35]原油稻田魚腥藻(Anabaenaoryzae)作為碳源[36]廢機油哈氏念珠藻(Nostochatei)8405轉(zhuǎn)化或降解脂肪族和芳香族化合物[37]多氯聯(lián)苯魚腥藻(Anabaenasp.)PD-1脫氯[38]鄰苯二甲酸二甲酯隱桿藻(Cyanothecesp.)PCC7822誘導酯酶,中間產(chǎn)物為鄰苯二甲酸[39]多溴二苯醚BDE-47念珠藻(Nostoc)生物吸收[40]

2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

藍藻廣泛分布于各種生境中,是重要的初級生產(chǎn)者,對環(huán)境變化敏感,具有作為生態(tài)環(huán)境指示生物的潛力。但篩選和確定監(jiān)測種類存在很大的技術(shù)難度,相關(guān)研究并不多見。STANCHEVA等[41]分析了104條不同營養(yǎng)梯度小河的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)具異形胞固氮藍藻和含內(nèi)共生藍藻的硅藻豐度隨處于低氮段河流中無機氮濃度的增加而降低。固氮藍藻對ρ(NO3--N)、ρ(NH4+-N)和N/P比值的響應(yīng)閾值分別為0.075 mg·L-1、0.04 mg·L-1和15。而硅藻的內(nèi)共生藍藻細胞體積隨NO3--N濃度的增加而降低。這說明可以利用這2類生物快速監(jiān)測河流一定范圍內(nèi)N和P濃度。MONTEAGUDO等[42]則通過分析西班牙中南部85個位點受8個環(huán)境變量影響的底棲生物組成,評估了藍藻作為城市廢水中磷酸鹽和農(nóng)業(yè)土地利用產(chǎn)生的硝酸鹽輸入狀況的指示生物的可能性。結(jié)果表明裂褶念珠藻(Nostocverrucosum)、秋水席藻(Phormidiumautumnale)、托馬織線藻(Plectonematomasinianum)、血色膠須藻(Rivulariahaematites)和扭曲單崎藻(Tolypothrixdistorta)等組成的變化可作為人為壓力的指示生物。

3 新型環(huán)保材料生產(chǎn)

3.1 可降解塑料

聚羥基脂肪酸(PHA)是一類易降解與生物相容性好的生物源熱塑性聚酯,具有替代合成樹脂的潛力。盡管PHA類物質(zhì)可以通過細菌發(fā)酵而大量產(chǎn)生,但并不是經(jīng)濟可行的方法,而利用光合自養(yǎng)的藍藻可以降低生產(chǎn)成本。已有研究發(fā)現(xiàn)脅迫可以使藍藻積累PHA類物質(zhì),如β-羥基丁酸多聚物(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)和3-羥基丁酸戊酸酯共聚物等。近年來,在藻種篩選、提取方法、基因改造和培養(yǎng)方式等方面取得了不少進展[43]。固氮藍藻的相關(guān)研究也已有不少報道,如ANSARI等[44]篩查了23株藍藻(含19株固氮藍藻),結(jié)果表明其中20株藻可以產(chǎn)生PHB,灰色念珠藻NCCU-442的產(chǎn)量最高(達細胞干重的6.44%),且PHB與微生物混合60 d后可被降解24.58%。SAMANTARAY等[45]發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)液中加入丙酸鹽和戊酸鹽時繁育管鏈藻(Aulosirafertilissima)CCC 444可以產(chǎn)生3-羥基丁酸戊酸酯共聚物。在添加5 g·L-1果糖和4 g·L-1戊酸鹽時,聚合物含量達到藻細胞干重的77%,生產(chǎn)率達38 mg·L-1·d-1,而在P缺乏條件下可再提高至2.5倍,達到95 mg·L-1·d-1。與表面粗糙多孔的均聚物PHB相比,半晶狀的3-羥基丁酸戊酸酯共聚物表面規(guī)則而光滑。BHATI等[46]也發(fā)現(xiàn)灰色念珠藻Agardh可以產(chǎn)生PHB和3-羥基丁酸戊酸酯共聚物。用響應(yīng)面法評估優(yōu)化了關(guān)鍵變量值,發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化的發(fā)酵條件培養(yǎng)7 d,其產(chǎn)量達藻細胞干重的69%(61 mg·L-1·d-1)。其中,PHB的熱和機械性能與前述繁育管鏈藻CCC 444產(chǎn)生的3-羥基丁酸戊酸酯共聚物及合成的聚丙烯相當。這都說明固氮藍藻在可降解生物塑料生產(chǎn)方面具有應(yīng)用前景,但國內(nèi)尚鮮見相關(guān)的研究報道。

3.2 環(huán)保生物催化劑

近幾年的研究表明固氮藍藻可以作為生物催化劑用于納米材料的綠色合成,如ROYCHOUDHURY等[47]發(fā)現(xiàn)球孢魚腥藻(Anabaenasphaerica)的蛋白質(zhì)、類胡蘿卜素、類囊體和多糖都可作為還原劑合成金納米材料。PARIAL等[48]也發(fā)現(xiàn)細弱楔形藻(Licmophoratenuis)、原型微鞘藻和橢孢念珠藻可以將金離子還原生成金納米顆粒。其中,橢孢念珠藻處理產(chǎn)生多種粒徑的球形和不規(guī)則形狀的納米顆粒及少量納米棒。SINGH等[49]發(fā)現(xiàn)用桶形魚腥藻(Anabaenadoliolum)的細胞提取物可以實現(xiàn)納米銀顆粒的簡單、廉價、綠色合成。合成的納米銀分散均勻,呈球形,直徑為10～50 nm。HUSAIN等[50]研究發(fā)現(xiàn)30種藍藻(含16種固氮藍藻)水提物均可以合成納米銀,但合成時間、產(chǎn)物形狀和大小都隨藻種而異。

固氮藍藻對β-氧代烷基膦酸酯類物質(zhì)具有多樣化和不尋常的催化轉(zhuǎn)化能力,如GRAK等[51]研究發(fā)現(xiàn)灰色念珠藻(Nostoccf-muscorum)和球果節(jié)球藻(Nodulariasphaerocarpa)可以選擇性還原氧代磷酸二乙酯類物質(zhì)。灰色念珠藻催化可使(S)-2-羥基-2-苯乙基膦酸二乙酯的對應(yīng)體過量達99%,轉(zhuǎn)化率為26%。而球果節(jié)球藻對該物質(zhì)的催化效果更驚人:轉(zhuǎn)化率達99%,旋光純度達92%。另外,HIBI等[52]發(fā)現(xiàn)點形念珠藻(Nostocpunctiforme)PCC 73102產(chǎn)生的L-亮氨酸-5-羥化酶是一種新型Fe2+/α-酮戊二酸依賴的雙加氧酶,可以通過特定選擇和立體選擇的方式催化產(chǎn)生特殊的氨基酸,具有作為生物催化劑生產(chǎn)工業(yè)上有用氨基酸的潛力。

4 環(huán)保新能源開發(fā)

4.1 基于藻脂質(zhì)的生物柴油

通常用于生物柴油制備的生物質(zhì)主要源于含油植物,特別是大豆和玉米等農(nóng)產(chǎn)品。但是由于人口增長導致食品行業(yè)對這些產(chǎn)品的需求增加,因此急需尋找替代物以滿足生物能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年已有很多關(guān)于固氮藍藻生產(chǎn)生物柴油的研究報道,如RS等[53]發(fā)現(xiàn)魚腥藻和鞘絲藻等5種藍藻的生物質(zhì)產(chǎn)率(以干重計)為3.7～52.7 mg·L-1·d-1,脂產(chǎn)率為0.8～14.2 mg·L-1·d-1,且這些藻脂肪酸成分與已成功用于生物柴油生產(chǎn)的種籽油相近。STEINHOFF等[54]研究發(fā)現(xiàn)水華魚腥藻(Anabaenaflos-aquae)和泡沫節(jié)球藻(Nodulariaspumigena)等3種藍藻具有制備生物柴油的潛力,雖然不同藻產(chǎn)生的物質(zhì)差異很大,但可通過調(diào)控培養(yǎng)條件和收獲時間獲得所需產(chǎn)物。ABOIM等[55]研究表明8種藍藻(含2種固氮藍藻)均含有棕櫚酸(7.43%～38.37%)、硬脂酸(1.44%～13.82%)、己酸(0.82%～78.84%)和油酸(1.13%～46.76%)。李曉敏等[9]研究發(fā)現(xiàn)水華束絲藻在去除模擬污水中N和P的同時,具有較強的中性脂積累能力。這都說明上述固氮藍藻均具有良好的生物柴油生產(chǎn)潛力。

雖然已經(jīng)篩選到不少應(yīng)用潛力大的藻株,但總的生產(chǎn)成本相對較高,應(yīng)用受到嚴重制約。因此,近年的應(yīng)用研究轉(zhuǎn)向探索應(yīng)用污染物為營養(yǎng)基質(zhì)生產(chǎn)藻生物質(zhì),再轉(zhuǎn)化為生物柴油,以降低生產(chǎn)成本。如RAMACHANDRAA等[56]發(fā)現(xiàn)從市政污水中分離的裸藻、水棉藻和席藻的總脂含量分別為24.6%、18.4%和8.8%,脂年均產(chǎn)量潛力分別為6.52、1.94和2.856 t·hm-2,其中,棕櫚酸、硬脂酸、油酸和亞油酸等含量都較高。SINGH等[57]研究也發(fā)現(xiàn)細鞘絲藻ISTCY101可以利用市政污水在未稀釋分批培養(yǎng)和半連續(xù)培養(yǎng)2種模式下生產(chǎn)藻生物質(zhì),平均產(chǎn)率分別為85 mg·L-1·d-1和2.93 g·m-2·d-1。脂含量達干重的25%,且超過65%的脂質(zhì)由C16∶0、C16∶1、C18∶0和C18∶1組成,是理想的生物柴油生產(chǎn)原料。該系統(tǒng)可有效地將污水處理與生物柴油生產(chǎn)相結(jié)合,這2種技術(shù)的結(jié)合可以大大降低生物柴油的生產(chǎn)成本并減少環(huán)境危害[3-4,56]。當然,當前依然面臨著污水成分復雜、藻株易退化、收獲困難和下游產(chǎn)品品質(zhì)難以控制等問題,在大規(guī)模應(yīng)用之前仍然有很多問題需要解決。

4.2 烴類物質(zhì)

對于利用固氮藍藻生產(chǎn)烴類物質(zhì)的問題,當前的研究熱點是通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高烴類產(chǎn)量和產(chǎn)率。利用基因改造藍藻可以直接以CO2生產(chǎn)生物燃料(稱為第3代生物燃料),這大大縮短了生物燃料生產(chǎn)過程中所需的生物質(zhì)生產(chǎn)、收獲、物流和轉(zhuǎn)換步驟[58]。例如,作為生物燃料的金合歡烯通常通過植物法生產(chǎn),生產(chǎn)效率和成本都較高,HALFMANN等[59]通過合成密碼子優(yōu)化的金合歡烯基因的導入,使魚腥藻PCC 7120具備通過甲羥戊酸途徑合成金合歡烯的能力,從而能夠以CO2、礦化水和光為原料生產(chǎn)金合歡烯。同樣地,轉(zhuǎn)入西特卡云杉的檸檬烯合成酶基因(lims)可以使該藻產(chǎn)生檸檬烯[60]。而與單獨lims表達相比,在高光條件下通過將編碼甲羥戊酸途徑中3個限速酶的1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸(DXP)操縱子和lims共表達,可以使檸檬烯產(chǎn)量提高6.8倍,最大產(chǎn)率提高8.8倍[60]。另外,JOHNSON等[58]研究發(fā)現(xiàn)藍藻可以通過定向進化增加藍藻對金合歡烯、月桂烯、芳樟醇和檸檬烯等的耐受能力,這對建立經(jīng)濟可行的生物燃料生產(chǎn)系統(tǒng)具有重要意義。

4.3 氫氣

研究表明很多微藻可以產(chǎn)氫,但現(xiàn)有技術(shù)的經(jīng)濟性尚無法達到規(guī)模化商業(yè)生產(chǎn)的要求。SAKURAI等[61]認為生物制氫前景依然被看好,主要是因為即使是小規(guī)模的生物制氫也可以在產(chǎn)生可再生能源的同時保護環(huán)境,而大規(guī)模的生物制氫甚至可能減緩氣候變化和提供新的就業(yè)機會。固氮藍藻被認為是很好的產(chǎn)氫生物,但是多數(shù)產(chǎn)量低且易恢復到耗氫狀態(tài),因此,現(xiàn)階段仍然需要篩選穩(wěn)定高產(chǎn)的具有規(guī)?；瘧?yīng)用潛力的產(chǎn)氫藻株。NAYAK等[62]發(fā)現(xiàn)可利用以魚腥藻PCC 7120為主體的微生物群落在氣升式光生物反應(yīng)器中高溫暗發(fā)酵制氫。MASUKAWA等[63]通過基因雙交換重組技術(shù)在魚腥藻PCC 7120 DHup的基礎(chǔ)上構(gòu)建了2個突變體,發(fā)現(xiàn)其可不受氮氣含量的影響,能在偶爾更換頂層空氣的條件下連續(xù)產(chǎn)氫21 d,可以減少培養(yǎng)用氣體量,降低成本。程軍等[64]研究發(fā)現(xiàn)聚球藻可以通過自相發(fā)酵產(chǎn)氫,優(yōu)化條件后聚球藻(以干重計)自相發(fā)酵產(chǎn)氫率最大可達25.68 mL·g-1。而更環(huán)保的方式是利用廢水培養(yǎng)藍藻,在治理污染的同時制氫,如MARKOV等[65]研究表明在中空纖維光生物反應(yīng)器中使用含高濃度銨的廢水培養(yǎng)固定化的多變魚腥藻(Anabaenavariabilis)可以產(chǎn)氫,藻對銨離子吸收率在25 d后達90%,在銨缺乏培養(yǎng)液中刺激藻產(chǎn)生氫氣,藻(以干重計)產(chǎn)氫氣速率可達18 mL·g-1·h-1。

5 結(jié)論與展望

在固氮藍藻的污染環(huán)境修復應(yīng)用方面,近年來提出的各環(huán)境要素中污染物的微藻處理技術(shù)+藻生物質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)+環(huán)保產(chǎn)品(生物肥料、生物能源、生物材料和其他高附加值產(chǎn)品)生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合的路線圖逐漸清晰,這使得以往被詬病的生產(chǎn)成本過高的問題將有望得到解決,從而可以實現(xiàn)環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益最大化。因此,隨著相關(guān)配套技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,預計在某些方面會很快實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。當然,目前依然面臨著污染物組成復雜和不穩(wěn)定導致的藻株難適應(yīng)、長期使用下藻種易退化、收獲困難、富集有毒有害物質(zhì)使產(chǎn)品品質(zhì)難以控制等問題,仍然需要進行針對性研究加以解決。對此,除了進一步加強藻株的篩選工作獲得優(yōu)良藻株進行生產(chǎn)及優(yōu)化培養(yǎng)技術(shù)和裝置等以外,還可以利用新的育種技術(shù),如航天育種和轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)等,改造已有藻株使其能夠適應(yīng)大規(guī)模應(yīng)用的需要。固氮藍藻在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用比較冷門,國內(nèi)外近幾年的研究非常少,尚待進一步研究。值得注意的是環(huán)境友好的生物材料生產(chǎn)是固氮藍藻新的應(yīng)用領(lǐng)域,國外的相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究已經(jīng)取得很大進展。但據(jù)筆者查閱的文獻發(fā)現(xiàn)國內(nèi)在以上2個方面尚鮮見報道,今后需要開展這方面的研究,做好技術(shù)儲備以利于今后的應(yīng)用。固氮藍藻在環(huán)保新能源開發(fā)方面的應(yīng)用研究在國內(nèi)外都是熱點,固氮藍藻與其他藻類相比具有不需要氮肥、容易采收等優(yōu)點,但是生長速度、生物質(zhì)和能源物質(zhì)產(chǎn)率相對較低。因此,今后需要進一步篩選或選育優(yōu)良藻株、優(yōu)化培養(yǎng)條件和改進培養(yǎng)裝置以解決這些問題。

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