煤化工煙道氣毒性成分對Chlorella pyrenoidosa生長和細胞成分的影響

劉芬，豐平仲，朱順妮，王博，王忠銘

（1 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州510640；2 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東廣州510640；3 廣東省新能源與可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東廣州510640；4 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

溫室氣體的大量排放引起的全球變暖和其他的環(huán)境問題受到全世界的密切關(guān)注。即使在后工業(yè)時代，環(huán)境中溫室氣體的含量仍以驚人的速度增長[1]。CO2是主要的溫室氣體，目前，來自火電廠、鋼鐵制造、化學(xué)和石化等工業(yè)生產(chǎn)排放的煙道氣中的CO2在全球碳排放中占比巨大[2]。CO2是煙道氣的主要成分，依據(jù)來源不同，在各類煙道氣中體積分數(shù)為3%～30%[3]，實現(xiàn)煙道氣來源的CO2的利用對于實現(xiàn)碳減排具有重要意義。

微藻是一類能進行光合作用的微生物，光合效率高于陸生植物，而且環(huán)境適應(yīng)性強、生長周期短，具有良好的固碳能力。據(jù)估計，生產(chǎn)100t 微藻生物質(zhì)可固定183t CO2[4]，并且固定的CO2能轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、油脂、多糖等產(chǎn)物，具有極高的利用價值，因此，微藻固碳技術(shù)有望成為緩解溫室效應(yīng)的有效方法之一[5-6]。自Wodzinski 等[7]于1978 年提出微藻直接用于減排煙道氣以來，大量關(guān)于微藻固定煙道氣中CO2的研究被廣泛報道[8]。從煤火電廠廢水中分離出的兩種微藻在體積分數(shù)18%CO2下生長良好[9]，濃度為300mg/L 的水泥廠廢氣可以支持Desmodesmus abundans的生長[10]，而且已有關(guān)于火電廠煙道氣CO2用于大規(guī)模培養(yǎng)微藻制取生物燃料的報道[11]。這些研究得以成功的關(guān)鍵因素之一，是微藻對煙道氣中的COx、SOx、NOx等有毒氣體以及這些氣體在水中產(chǎn)生的生長限制效應(yīng)有一定的抵抗力[12]。這種抵抗力是有限的，研究表明，微藻可以耐受一定程度的SOx和NOx，甚至可以把這些氣體作為養(yǎng)分利用[10]，但過量的有毒氣體會抑制微藻的生長[8]，所以部分研究通過控制培養(yǎng)基pH等策略以減弱有毒組分的影響[13]。微藻對煙氣的耐受性已成為微藻固定煙氣CO2的技術(shù)挑戰(zhàn)之一[14]，而且已有研究表明煙道氣會對微藻的淀粉、油脂等成分的積累產(chǎn)生影響[15-16]，這將影響微藻生物質(zhì)的應(yīng)用方向并有助于分析煙道氣成分對微藻生長的影響機制，但目前這一方面的研究還較少。探究煙道氣中有毒成分對微藻生長以及細胞成分的影響，對于利用微藻固定煙氣CO2的研究具有重要意義。

我國石油和天然氣資源匱乏，但煤儲存量豐富，約占總能源消耗的70%[17]。因此，不同于其他石油和天然氣資源豐富的國家，我國主要依靠煤作為化工原料來滿足人們對于化工產(chǎn)品的巨大需求。同時，煤的C/H比相對石油和天然氣較高，作為化工原料在生產(chǎn)過程中CO2排放更加密集。煤化工CO2排放已成為我國總CO2排放的重要來源[18-19]，實現(xiàn)對煤化工煙道氣的利用對于我國的碳減排工作十分重要。目前，關(guān)于微藻固定煤煙道氣CO2的研究鮮有報道。煤化工煙道氣中除了含有大量CO2外，還有H2S、SO2、NH3和NOx等污染物[20]，不同工藝過程產(chǎn)生的煙氣成分和濃度各不相同，例如，潔凈煤氣化廢氣中含有H2S 0.6%、NH34mL/m3[21]，焦爐煙 氣 中 含 有SO2200～500mg/m3[22]、H2S 6～8g/m3[23]。即使在達到排放標準后仍含有SO250～100mg/m3、NH330mg/m3、H2S 3mg/m3、NOx200～500mg/m3[24]，這些達到排放標準后的煙氣是利用微藻固定CO2的首選，但目前還不清楚這些雜質(zhì)氣體是否會影響微藻對煤化工煙氣中CO2的固定。因此，本研究選取了三種典型的煤化工煙道氣毒性雜質(zhì)氣體H2S、SO2、NH3，研究了其在不同濃度條件下對小球藻生長與細胞成分的影響，以確定小球藻對煤化工煙道氣毒性成分的耐受性，為未來利用微藻固定煤化工煙道氣CO2提供參考。

1 材料與方法

1.1 藻種及培養(yǎng)條件

實驗藻種為Chlorella pyrenoidosa（C.pyrenoidosa），為中國科學(xué)院廣州能源研究所保存。培養(yǎng)基為BG-11 培養(yǎng)基，121℃滅菌15min 后使用。于直徑3.5cm、高60cm的柱式光生物反應(yīng)器中裝液400mL培養(yǎng)至對數(shù)期備用。培養(yǎng)溫度為25℃，通入CO2(2%)與空氣的混合氣體，通氣量為0.3L/min，光照強度為200μmol/(m2·s)，24h連續(xù)光照。

1.2 實驗設(shè)計

實驗以BG-11 培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，添加NaHS、Na2SO3、NH3·H2O 分別模擬H2S、SO2和NH3的主要溶解物，為探究持續(xù)累積影響狀態(tài)，實驗采用24h補加的方式。具體實驗設(shè)置如下：NaHS，0、0.2mmol/(L·d)、1mmol/(L·d)、4mmol/(L·d)；Na2SO3，0、1mmol/(L·d)、10mmol/(L·d)、40mmol/(L·d)；NH3·H2O(以 游 離 氨 計)，0、0.7mmol/(L·d)、7mmol/(L·d)、35mmol/(L·d)。每組設(shè)置兩個平行組。于直徑5.4cm、高35cm 的柱式光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，裝液量400mL。其他實驗條件同1.1節(jié)，每24h取樣測試。

1.3 生長情況測定

1.3.1 生物量干重測定

生物量以細胞干重表示。將孔徑為1.2μm 的whatman 玻璃纖維濾膜于105℃烘干至恒重，記錄初始質(zhì)量為M1（g）。取一定體積V（mL）的培養(yǎng)液濾過濾膜，105℃烘干至恒重，記錄質(zhì)量為M2（g）。利用差量法計算得到生物量（g/L），見式(1)。

1.3.2 細胞形態(tài)

細胞形態(tài)用顯微照片表征。顯微照片由顯微鏡（OLYMPUS CX3）連接相機（MshOt）拍攝。

1.3.3 生物質(zhì)組分的測定

總脂含量的測定采用Bligh-Dyer 法[25]；總糖含量測定使用改良的苯酚-硫酸法[26]；蛋白質(zhì)含量由氮元素含量乘以6.25計算得到；元素分析用元素分析儀Vario EL cube測定。

1.3.4 生物質(zhì)平均生物量產(chǎn)率

通過生物量干重計算微藻平均生物量產(chǎn)率P[g/(L·d)]，見式(2)。

式中，N1、N2分別為始末兩次測定的生物量干重，g/L；t1、t2分別為兩次測定的時間，d。

1.3.4 比生長速率

通過生物量干重計算微藻比生長速率μ（d-1），μ用式(3)計算。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用Origin 和IBM SPASS Statistics 軟件分析實驗結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 三種典型毒性氣體對C.pyrenoidosa 生長的影響

2.1.1 NaHS對C.pyrenoidosa生長的影響

圖1 不同濃度NaHS對C.pyrenoidosa干重的影響

表1 不同濃度NaHS條件下C.pyrenoidosa的生物量生產(chǎn)率和比生長速率

H2S 的水溶液為硫氫酸，因此本實驗采用NaHS作為H2S的生成劑，探究H2S對C.pyrenoidosa的影響。S 元素是微藻生長的必需營養(yǎng)元素，HS-在富氧水體中極易被氧化為硫酸鹽，硫酸鹽易被微藻作為S 源吸收利用從而促進生長[27]。從圖1 可以看 到， NaHS 添 加 量 為0.2mmol/(L·d) 時 對C.pyrenoidosa的生長有促進作用，最后獲得的生物量產(chǎn)率和比生長速率均高于對照組（表1）。但是，隨著NaHS濃度的提高，生物質(zhì)濃度有所下降；在添加量為1mmol/(L·d)時，生物質(zhì)濃度略低于對照組，生物量產(chǎn)率和比生長速率均有所下降，但對C. pyrenoidosa藻細胞形態(tài)[圖2(c)]的影響不明顯。而當NaHS濃度升高到4mmol/(L·d)時，藻細胞的生長在培養(yǎng)初始階段會受到一定抑制，有明顯較長的停滯期，之后藻細胞恢復(fù)快速生長（圖1），因此導(dǎo)致該NaHS濃度條件下，藻細胞獲得相對較低的生物量產(chǎn)率和比生長速率（表1）。雖然硫酸鹽是微藻生長所需的重要營養(yǎng)鹽之一，但胞內(nèi)累積過量的硫酸鹽可能會抑制微藻細胞的生長[28]。同時，很多研究認為H2S/HS-產(chǎn)生毒性的首要原因是它會抑制細胞色素c 氧化酶并降低細胞產(chǎn)能[29]；也有研究表明高濃度H2S 會導(dǎo)致菌體停滯期延長或停止生長[30]。并且，硫元素過量且快速進入植物代謝系統(tǒng)，則會引起組織塌陷等急性損傷[31]。在本實驗中，高濃度的NaHS 則直接造成大量C.pyrenoidosa細胞的破碎結(jié)團[圖2(d)]，這是造成生物質(zhì)濃度在第1天出現(xiàn)下降趨勢的原因。從顯微照片中仍可以看到有些C.pyrenoidosa細胞形態(tài)沒有被明顯破壞，能夠耐受高濃度的NaHS。第2 天之后生物質(zhì)濃度則緩慢上升，說明此時存活細胞的生長率已大于死亡率。存活細胞繼續(xù)生長繁殖，這也是高濃度組生物質(zhì)后期有較大提升的原因，推測這部分細胞對硫酸鹽有更高的抗性。另外，到生長后期，培養(yǎng)液中部分HS-被空氣氧化析出單質(zhì)硫，從而降低水中HS-的濃度，減少了對藻細胞的毒害。綜上可知，1mmol/(L·d)以下濃度的NaHS 對C. pyrenoidos的生長沒有明顯影響，則C.pyrenoidosa對H2S水溶物具有較好的抗性。

2.1.2 Na2SO3對C.pyrenoidosa生長的影響

SO2在水中主要以SO2-3的形式存在[32]。從圖3可以看出， 不同濃度Na2SO3的添加均對C. pyrenoidosa的生長產(chǎn)生促進作用。實驗中，Na2SO3添加濃度越高，獲得的藻細胞干重越大，生物量產(chǎn)率和比生長速率也隨之升高（表2）。在Na2SO3濃度為40mmol/(L·d)時，藻細胞的生物量產(chǎn)率和比生長速率達到最高，分別為0.55g/(L·d)和0.81d-1。Lava-Gil 等[10]的研究顯示，不同濃度SO2-3（＜245mg/L） 的添加均在一定程度上促進了Desmodesmus abundans和Scenedesmussp. 的 生 長。Jiang 等[33]則發(fā)現(xiàn)Scenedesmus dimorphus在Na2SO3添加量小于60mmol/(L·d)條件下均能較好生長，添加量小于20mmol/(L·d)有生長促進作用。研究表明，Na2SO3可作為微藻生長的唯一S源，部分SO2-3可轉(zhuǎn)化為SO2-4供微藻吸收利用，這可能是促進小球藻生物量提高的原因之一[34]。但是SO2-3可以直接影響CO2固定和能量代謝系統(tǒng)，過高濃度的硫元素會對生物體產(chǎn)生毒害作用[31]。而在本研究中，添加更高濃度的SO2-3仍能促進C. pyrenoidosa快速生長，由此說明該藻對SO2可能具有更強的耐受能力。通過顯微照片[圖4(d)]可以發(fā)現(xiàn)，高濃度Na2SO3培養(yǎng)組中的藻細胞直徑相對更小，并且出現(xiàn)細胞聚集現(xiàn)象。硫元素對細胞的生長和分裂等代謝過程具有調(diào)控作用，小球藻在細胞核分裂之前，其中的硫脫氧核糖核苷酸等含硫化合物含量顯著增加，而硫元素的缺乏則會抑制四尾柵藻的細胞周期[35]。結(jié)合生物質(zhì)比生長速率結(jié)果（表2）推測，過量的Na2SO3可能使C.pyrenoidosa的細胞周期縮短，從而使繁殖速率提高，而細胞的集聚現(xiàn)象則可能是快速多分裂繁殖[36]的結(jié)果。本實驗中各濃度的Na2SO3都能促進C. pyrenoidosa的生長，并且高濃度的Na2SO3[40mmol/(L·d)]使該藻獲得最高的生物量產(chǎn)率和比生長速率，因此C.pyrenoidosa具有較大的潛力耐受煤化工煙氣中的雜質(zhì)氣體SO2。

圖2 小球藻顯微圖片（40倍，2d）

圖3 不同濃度NaSO3對C.pyrenoidosa干重的影響

表2 不同濃度NaSO3條件下，C.pyrenoidosa的生物量產(chǎn)率和比生長速率

2.1.3 NH3·H2O對C.pyrenoidosa生長的影響

NH3在水體中主要形成NH3·H2O對微藻細胞產(chǎn)生作用。從圖5可以看出，當NH3·H2O的添加量為0.7mmol/(L·d)與7mmol/(L·d)時并未對C.pyrenoidosa的生長速率和生物量產(chǎn)生明顯影響，與對照組表現(xiàn)出相同的生長趨勢，生物量產(chǎn)率和比生長速率也與對照組相差不大（表3）。Goto等[37]發(fā)現(xiàn)，當培養(yǎng)液中NH+4-N濃度高達1600mg/L時，較NO2-3-N培養(yǎng)基仍會對Chlorella vulgaris的生長產(chǎn)生促進作用，但是理論上此時游離氨的含量僅為2.97mmol/L；當游離氨初始濃度為13.30mmol/L 時，則會在生長初期對Chlorella vulgaris產(chǎn)生生長抑制。比較可知，本實驗所用的藻種C.pyrenoidosa具有更高的氨氮耐受性。氮源是微藻生長最重要的營養(yǎng)元素之一，其濃度、可用性和氮源形式對微藻生長有重要影響[38]。氨氮是微藻生長優(yōu)先選擇的氮源形式，但是過高的濃度也會限制微藻的生長甚至導(dǎo)致微藻的死亡[39]。通常，游離氨與NH+4相比具有更大的毒性，會對微藻光合系統(tǒng)產(chǎn)生多重影響，從而限制微藻的生長[40-41]；而且不同種類的微藻對游離氨具有不同程度的耐受能力[42]。本實驗中游離氨的最高濃度約為35mmol/L，從圖6(d)可以看出，它直接造成了小球藻細胞的破碎死亡，但在其他濃度條件下微藻細胞未發(fā)現(xiàn)明顯異常。以上結(jié)果表明，C.pyrenoidosa可以在較高程度上耐受NH3水溶物的毒性，具有耐受煙道氣中NH3的潛力。

圖4 小球藻顯微圖片（40倍，4d）

圖5 不同濃度NH3·H2O對C.pyrenoidosa干重的影響

表3 不同濃度NH3·H2O條件下C.pyrenoidosa的生物量產(chǎn)率和比生長速率

綜 上 可 知， 微 藻C. pyrenoidosa對NaHS、Na2SO3及NH3·H2O均表現(xiàn)出較好的耐受性，只有在過高濃度下才會對生長和藻細胞形態(tài)產(chǎn)生影響，所以其在利用煤化工廠煙氣CO2時，具有較大潛力耐受H2S、SO2及NH3等雜質(zhì)氣體。

2.2 三種典型毒性氣體對C.pyrenoidosa 生物質(zhì)成分的影響

2.2.1 NaHS對C.pyrenoidosa生物質(zhì)成分的影響

從表4可知，當NaHS的添加量低于1mmol/(L·d)時，對C.pyrenoidosa的細胞組成均無顯著影響（P＞0.05），僅當添加量為4mmol/(L·d)時，會對細胞蛋白質(zhì)含量影響顯著（P＜0.05），使蛋白質(zhì)含量較空白組提高7.13%。研究表明，微藻在硫限制條件下會阻礙蛋白質(zhì)的合成，促進淀粉的積累，而氮素的缺乏會增加油脂的積累[43]。本實驗中硫元素、氮元素均充足，因此碳水化合物和油脂的含量未受影響。在王倩雅[35]的研究中，不同硫元素濃度下尖狀柵藻在生長過程中可溶性蛋白呈現(xiàn)下降趨勢，最終高硫組可溶性蛋白含量高于低硫組。本實驗中4mmol/(L·d)添加組微藻蛋白質(zhì)含量升高的結(jié)果與之相符。元素組成與細胞成分的變化情況相同，僅有4mmol/(L·d)添加組存在明顯變化，較對照組N 元素含量提高7.07%，C 元素含量降低3.52%，高濃度HS-的存在可能影響了微藻的固碳能力。

表4 不同濃度NaHS培養(yǎng)C.pyrenoidosa生物質(zhì)的生化組分和元素含量

2.2.2 Na2SO3對C.pyrenoidosa生物質(zhì)成分的影響

從表5 可知， 當Na2SO3的添加量低于10mmol/(L·d)時，對C.pyrenoidosa的細胞生化組分無 顯 著 影 響（P＞0.05）， 僅 當 添 加 量 達 到40mmol/(L·d)時，會對細胞蛋白質(zhì)和總糖含量產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），較對照組，蛋白質(zhì)含量降低13.45%，總糖含量提高42.90%。SO2-3會對植物體部分氨基酸的合成產(chǎn)生影響，這也可能是導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量降低的原因[31]。在Liang 等[44]的研究中，亞硫酸鹽含量低于20mmol/L 同樣不會對小球藻的油脂含量產(chǎn)生影響。微藻細胞的元素組成僅有N元素的含量降低13.39%。

表5 不同濃度Na2SO3培養(yǎng)C.pyrenoidosa生物質(zhì)的生化組分和元素含量

2.2.3 NH3·H2O對C.pyrenoidosa生物質(zhì)成分的影響

從表6 可知，不同濃度NH3·H2O 的添加對C.pyrenoidosa總糖含量影響顯著（P＜0.05），對蛋白質(zhì)含量影響極顯著（P＜0.01），對油脂含量無顯著影響（P＞0.05）。其中，蛋白質(zhì)含量總體呈下降趨勢，總糖含量呈上升趨勢；較對照組，7mmol/(L·d)的添加量會使蛋白質(zhì)含量降低8.28%，使總糖含量提高19.77%。從元素組成也可看出，不同濃度NH3·H2O的添加對微藻C、H元素含量影響不明顯，對N元素含量有顯著影響（P＜0.01）。

表6 不同濃度NH3·H2O培養(yǎng)C.pyrenoidosa生物質(zhì)的生化組分和元素含量

綜上所述，本研究表明：中低濃度NaHS、Na2SO3及NH3·H2O的添加對C.pyrenoidosa細胞生化組分和N、C、H 元素組成影響不明顯，只有在過高濃度時會產(chǎn)生影響。微藻C.pyrenoidosa含有超過50%的蛋白質(zhì)和20%左右的多糖和油脂，含有谷物蛋白中缺少的亮氨酸、精氨酸和賴氨酸，具有較高的蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值，是優(yōu)良的單細胞飼料蛋白來源[45]。因此，本研究還顯示利用該藻固定煤化工廠煙氣CO2后獲得的藻細胞具有作為動物飼料蛋白來源的潛力。

3 結(jié)論

本研究利用NaHS、Na2SO3和NH3·H2O 分別模擬H2S、SO2和NH3的主要溶解物，以探究煤化工煙道氣中三種典型雜質(zhì)氣體對微藻的影響。主要結(jié)論如下。

（1）NaHS、Na2SO3和NH3·H2O 濃度分別低于1mmol/(L·d)、40mmol/(L·d)和7mmol/(L·d)時 對C.pyrenoidosa生長均無抑制作用，表明C.pyrenoidosa對H2S、SO2和NH3水溶物具有較高的耐受性，利用煤化工煙道氣培養(yǎng)微藻固碳具有可行性。

（2）NaHS、Na2SO3和NH3·H2O 的添加會對C.pyrenoidosa生物質(zhì)組成產(chǎn)生不同程度的影響，但微藻生物質(zhì)微藻蛋白含量多超過50%，可以作為蛋白飼料來源，可實現(xiàn)在固碳減排的同時收獲微藻生物質(zhì)進行資源化利用。

另 外， 本 文 分 別 探 究NaHS、 Na2SO3和NH3·H2O對C.pyrenoidosa的毒性，未對其交互作用進行探究，下一步可設(shè)計交互實驗探究其共同存在時對微藻的交互影響；而且簡單的化合物并不能模擬氣體溶于水中的所有形式，因此未來可在此基礎(chǔ)上利用真實氣體進行實驗，以獲得更切實的實驗效果。