煤化工煙道氣毒性成分對(duì)Chlorella pyrenoidosa生長和細(xì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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?jǐn)?shù)為3%～30%[3]，實(shí)現(xiàn)煙道氣來源的CO2的利用對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳減排具有重要意義。

微藻是一類能進(jìn)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(qiáng)、生長周期短，具有良好的固碳能力。據(jù)估計(jì)，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(jià)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(bào)道[8]。從煤火電廠廢水中分離出的兩種微藻在體積分?jǐn)?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(bào)道[11]。這些研究得以成功的關(guān)鍵因素之一，是微藻對(duì)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(huì)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(duì)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(huì)對(duì)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(duì)微藻生長的影響機(jī)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(duì)微藻生長以及細(xì)胞成分的影響，對(duì)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(chǔ)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(duì)于化工產(chǎn)品的巨大需求。同時(shí)，煤的C/H比相對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)煤化工煙道氣的利用對(duì)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(bào)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?fàn)t煙 氣 中 含 有SO2200～500mg/m3[22]、H2S 6～8g/m3[23]。即使在達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后仍含有SO250～100mg/m3、NH330mg/m3、H2S 3mg/m3、NOx200～500mg/m3[24]，這些達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)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(huì)影響微藻對(duì)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(duì)小球藻生長與細(xì)胞成分的影響，以確定小球藻對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(qiáng)度為200μmol/(m2·s)，24h連續(xù)光照。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用24h補(bǔ)加的方式。具體實(shí)驗(yàn)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(jì))，0、0.7mmol/(L·d)、7mmol/(L·d)、35mmol/(L·d)。每組設(shè)置兩個(gè)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(shí)驗(yàn)條件同1.1節(jié)，每24h取樣測(cè)試。

1.3 生長情況測(cè)定

1.3.1 生物量干重測(cè)定

生物量以細(xì)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(jì)算得到生物量（g/L），見式(1)。

1.3.2 細(xì)胞形態(tài)

細(xì)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(jī)（MshOt）拍攝。

1.3.3 生物質(zhì)組分的測(cè)定

總脂含量的測(cè)定采用Bligh-Dyer 法[25]；總糖含量測(cè)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(jì)算得到；元素分析用元素分析儀Vario EL cube測(cè)定。

1.3.4 生物質(zhì)平均生物量產(chǎn)率

通過生物量干重計(jì)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(cè)定的生物量干重，g/L；t1、t2分別為兩次測(cè)定的時(shí)間，d。

1.3.4 比生長速率

通過生物量干重計(jì)算微藻比生長速率μ（d-1），μ用式(3)計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Origin 和IBM SPASS Statistics 軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 三種典型毒性氣體對(duì)C.pyrenoidosa 生長的影響

2.1.1 NaHS對(duì)C.pyrenoidosa生長的影響

圖1 不同濃度NaHS對(duì)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(shí)驗(yàn)采用NaHS作為H2S的生成劑，探究H2S對(duì)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(jìn)生長[27]。從圖1 可以看 到， NaHS 添 加 量 為0.2mmol/(L·d) 時(shí) 對(duì)C.pyrenoidosa的生長有促進(jìn)作用，最后獲得的生物量產(chǎn)率和比生長速率均高于對(duì)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(shí)，生物質(zhì)濃度略低于對(duì)照組，生物量產(chǎn)率和比生長速率均有所下降，但對(duì)C. pyrenoidosa藻細(xì)胞形態(tài)[圖2(c)]的影響不明顯。而當(dāng)NaHS濃度升高到4mmol/(L·d)時(shí)，藻細(xì)胞的生長在培養(yǎng)初始階段會(huì)受到一定抑制，有明顯較長的停滯期，之后藻細(xì)胞恢復(fù)快速生長（圖1），因此導(dǎo)致該NaHS濃度條件下，藻細(xì)胞獲得相對(duì)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(huì)抑制微藻細(xì)胞的生長[28]。同時(shí)，很多研究認(rèn)為H2S/HS-產(chǎn)生毒性的首要原因是它會(huì)抑制細(xì)胞色素c 氧化酶并降低細(xì)胞產(chǎn)能[29]；也有研究表明高濃度H2S 會(huì)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(jìn)入植物代謝系統(tǒng)，則會(huì)引起組織塌陷等急性損傷[31]。在本實(shí)驗(yàn)中，高濃度的NaHS 則直接造成大量C.pyrenoidosa細(xì)胞的破碎結(jié)團(tuán)[圖2(d)]，這是造成生物質(zhì)濃度在第1天出現(xiàn)下降趨勢(shì)的原因。從顯微照片中仍可以看到有些C.pyrenoidosa細(xì)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(shí)存活細(xì)胞的生長率已大于死亡率。存活細(xì)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(cè)這部分細(xì)胞對(duì)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(duì)藻細(xì)胞的毒害。綜上可知，1mmol/(L·d)以下濃度的NaHS 對(duì)C. pyrenoidos的生長沒有明顯影響，則C.pyrenoidosa對(duì)H2S水溶物具有較好的抗性。

2.1.2 Na2SO3對(duì)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(duì)C. pyrenoidosa的生長產(chǎn)生促進(jìn)作用。實(shí)驗(yàn)中，Na2SO3添加濃度越高，獲得的藻細(xì)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(shí)，藻細(xì)胞的生物量產(chǎn)率和比生長速率達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(huì)對(duì)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(jìn)C. pyrenoidosa快速生長，由此說明該藻對(duì)SO2可能具有更強(qiáng)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(xì)胞直徑相對(duì)更小，并且出現(xiàn)細(xì)胞聚集現(xiàn)象。硫元素對(duì)細(xì)胞的生長和分裂等代謝過程具有調(diào)控作用，小球藻在細(xì)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(huì)抑制四尾柵藻的細(xì)胞周期[35]。結(jié)合生物質(zhì)比生長速率結(jié)果（表2）推測(cè)，過量的Na2SO3可能使C.pyrenoidosa的細(xì)胞周期縮短，從而使繁殖速率提高，而細(xì)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(shí)驗(yàn)中各濃度的Na2SO3都能促進(jìn)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(duì)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(duì)C.pyrenoidosa生長的影響

NH3在水體中主要形成NH3·H2O對(duì)微藻細(xì)胞產(chǎn)生作用。從圖5可以看出，當(dāng)NH3·H2O的添加量為0.7mmol/(L·d)與7mmol/(L·d)時(shí)并未對(duì)C.pyrenoidosa的生長速率和生物量產(chǎn)生明顯影響，與對(duì)照組表現(xiàn)出相同的生長趨勢(shì)，生物量產(chǎn)率和比生長速率也與對(duì)照組相差不大（表3）。Goto等[37]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)液中NH+4-N濃度高達(dá)1600mg/L時(shí)，較NO2-3-N培養(yǎng)基仍會(huì)對(duì)Chlorella vulgaris的生長產(chǎn)生促進(jìn)作用，但是理論上此時(shí)游離氨的含量僅為2.97mmol/L；當(dāng)游離氨初始濃度為13.30mmol/L 時(shí)，則會(huì)在生長初期對(duì)Chlorella vulgaris產(chǎn)生生長抑制。比較可知，本實(shí)驗(yàn)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(duì)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(huì)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(huì)對(duì)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(duì)游離氨具有不同程度的耐受能力[42]。本實(shí)驗(yàn)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(xì)胞的破碎死亡，但在其他濃度條件下微藻細(xì)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)生長和藻細(xì)胞形態(tài)產(chǎn)生影響，所以其在利用煤化工廠煙氣CO2時(shí)，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(duì)C.pyrenoidosa 生物質(zhì)成分的影響

2.2.1 NaHS對(duì)C.pyrenoidosa生物質(zhì)成分的影響

從表4可知，當(dāng)NaHS的添加量低于1mmol/(L·d)時(shí)，對(duì)C.pyrenoidosa的細(xì)胞組成均無顯著影響（P＞0.05），僅當(dāng)添加量為4mmol/(L·d)時(shí)，會(huì)對(duì)細(xì)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(huì)阻礙蛋白質(zhì)的合成，促進(jìn)淀粉的積累，而氮素的缺乏會(huì)增加油脂的積累[43]。本實(shí)驗(yàn)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(shì)，最終高硫組可溶性蛋白含量高于低硫組。本實(shí)驗(yàn)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(xì)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(duì)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(duì)C.pyrenoidosa生物質(zhì)成分的影響

從表5 可知， 當(dāng)Na2SO3的添加量低于10mmol/(L·d)時(shí)，對(duì)C.pyrenoidosa的細(xì)胞生化組分無 顯 著 影 響（P＞0.05）， 僅 當(dāng) 添 加 量 達(dá) 到40mmol/(L·d)時(shí)，會(huì)對(duì)細(xì)胞蛋白質(zhì)和總糖含量產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），較對(duì)照組，蛋白質(zhì)含量降低13.45%，總糖含量提高42.90%。SO2-3會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)小球藻的油脂含量產(chǎn)生影響。微藻細(xì)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(duì)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(duì)C.pyrenoidosa總糖含量影響顯著（P＜0.05），對(duì)蛋白質(zhì)含量影響極顯著（P＜0.01），對(duì)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(shì)，總糖含量呈上升趨勢(shì)；較對(duì)照組，7mmol/(L·d)的添加量會(huì)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(duì)微藻C、H元素含量影響不明顯，對(duì)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(duì)C.pyrenoidosa細(xì)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(shí)會(huì)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(jià)值，是優(yōu)良的單細(xì)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(xì)胞具有作為動(dòng)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(duì)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(shí) 對(duì)C.pyrenoidosa生長均無抑制作用，表明C.pyrenoidosa對(duì)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(huì)對(duì)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(shí)現(xiàn)在固碳減排的同時(shí)收獲微藻生物質(zhì)進(jìn)行資源化利用。

另 外， 本 文 分 別 探 究NaHS、 Na2SO3和NH3·H2O對(duì)C.pyrenoidosa的毒性，未對(duì)其交互作用進(jìn)行探究，下一步可設(shè)計(jì)交互實(shí)驗(yàn)探究其共同存在時(shí)對(duì)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(shí)氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以獲得更切實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果。