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废水养殖高油微藻的研究进展

来源:华佗小知识
现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2013,Vo1.29,No.6 废水养殖高油微藻的研究进展 王琴,符笳茵,应月,黎奇欣,黄嘉玲 (仲恺农业工程学院轻工食品学院,广东广州510225) 摘要:本文对适合繁殖于废水中的常见高油微藻的品种、生存条件、处理废水能力、油脂含量及其产油率进行详细介绍,并阐 述了在利用废水养殖微藻过程中的重要影响因素如温度、pH、氮、磷等,对高油微藻的繁殖生长和其含油量的影响,从而进一步展 示出废水用于养殖高油微藻的可行陛,最后简述了现利用不同废水的特性和用于养殖微藻的研究状况和实例,提出了在该现状下我们 亟待解决的相关技术问题,为今后用废水养殖高油微藻的研究提供参考。 关键词:废水;高油微藻;生物柴油 文章篇号:1673.9078(2013)6—1442.1446 Research Progress of Culitvation of Oleaginous Micro-—algae in Wlaste、 ter WANG Qin,FU Jia-yin,YING Yue,LI Qi-xin,HUANG Jia-ling (College ofLight Industry and Food,Zhongkai University ofAgriculture and Engineering,Guangzhou 510225,China) Abstract:The paper introduces the common species of oleaginous micro-algae in waste water and the important factors in cultivating oleaginous micro-algae in waste water,such sa temperature,pH,percentage ofnirtogen and phosphorus.The research development and etchnical problems ofoleaginous micro-algae cultivation in waste water were also discussed. Key words:waste water;eaginous micro-algae;bio-diesel 随着工业进步和社会发展,日趋严重的水污染成 经研究得出,微藻即能很好地处理污水也适合用 了世界性环境治理难题。国内外常用的污水处理法, 于产油。微藻作为一种自然环境的净化者,很早就被 如活性污泥法、生物膜法等,虽然对有机物、悬浮固 提出并应用于废水中的无机氮磷以及金属元素等污染 体的去除率都很高,但对污水中存在的营养物质,如 物质的去除。同时藻丝在生长过程中利用了废水中的 氮、磷等只能去除20,--40%,出水的氮和磷含量仍然 氮、磷等营养成分,减少了配制培养液时化肥的用量, 偏高,足以引起水体营养化,且普遍存在投资大、运 降低了生产成本。而且微藻具有生长速率快、收获时 行成本高、排出水对环境可能产生二次污染等问 。 期短、光合利用效率高等特点,而且每年固定的CO2 因此,寻求一种高效、低耗、可在再生利用的污水生 大约占全球净光合产量的40%,其产油量比陆生植物 物处理技术已成为当前的研究热点。 单产高出30倍,是目前所知的唯一可能代替化石能源 另外,面临即将到来的能源危机,人类意识到要节约 的原料【3J。因此,利用废水来培养产油微藻,既可以 能源的同时,开发新型能源也显得十分重要。而新兴 利用微藻对这些大量的富氮磷废水实现高效无害化处 的生物柴油以其绿色环保及可再生等诸多优点,日益 理,还可为能源微藻生产油脂提供丰富廉价的营养与 成为重要的新型能源燃料,据统计原料成本只是生物 水资源,一举两得。 柴油制备成本的75%【2】。目前,国内外工业生产生物 柴油的原料主要来自植物油和动物油,它们都存在着 1废水中的高油微藻 成本高、产量低、受环境影响大、经济性差等缺点, 1.1栅藻 难以在产油方面持续发展。因此,生物质柴油能否实 栅藻(Scenedesmus sp.)是一种高环境污染耐受 用化的关键是要寻求到充足而廉价的原料供应及提高 性的微藻品种,常生长于许多富营养的污水环境中, 转化率,从而降低成本。 由于其高效的氮、磷利用率以及生长快速、异养能力 收稿日期:2013-01-21 强,和它的高生物量产率、固碳能力以及高效降低CO2 基金项目:海珠区科技计划项目(2010-C-06) 作用,因此经常被用于微藻的废水培养【¨]。有学者研 作者简介:王琴(1973-),女,博士,副教授,预导,研究方向:食品 ̄Jn'T- 究出,栅藻LX1在营养含量较低的水产养殖废水中, 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2013,Vo1.29,No.6 也能较好地生长【6】。另外,刘磊等对二形栅藻进行污 水耐受性实验,实验结果表明二形栅藻对实际污水有 很强的适应性。而且栅藻能高效率地去除废水中的不 同形态的氮,这一特点可以看出栅藻对氮有较高的利 用率。经过测定,培养至稳定期时的栅藻,对氨氮、 亚硝态氮和硝态氮的去除率分别为95.5%、96.3%和 85.8%,总无机氮去除率为88.0%【7J。栅藻含油量为 31.77%,不含有单不饱和脂肪,多不饱和脂肪酸含量 较高。在培养方式上,栅藻在异养条件下的生命力较 强且产油量较高,与含油量相加起来,油脂产率可高 达129.13 mg/(L・d),是自养条件下的8倍,适合进一 优化作为生物柴油原料 】。 1-2小球藻 小球藻(Chlorella)是绿藻小球藻科中的一个重 要属,能适应于不同的生长环境【9J。研究结果显示, 硝态氮更加适合普通小球藻的生长,但高浓度的硝酸 盐条件下,藻体细胞中的油脂有明显的下降,而略显 酸性培养液更有利于小球藻的生长,较高浓度金属镁 离子达70 mg/L,则能够明显刺激小球藻生物量的增 长,铁离子只能在有限区间内促进小球藻的生长,在 氮浓度影响方面,较低氮浓度利于油脂的合成,在一 定程度上,另外补充钙离子浓度能够增加藻体细胞中 油脂的含量Ll uJ。 研究显示u ,在小球藻细胞组成中,蛋白质占为 7.3~88%,碳水化合物占5.7~38%,脂类占4.5~86%。 小球藻细胞中脂类含量的增加主要是由于脂肪酸积累 的结果,在氮饥饿条件下,蛋白核小球藻在生长时可 形成高达86%的脂类,而在正常的小球藻细胞中,脂 类含量为25%,在正常和氮饥饿条件下生长的小球藻, 在脂肪酸组成上没有明显的差异。 在原废液处理方面,小球藻对原废水中大部分有 机物利用降解程度不高,而对还原糖、氨氮和硝基氮 的去除率较高。另外,Mhopaarta[12J等研究出小球藻具 有解除水银毒害作用的能力。而Linag[ 】等发现小球 藻能够在含有重金属及过量铵的废水中生长,在处理 废水的同时实现了废水中资源的利用。 1-3布朗葡萄藻 布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)细胞中含有丰 富的烃类物质,其产烃量为生物量干重的0.3~76.0%, 通常情况下为25--40%,甚至在天然样品中最高可以 达到86%,大大高于其他微生物的含烃量(几乎都低于 1%)【l制。布朗葡萄藻又称为“油藻”,因为它所积累的 烃类的组成和结构与石油很相似,都有较高的热值, 而且能形成一些石油沉积中大部分的有机质【l 。布朗 葡萄藻细胞除了能合成烃类物质外,也还能合成脂肪 酸、三酰甘油以及固醇等脂类,极有优势成为工业藻 种,是一种潜在应用价值极高的能源微藻【l 。 布朗葡萄藻属于光能自养型,在光合作用过程中, 以太阳光为能源,合成生长所需要的有机物,藻细胞 在这种生长过程中能够吸收大量的氮、磷等营养物质, 从而可以降低水体中的营养负荷,达到净化水质的效 果。Sawayama等【1 用经过二次处理的生活污水 (Second Treated Sewage,STS)培养布朗葡萄藻,发现生 活污水中的氮和磷含量大大减少,有毒重金属元素砷、 铬、镉等的浓度也大为降低,此外,污水中的亚硝酸 盐也可以被布朗葡萄藻所吸收利用,降低亚硝酸含量。 这表明,将布朗葡萄藻的培养与污水治理的结合应该 受到充分的重视。 1.4盐藻 盐藻(Dunaliella)可在从接近淡水(NaCI<0.1 m) 一直到饱和盐水(NaCI>5 m)的介质中生存、繁殖, 大多生活在富含NaCI的水中,如海洋、盐湖、盐池 盐碱地等处,能够抵御碱性环境,其最适生长的NaCL 浓度为22%。在正常海水中,盐藻累积的蛋白质含量 为干重的50--60%,累积的甘油为干重的40~50%,而 在饱和盐水中,甘油的累积量可达干重的80%以上。盐 藻光合作用的主要产物是甘油,它主要是维持细胞内 外渗透压的平衡。盐藻细胞的甘油含量和盐度有密切 关系。一般而言,盐度越高,甘油含量也越高,表明 培养盐藻时,只要维持一定的氮磷浓度,甘油的合成 就能正常运行【J 。 盐藻处理废水过程中,水体的pH和DO均为先 增加后减小最终趋于稳定,COD没有太大的变化,氨 态氮的去除率均达到l00%,硝酸盐、亚硝酸盐、磷 酸盐的去除率均能到到1O0%,其余各样品随废水浓 度增加,其去除趋势一致,均为随之增加的 引。 1.5螺旋藻 螺旋藻(Spirulina)嗜碱(pH9~l1)和在温度较 高的水中(25~36℃)下生长,是严格的光能自养型藻 类。靠阳光和吸收水中的CO2进行光合作用,光合成 能力极强,一般高等植物的光能利用率通常是5--6%, 而螺旋藻的光能利用率高达18%,光合效率达43%, 是一般农作物的3倍以上。螺旋藻含油量为l0.02%, 油脂主要由棕榈酸、亚油酸和1,-亚麻酸组成,其中C一 亚麻酸为脂肪酸组成的26.78%,是目前所发现植物中 含C一亚麻酸最多的油源[2o]。大量资料表明[2¨,利用藻 类的吸收,富集和降解作用,可有效去除污水中的重 金属和营养盐,还能降解多种有机毒物如农药、烷烃、 酚类等。 2影响高油微藻产油量的因素 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2013,Vo!.29,No.6 2.1温度 件下,微藻细胞内的油脂含量反而会有所提高[3 。其 原因可能是在氮源充足时,微藻细胞代谢正常、生长 旺盛,细胞内的初级代谢产物如脂类、蛋白质和核酸 等均能正常合成,因此所得脂肪酸含量较低。而当氮 源缺乏时,含氮化合物如蛋白质和核酸等的合成则受 到了限制,而含氮元素较少的例如贮存脂类和绝大多 数膜质等不受限制,从而仍能继续合成,同时由于细 胞还有固定CO2的功能,所以细胞内多余的碳源能继 温度是影响藻类所有代谢活动的一个主要因素 引,也是影响微藻脂肪含量和脂肪酸种类的重要因素 之一。有研究证明,在极端高温或低温条件下,微藻 合成的脂肪量有所减少,还指出极端温度下合成受限 的原因可能是相关的酶发生不可逆损伤所致的 】。 而在一定范围内升高培养温度会使某些藻合成脂肪的 含量增加,但高温条件下培养的微藻,其不饱和脂肪 酸的含量下 ∞J。 续流入次级代谢途径,进一步合成长链脂肪酸,因此 Oliveira研究发现,在温度降低的情况下,一些微 藻细胞内多不饱和脂肪酸的含量会增加,这可能与多 不饱和脂肪酸决定细胞膜的流动性有关 。 2.2光照强度 光照的强度不仅能直接影响微藻细胞的光合作 用,还能影响微藻细胞的油脂含量,和调节脂肪酸的 组成[2丌。高光强在减少极性总脂含量的同时增加中性 脂质含量光照强度,会改变脂肪酸的饱和程度,如海 水藻中的一种Ulvapertusa,当在强光的条件下,其细 胞内饱和脂肪酸的组成有明显的增加【2引。而低光强可 以促进极性脂质合成,特别是与叶绿体连接的极性膜 脂,大部分种类在低光照强度时具有高水平的EPA, 而DHA则通常随光照强度降低而减少。这种变化也 许跟细胞内参与光合作用的细胞器的变化有关。 2-3 pH值 微藻生长环境的pH会影响微藻光合作用中二氧 化碳的可用度,在正常生长条件下,微藻可接受的水 体的pH范围在6.5~9.0之间,过高或过低的pH都会 影响微藻对有机碳源的利用率。对于不同的藻类,其 生长需要的最佳pH值不同,当偏离最佳pH值条件下, 微藻生长和体内有关代谢活动将会受到抑制,进而直 接影响了微藻的生长和油脂的积累【2 uJ。一般来讲, 微藻细胞最佳的生长pH一般在8.0左右。而在产业化 培养过程中,需要往培养液补充大量的CO2,故培养 过程中,培养基的pH能维持在相对平衡的水平(pH 8.0)。而影响微藻生长乃至油脂积累的关键因素之一 是CO 通气量,因为在通气的培养基中,随着通气量 或者Co2的增加,藻细胞中脂肪酸油脂的总量将会降 低,而脂肪酸的含量反而会升高。但是,如果通气速 率过高,又将导致细胞内脂肪含量的下降,这可能是 脂肪代谢在此条件下加快导致的结果【3 J。 2.4氮 氮的含量能影响微藻的终生物量含量,随着氮的 减少,微藻的终生物量降低,而微藻细胞内的积累油 脂反而升高【 ¨ 。有学者研究得出,氮浓度的改变能 给微藻的脂肪酸组成带来影响,当在氮元素缺乏的条 细胞干重中油脂的百分含量增ant 】。 2.5磷 磷是构成DNA、RNA、ATP和细胞膜的必需元 素,也是微藻细胞生长的关键因素。在研究磷元素缺 乏条件下微藻细胞内油脂含量的过程中发现,磷的缺 乏能使鲁兹帕夫藻、角毛藻和三角褐指藻等细胞内的 油脂含量增加,但是对于绿色鞭毛藻藻种,如融合微 藻和拟球藻等,其油脂含量反而会降低【3 。由于微藻 细胞内的多不饱和脂肪酸主要是以极性脂肪酸的形式 存在,因它们细胞中的脂肪酸含量受磷浓度影响显著。 但是藻的种类不同,对磷的需求也不同,甚至差异较 大,也有些个别藻种会随着磷的浓度降低,而细胞内 PUFAs的含量增加。另外,不同N/p也会对微藻细胞 的生长和脂肪酸合成有影响,魏东等报道当培养基中 的氮与磷的比大于20时,拟微绿球藻脂肪酸中EPA 和PUFAs占总脂肪酸的比例约为30-35%。 2.6盐度 在各种盐度的条件下,藻细胞都会产生一些代谢 物来保护自身与环境的渗透平衡而不受盐分伤害。例 如一些海水藻类和盐水藻类,当外界的盐浓度改变时, 其藻细胞会产生一些代谢物,保持细胞壁的厚度和细 胞膜的通透性,以保持与环境的渗透平衡避免受到盐 分伤害【3引。当培养液中盐度从0.4 M增加到4 M时, 杜氏盐藻细胞中饱和脂肪酸与单不饱和脂肪酸的含量 增加,但多不饱和脂肪酸的含量反而减少【3引。 3养殖高油微藻的废水 3.1生活废水 吕素娟[40】等研究了怎样利用城市生活废水培养 产油微藻,实验得出利用城市生活废水作为培养基, 需补充一些营养组分如无机氮、无机磷、柠檬酸铁铵 以及微量元素,其加入量也对藻细胞的生长、生物量 和油脂积累等有重要影响。对优化后的废水进行检测, 得其培养基中的微藻细胞浓度可达8.0 g/L左右,远高 于标准BG11培养基5.0g/L水平。另外在生活废水中, 微藻细胞对无机氮与磷仍能有较高吸收能力,在废水 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2013,Vo1.29,No.6 中加入185.25mg/L以下无机氮,16.1 mg/L以下无机 磷的条件下培养3 ̄4 d后对样品进行检测,得培养液 水体中未发现有氮磷的残留。由此证明可利用城市生 活废水培养含油微藻,能获得微藻油脂的同时还可以 实现水体的氮磷无害化处理。 Kenichiro等 】用经过二次处理的生活污水作为 培养基培养葡萄藻,发现培养基中的氮和磷大大减少, 有毒重金属元素(砷、铬、镉)浓度也大为减少。在 3LSTS的葡萄藻批式培养中,发现藻的生长量与在改 良的Chu13培养基中相当,其产烃量为40 ̄53% (Chul3中为58%)。 3.2工业废水 许多工业排放的废水中都含有大量的有机质,如 食品行业的糖蜜、乳清、废糖液,造纸行业和造纸黑 废液中均含有,这些富含有机质的废水能给微藻提供 良好培养基。例如啤酒产生的废水污泥中含有 20, ̄30%粗蛋白及磷、铁、钾等营养元素和微量元素, 能作为藻类的理想培养基。 Woertz[42]等对微藻处理乳品和市政废水同时积 累油脂生产生物柴油进行了研究。在奶制品废水中, 废水浓度的不同,影响着微藻的含油量,一般在 14 ̄29%范围,其中最大生长量达到能17 mg/(d・L1。另 一方面,废水中微藻对铵盐和磷酸盐的去除率均能达 到了96%以上。而以市政废水作为培养基时,微藻最 高产油量可达到24 mg/(d・L),对铵盐和磷酸盐的去除 率均达到99%以上。这有利地证明了微藻不仅能很好 地在工业废水生长且很好地处理多余的有机物质,而 且还能同时积累油脂。 3.3农业废水 农业废水在此主要指饲养场排放废水,主要是动 物粪尿。动物粪尿通常用于农业施肥,另一条途径是 通过厌氧发酵以转化有机物并产生沼气作为燃料,而 厌氧发酵后产生的有机物和无机盐能作为藻类生长需 要的良好营养物。 Michael等 J研究了以牛粪液作为培养基培养小 球藻来生产生物柴油。他以聚苯乙烯泡沫塑料作为载 体附着微藻,得到了25.65 g/m2的最大生长量以及2.31 g/m 的脂肪酸产量。并且收获后附着在泡沫上的微藻 作为种子再次进行培养,能得到更高的藻生长量以及 油产量达到了2.59 g,rn2,并且总氮和总磷的去除量分 别达到了61-79%和62-93%。这个方法解决了微藻难 以收获的难题,为微藻柴油的生产提供了新方法。 4展望 1445 在化石能源和水资源紧缺的阶段,人们迫切需要 寻找可再生能源替代化石能源,而微藻的优势也日益 凸显,同时利用废水来培养微藻也显得具有其实际意 义,然而,利用微藻产油同时净化废水还有很多问题 需要解决:①筛选油脂含量高且生长繁殖快速的藻 种,该藻类要求既能积累高含量油脂,又必须能够在 废水中大量生长,同时还得能够高效的净化废水。而 未经人工导向的野生菌株很难达到这样的水平,因此 需要利用基因工程技术,研发驯养出符合要求的“工 程微藻”;②设计高效节能的光合反应器,所需的光 合反应器要求既能充分利用光能,又能保证稳定的最 大生物量产率,并且易于放大;③微藻生物产物的利 用,对废水气同时结合起来使用,并能大规模地培养 微藻,且能最大限度地利用产物,和最大限度地减少 生产成本,则需要建立一套高效的生产工艺和进行大 量的研究。 参考文献 [1] 张波.关于废水中氮和磷的去除研究【J].环境科学与管理, 2006,3 1(3):96-98 [2】 郑洪立,张齐,马小琛.产生物柴油微藻培养研究进展[J].中 国生物工程杂志,2009,15(3):110.116 [3】Palligamai Vasudevan,Michael B.Biodiesel production- current stateofthe 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