微藻固定高浓度CO_2技术的研究进展

第30卷第5期
Vol.30No.52009青岛理工大学学报Journal of Qingdao Technological University
微藻固定高浓度CO 2技术的研究进展
杨启鹏,岳丽宏3,康阿青
(青岛理工大学环境与市政工程学院,青岛266033)
摘　要:自工业革命以来,不断增长的燃料消耗导致大气中CO 2浓度日益升高,由此所产生的温室效应已经受
到全世界的普遍关注.近年来,国际上已经开展了生物固碳技术的相关研究.详细介绍了目前国内外利用微藻
固定高浓度CO 2技术的研究现状.
关键词:生物固定;微藻;CO 2;温室效应
中图分类号:X172 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2009)05—0069—06
Course of Biological Fixation of High 2CO 2Using Microalgae
YAN G Qi 2peng ,YU E Li 2hong 3,KAN G A 2qing
(School of Environmental and Municipal Engineering ,Qingdao Technological University ,Qingdao 266033,China )Abstract :Ever since t he Indust rial Revolution ,t he CO 2concent ration in at mo sp here has been
deadly beause of t he increasing consumptio n of fossil f uel.The greenhouse effect ,
which is caused by CO 2,has aroused worldwide attention.In recent years ,t he technology of
Biological Fixation of CO 2has been conducted in t he world.In t his paper ,we particularly in 2
t roduce t his technology using microalgae.
K ey w ords :biological fixation ;microalga ;CO 2;greenhouse effect
收稿日期:2009—01—05
基金项目:国家自然科学基金项目(50874067);山东省自然科学基金项目(Q2006B03)和青岛市自然科学基金项目(0622222222J CH )
作者简介:杨启鹏(19812　),男,山东青岛人.硕士,研究方向为环境生物技术.E 2mail :yqpbj @.3通讯作者(Corresponding author):岳丽宏,教授,博士.E 2mail :yuelihong @.
近年来,气候变暖问题已经受到全球的普遍关注,其主要原因是大气中CO 2等温室气体浓度的升高[122].工业革命以来,CO 2成为人类活动排放的主要温室气体,在大气中的浓度一直以非常惊人的速度增加,在2000-2006年间,大气中的碳浓度正以每年1193×1026的速度增长,而且在大气中的存留时间非常长.在英国埃克塞特举行的“避免气候恶化国际会议”上,专家提出:如果将全球的温室气体排放量在2050年前减少到1990年的50%甚至30%,人类也只有一半的机会将全球变暖压制到安全底线(气温上升2℃
)以内.CO 2浓度的升高通过温室效应使大气温度上升,从而引发了一系列的环境问题,例如海平面上升、洪水泛滥、生态系统分配改变等[3].正因如此,有关CO 2等温室气体的减排控制技术已经成为近些年大气污染控制工程的研究热点.
世界各国已积极的就CO 2处理工作展开研究,方法主要包括两类:①物化法.如溶液吸收法、膜分离法、分子筛吸附法、碳封存法及电化学处理法等;②生物法.主要利用林业和农业的碳汇功能吸收大气中的CO 2及利用微生物固定CO 2,其中微藻固碳技术已经得到越来越多的关注.利用微藻处理CO 2有着众多优势[4]:①微藻可以直接利用太阳能进行光合固碳,较物化法节省了大量的能源;②产生的微藻生物质可以
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应用到食品、生物医学等领域,避免了物化处理后带来的二次污染;③微藻的固碳效率是一般陆生植物的10～50倍[5],并且具有占地面积小,生长条件范围广,可在极端条件下生存等优点;④可以同时与废水处理工业相结合,培养微藻的同时有效去除水中氮磷等,保持生态平衡.为了深入研究和推广使用这种固碳技术,笔者对近年来国内外利用微藻固定CO2技术的机理及研究现状进行了评述.
1　微藻固碳机理
CO2固定是微藻利用光反应产生的A TP和NADP H合成有机物的过程,该过程是由Calvin和Ben2 son发现的,因此被称为Calvin-Benson循环,简称Calvin循环.
Calvin循环由13个步骤组成,主要分为羧化、还原和再生3个阶段.羧化阶段仅有一个反应,即在核酮糖21,52二磷酸羧化酶(Rubisco)的作用下,催化核酮糖21,52二磷酸和CO2产生32磷酸甘油酸.还原阶段有两步,首先在32磷酸甘油酸激酶的作用下,32磷酸甘油酸被A TP磷酸化,形成1,32二磷酸甘油酸,然后再在磷酸甘油醛脱氢酶的作用下,被NADP H还原为甘油醛232磷酸.最后是核酮糖21,52二磷酸的再生阶段,甘油醛232磷酸分子在酶与A TP的作用下转变、酸化形成核酮糖21,52二磷酸,核酮糖21,52二磷酸再与CO2结合,完成以上循环,从而实现对CO2的固定[6].
2　微藻固定CO2技术的研究现状
2.1　固碳微藻的分离驯化技术
从目前全世界每年人为的CO2排放比例来看,因化石燃料燃烧而排放到大气中的CO2总量占人类活动排放总量的80%,因此,要控制CO2排放,应该有效地处理因燃料燃烧而排放的CO2.固定高浓度CO2对所用微藻的要求十分严格,要求微藻必须能够耐受高浓度CO2、高温及SO x、NO x等的影响.通常化石燃料燃烧所排放气体中CO2的含量能达到15%(v/v)[7],甚至会高达20%～30%[8].一般微藻适宜生长的CO2浓度是低于5%,而大于5%的高浓度的CO2对微藻会产生毒害作用[9].过高浓度的CO2对微藻细胞质有“毒性”作用,因为酸化导致“麻醉”(Rabinowitch1951),从而降低光合作用的水平.微藻由低浓度的CO2转入高浓度的CO2时,其光系统会受到不同程度的影响,起初光系统Ⅱ(PSⅡ)会处于抑制阶段,活性降低,同时伴随着PSⅡ最大光化学效率和PSⅡ量子产率不同程度的降低.随着微藻生长速度的加快,PS Ⅱ水平逐渐恢复正常[10211].光系统Ⅰ(PSⅠ)则先显著升高,然后再回落至正常水平[12].同时高浓度CO2会明显抑制微藻细胞的碳酸酐酶(CA)活性和CCM的形成,阻碍CO2固定[13].因此,很多研究工作都围绕分离和驯化具有高浓度CO2耐受性的微藻展开,典型的研究成果有:
1)Kurano等[14]从韩国釜山海边培养出一种海洋绿球藻Chlorococcum littorale,该藻在10%～20%浓度的CO2条件下能够快速地生长,生长速率达到01078h21.试验采用3种不同容积的培养容器(10mL、4L、20L),分别通入20%、20%、10%浓度的CO2,考察不同环境下微藻的固碳情况,光照强度控制在20000lux左右,结果发现该种绿藻的固定CO2速率分别达到4、0165、0185g/(L・d).另外对从温泉中培养42个样品进行耐热耐酸试验,对藻样通入20%的CO2,设定培养温度为40℃,p H2,结果只有3种红藻存活,分别为:Cy ani di um cal dari um,Gal dieri a p arti ra和Cy ani dilschy z on melorae.进一步提高温度到50℃,调整p H到1,通入10%的CO2及50×1026的NO,3种藻均可以继续生长,紧接着通入50×1026的SO2,经过5d培养,只有Gal dieri a p arti ra能继续生长,5d后藻液浓度增加40%.
2)Y oshihara等[15]在日本Kinki地区海洋中通过对74种海藻进行筛选,得到一种海藻N annochloris sp.NOA2113,并研究了NO对该藻的影响.培养过程中,在4L藻液中以150mL/min的流速通入15%的CO2,同时用白炽灯提供9500lux的光照,培养5d后测得该种海藻有较高的固定CO2速率,平均为315 g/(L・d).在培养的第4天通入NO进行试验,浓度为100×1026和300×1026,培养2d,结果表明2种浓度的NO对N annochloris sp.NOA2113有微弱的抑制作用,但生长速率与无NO藻样相差不大.
3)Mat sumoto[16]等研究了3种藻N annochloropsis sali na,Phaeodact y l um t ricorm ut um及Tet rasel2 mis sp.TM2S3对实际烟道气CO2固定的效果.烟气源自日本仙台Toho ku电厂,成分主要包括CO2: 1411%;O2:113%;SO x:185×1026;NO x:125×1026.试验证明3种藻在高浓度CO2环境下均可以快速生
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长,其中Tet rasel mis sp.TM2S3的固定CO2速率最高达40g/(m2・d)(长方体培养容器:长215m,宽018m,高0125m).
4)Watanabe等[17]从稻田中驯化出一种小球藻HA21,该藻在5%～50%的CO2下,均可以保持生长,并且当浓度在10%,光照55000lux,CO2流速控制在250mL/min时,固定CO2速率达到最大6104 g/(m2・d)(圆柱形培养器:直径8cm,高40cm).
5)Morais等[18]对Chlorell a kessleri,Chlorell a v ul garis,S cenedesm us oliquus及S pi ruli na sp.分别进行固定CO2的试验研究.在藻液中分别通入6%,12%,18%浓度的CO2,测试微藻在不同浓度CO2下固碳的效果.结果显示,这4种藻都可以用于固定高浓度CO2,其生长速率见表1.Chlorell a kessleri在2L 培养基中,以300mL/min速度通入18%的CO2,最大固定CO2速率约为0138g/(L・d).S cenedesm us oliquus在4L培养基中,通入6%的CO2,最大固定CO2速率约为0138g/(L・d).Chlorell a v ul garis在2 L培养基中,通入6%的CO2,最大固定CO2速率约为0129g/(L・d).试验结果表明Chlorell a kessleri更适宜在高浓度CO2下存活.
表1　4种微藻在不同浓度CO2下的最大生长速率d21
CO2浓度/%
S pi rulina sp.
2L4L
Scenedesm us oliquus
2L4L
Chlorella v ul garis
2L4L
Chlorella kessleri
2L4L
60.380.420.330.220.260.310.250.38
120.360.330.330.240.250.200.250.39
180.260.180.280.330.210.120.390.38
6)Brown[19]与Sung[20]等分别培养出微藻M onora p hi di um mi nut um与Chlorell a KR21,虽然没有直接给出2种微藻具体的固碳数据,但试验证明2种微藻都能在高浓度CO2下快速生长.M onora p hi di um mi nut um以大约1×105个/mL的初始浓度接种于300mL培养基中,通入1316%的CO2,200×1026的SO2,150×1026的NO,控制光照10000lux,16∶8光照比,并加以磁力搅动,转速150r/min,培养4d后,藻细胞浓度达到大约1×107个/mL,显示出该种微藻能高效固碳,并且对NO,SO2具有较好的耐受性.
7)岳丽宏等[21]从沈阳市南郊稻田取得泥水混合物,培养出Chlorell a sp.ZY21,在光照55000lux,通入的CO2浓度为10%时,小球藻ZY21对CO2的固定速率最大,约为21023g/(L・d).当CO2浓度在10%～20%的范围内,ZY21对CO2的固定速率相差不大,CO2浓度为15%和20%时,Chlorell a sp.ZY21的CO2固定速率分别为11922和11855g/(L・d).当CO2浓度大于30%时,ZY21对CO2的固定速率有下降的趋势.在CO2浓度为70%时,该藻对CO2的固定速率为01234g/(L・d),仍能起到固定作用.同时通过试验说明当气流中含有400×1026SO2时,培养液从初始的p H6.0降至p H3.0,小球藻ZY21生长完全受到抑制,几天后藻液由绿变白直至死亡.
8)ED2Haun Chang等[22]通过对台湾湖泊、池塘、温泉、稻田及海洋的调查,在200多种微藻中筛选出1种单细胞绿藻Chlorell a sp.N TU2H15,试验温度采用30℃,并且提供30000lux的光照,发现微藻能在60%浓度CO2的环境中生长,根据藻细胞中碳含量大约占干重的50%计算,其固定CO2速率能达到0111～0113g/(L・d),但最大生长速率出现在CO2浓度为5%的情况下,固定CO2速率达到0151～0157 g/(L・d),当CO2浓度在20%时,固定CO2速率能达到0139～0150g/(L・d).
9)郭祯等[23]对亚心形扁藻进行研究,分别将浓度为5%,10%,15%的CO2通入藻液,温度控制在25℃,光照强度为3000lux.经过10d的培养,该藻藻液浓度分别比初始浓度增长316倍,216倍,213倍,藻细胞增加数量约为316×106,216×106,213×106个.
10)刘玉环等[24]对微藻S cenedesm us di mor p hus通入3313%的CO2进行研究,p H控制在715时,微藻最大固定CO2速率约为0199g/(L・d).
17
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2.2　成果对比分析
在对固定高浓度CO2微藻的分离驯化研究方面,国内外已经取得了一定的研究成果,这为今后进一步的实际生产应用提供了有力的技术支持.从目前所研究的成果可以看出,环境因素对微藻的生长影响是显著的,不同微藻对各种环境因素的耐受性较为明显.
2.2.1　微藻对不同CO2浓度的耐受性
一般来说,适合固定高浓度CO2的微藻,其最适宜生长的CO2浓度约在10%～20%.由研究结果可以看出,Brown Chlorococcum littorale的固碳速率最高,在20%浓度CO2下的固定CO2速率可以达到4 g/(L・d).其次是N annochloris sp.NOA2113.随着CO2浓度的提高,其对藻类所产生的“麻醉”效果愈加明显(Rabinowitch1951),绝大多数微藻的固碳速率呈现出下降趋势.例如Chlorell a sp.N TU2H15,CO2浓度在40%时,其固定CO2速率约为0122～0133g/(L・d),当CO2浓度达到60%时,下降到0111～0113 g/(L・d).而Chlorell a sp.ZY21在环境CO2浓度由20%上升到70%时,固定CO2速率从11855g/(L・d)下降到01234g/(L・d),虽然固碳速率有所下降,但是Chlorell a sp.ZY21在CO2浓度为70%的环境中仍有一定的固定效果.
2.2.2　微藻对硫化物、氮氧化物的耐受性
通常由于化石燃料燃烧所产生的气体中会含有一定量的硫化物或氮氧化物(主要是NO和SO2),如果微藻对硫化物或氮氧化物有一定的耐受性,会大大降低气体预处理成本.试验发现,所研究的微藻对硫化物或氮氧化物都有一定的抗冲击能力,例如Cy ani di um cal d ari um,Gal dieri a p arti ra和Cy ani2 dilschy z on melorae可以在50×1026NO,50×1026SO2下正常生存;而100×1026NO,100×1026SO2会对N annochloris sp.NOA2113产生微弱的抑制作用;N annochloropsis sali na,Phaeodact y l um t ricorm ut um 及Tet raselmis sp.TM2S3能在实际烟气(125×1026NO,185×1026SO2)中正常生长,体现了对NO和SO2良好的耐受性.
关于SO2对微藻的影响,有研究表明,其对微藻产生作用的原因主要是改变了藻液的p H,从而影响了微藻的生长.岳丽宏等对Chlorell a sp.ZY21进行研究,将400×1026SO2分别通入2份藻液,其中1份藻液的p H始终控制为6,另一份对p H不加控制.结果发现未控制p H的藻液p H很快下降到3,微藻死亡;控制p H的藻液微藻生长正常.
2.2.3　微藻对温度和酸度的耐受性
自然界中存在部分嗜热或嗜酸微藻,但能够在高浓度CO2下存活的微藻数量很少,因此对于此类微藻的研究得到普遍关注.大部分微藻适宜生长的温度在25℃左右,但Chlorell a sp.N TU2H15最佳适宜温度为30℃.相比而言,Chlorell a sp.ZY21的最佳生长温度虽然低于30℃,但研究结果发现Chlorell a sp. ZY21可以在40℃的环境中生存,固定CO2速率可以达到0.788g/(L・d),并且此藻可以在p H4的酸性环境中存活.在对温度、酸度耐受性方面表现最突出的是3种红藻Cy ani di um cal dari um,Gal dieri a p ar2 ti ra和Cy ani dilschy z on melorae,不仅可以在高达40℃的高温环境中生存,而且对酸具有更高的耐受性,可在p H2的环境中生存,其中Gal dieri a p arti ra的适应能力最强,可以在50℃,p H1的环境中生存.
3　微藻固碳的应用实例
随着微藻固碳技术的不断进步,国内外已经有了一些初步的应用,具有代表性的应用模式有:
1)夏威夷的蓝藻生物技术公司,利用一些小型能源工厂排放的烟道气作为规模培养螺旋藻和血球藻的碳源.该公司采用小型供能发电站发电产生的CO2作为藻类培养所需碳源.2个功率为180kW的发电装置提供67个培养池搅拌所需的电能和其他消耗,发电过程产生的废气中含8%的CO2回收至CO2吸收塔作为碳源,其回收利用率为75%左右,相当于每个月通过生产36t螺旋藻藻粉,重复消耗67t的CO2,并节省了购置CO2气体所需费用[25].
2)台电综合研究所将电厂排放的CO2作为养殖微藻所需碳源.与同样1hm2面积相比,植树一年可捕获25t的CO2,而微藻一年可捕捉58～90t的CO2,减碳成效不容小觑.该研究所利用台湾亚热带环境的优势,于台电大林火力发电厂进行微藻固定CO2先导型微藻养殖减碳试验,自电厂烟道抽取烟气以海水脱
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硫后供应养殖系统,利用微藻生长特性,吸收太阳光、热及电厂CO2后,进行光合作用.1kg的CO2经过微藻光合作用转换后,可产生0157kg的蓝绿藻和0173kg的氧气,这些蓝绿藻可制成保健食品、动物营养强化剂及微藻美容制品等.台电综合研究所以本土性微藻为研究对象,经过长期观察试验,筛选出适合电厂烟气CO2固定的2种微藻———黄金藻及螺旋藻,并完成大型光合反应器与立体光合反应器的建设工作.
3)1990—2000年,日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目.该项目利用微藻固定CO2,并着力开发密闭光合生物反应器技术,通过微藻吸收火力发电厂烟气中的CO2来生产生物质能源.该项计划共有大约20多个私人公司和政府的研究机构参与,10年间共投资约25亿美元,筛选出多株耐受高CO2浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种,建立起了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案.
将微藻固碳应用到工业生产,有着广阔的发展空间和巨大的经济效益.目前,利用微藻进行实际的生产还处于起步阶段,实际应用中还有许多问题需要解决.但随着人们对微藻性质研究的不断深入,通过技术手段不断增强微藻对环境的适应宽度,可以预见,今后微藻应用技术会有更广阔的发展空间.
4　存在问题与展望
目前,世界各地已经研究出多种适合固定高浓度CO2的微藻,其中大部分藻种属于海洋藻种,利用海洋微藻固定CO2对于运行设备的技术要求相对较高,其中主要是防止海水对设备的腐蚀.因此分离驯化淡水藻种是一条可行的技术路线,但目前这方面的研究还不多.用淡水藻固碳不仅对生产设备要求相对较低,而且最重要的是可以与污水处理工业相结合,不但节省淡水资源,而且可以有效去除污水中多种污染物质,有效地保护环境.基于目前利用微藻固定CO2技术的现状,迫切需要继续加强此项技术的研究,主要集中在以下2个方面:
1)藻种的选择、培养、驯化.在微藻的选择上,应尽量选择能够高效固定CO2,有较高经济附加值的淡水藻种,并且通过基因工程技术,提高微藻固碳效率,增强微藻对各种环境因素的耐受性.有较高耐受性微藻的优势在于可以把烟气等包含高浓度CO2的气体经过简单处理后或直接通入藻液中,而且对周围环境条件的要求也相对较宽松,这样不仅在很大程度上节约了生产成本,而且避免了不必要的二次污染.
2)开发和放大高效光生物反应器,进一步提高CO2处理量.随着今后工业生产规模的不断增大,排气量也随之增大,开发和放大高效光生物反应器可以有效地适应工业生产的要求,做到最大限度地处理排放气体.
当前,世界的CO2排放量每年逐渐增加,尽快完善微藻固碳技术直接关系到世界经济的发展,这对于科研工作者是一项巨大的挑战.
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(英文校审　刘学云)。