固定烟道气温室气体的微藻的分离及培养特性测定

收稿日期:2001205201基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(211)・作者简介:岳丽宏(1971-),女,吉林伊通人,沈阳大学讲师,东北大学博士研究生;陈宝智(1943-),男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师・2002年3月第23卷第3期东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Mar.2002Vol 123,No.3文章编号:100523026(2002)0320289204固定烟道气温室气体的微藻的分离及培养特性测定岳丽宏,陈宝智,王　黎,胡筱敏(东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳　110004)摘 要:利用配置烟道气驯化含微藻的泥水混合试样,分离出对高浓度CO 2条件有很强适应力的微藻ZY 21,并对该藻的培养特性进行了测定・微藻ZY 21属小球藻属・微藻ZY 21在CO 2的体积分数从10%到15%的范围内有较高生长力,在CO 2的体积分数为10%时,生长最好・微藻ZY 21对温度、气体流速、p H 值等物理条件也有很宽的适应范围,在温度为25～30℃、流速为0125～0175L ・min -1、p H4～6范围内,生长基本稳定・在培养条件为10%CO 2、25℃、p H510时,微藻ZY 21的增长率最高,CO 2的固定率平均值为01397%・上述结果表明,利用该藻固定烟道气温室气体具有一定的可行性・关　键　词:配置烟道气;温室气体固定;CO 2;微藻;分离;驯化培养;培养特性中图分类号:X 511;X 172 文献标识码:A近年来,由于工业的急速发展和人口的迅猛增加,大气中CO 2等温室气体的浓度一直保持着逐年上升的趋势,CO 2体积分数已由工业革命前的280×10-6增加到现在的360×10-6[1,2]・近年的全球变暖、极地冰川融化、海平面上升以及由这些现象引发的一系列不良后果都与温室气体的温室效应有关[3]・据统计,每年由煤、石油等燃料燃烧释放的CO 2就有2×1010t [4]・尽管利用现有的捕集技术[5]可以回收一部分由点源释放的CO 2,但要达到彻底去除的目的,就必须对捕集下来的CO 2进行永久性的储藏或再利用・近几年,国外有很多文献报道了利用微藻固定CO 2这一有希望的、经济高效的新方法[6,7],但国内报道不多[8]・通常,适宜于微藻生长的CO 2的体积分数为1%～5%,但当CO 2体积分数大于5%时,微藻的生长受到抑制[9]・而一般的烟气中,CO 2的体积分数约为15%左右・因此,只要能获得在高浓度CO 2条件下生长的微藻,就可找到一种高效固定CO 2的方法・1　材料与方法1.1　驯化、分离微藻从辽宁某地取泥水混合物作为微藻混合试样;驯化、分离培养基为水生4号培养基,微藻保种培养基为水生9号培养基[10],各培养基的初始p H 值均调整在610左右,灭菌备用;配置烟道气的成分(体积分数,%)为:CO 215;O 22;N 283・首先在50mL 的反应器内装上30mL 培养基,将湿重约1g 的微藻混合试样接种到该培养基里,在25℃预培养3周・光源采用荧光灯,光照强度为2500lx ,光暗周期比为12h ∶12h ・然后利用配置烟道气驯化培养预培养后的微藻试样,气流流速大于60mL ・min -1,以白炽灯为光源,光照强度约为11000lx ,光暗周期比为10h ∶14h ,驯化培养周期为4d ・取1mL 的驯化后的藻液,接种到新的培养基中,照前面的方法反复驯化培养3次,然后采用平板分离法[11]进行微藻的分离培养,直至获得纯藻群,将该藻命名为ZY 21藻,利用C/N 分析仪(NC 2800)测得其含C 率为01456,并进行保种・本次实验经驯化、分离微藻混合试样,获得了能在较高CO 2浓度(体积分数为15%)条件下生长的微藻ZY 21,该藻为单细胞绿藻,球形,包含一个叶绿体,无性繁殖,参照有关藻类分类学的书籍[11],可知该藻属小球藻属・1.2　培养特性的测定培养特性测定试验选HB 275藻类培养基[10]・试验装置如图1・按表1列出的影响ZY 21藻生长的主要物理和化学参数,对ZY 21藻进行培养特性测定・图1　培养特性测试实验装置图Fig.1　Diagram of the experimental apparatus of determining the cultural characteristics表1　测试ZY 21藻培养特性的实验参数Table 1　Experimental parameters for determining cultural characteristics of ZY 21strain实验序号培 养 参 数CO 2的体积分数/%气体流速/(L ・min -1)培养温度/℃培养基初始p H 值1空气,5,10,15,200.2525 6.0210,15,20,50,1000.2525 6.03100.1,0.25,0.5,0.75,1.0256.04100.2520,25,30,35,406.05100.25253.0,4.0,5.0,6.0,7.0每次实验的接种液均取自通空气预培养的藻液,接种藻细胞净重约为30～50mg ,接种到500mL 的培养基中,培养周期为一周・收获的藻细胞用消毒水离心清洗后,在105℃烘干24h ,称其干重・计算公式[12]如下:微藻的增长率G R =收获的藻细胞干重-接种液中藻细胞干重接种液中藻细胞干重(倍数/周)(1)CO 2利用率U E =收获的藻细胞干重-接种液中藻细胞干重×01456×44通入的CO 2总质量×12×100%(2)微藻生物质的1g 有机碳约相当于44.7kJ 的能量[13],辐射能由光照度计测得・光合成率P E =收获的藻细胞干重-接种液中藻细胞干重×01456×1114辐射能×100%(3)2　结果与讨论各组实验结果如图2所示・2.1　CO 2浓度对ZY 21藻增长率的影响图2a 和图2b 反映了CO 2的浓度(体积分数,%)对ZY 21藻生长的影响情况・从图中可以看出在CO 2的体积分数处在10%和15%之间,ZY 21藻获得了较好的生长,CO 2的体积分数为10%时,其增长率最大・随着CO 2的体积分数的继续增加,ZY 21藻的生长受到抑制,在纯CO 2条件下,不再生长,但培养液始终为绿色・2.2　气流速度对ZY 21藻增长率的影响图2c 反映了通气速度对ZY 21藻生长的影响情况,在气流速度为0125～0150L ・min -1时,微藻ZY 21有较高的增长率,但在整个流速范围内,增长率变化不大・2.3　培养温度对ZY 21藻增长率的影响图2d 反映了在不同温度下,ZY 21藻生物质的增长情况,在20℃增长明显不如25℃,在25℃和30℃之间长势良好,增长率变化不大,约在25℃时增长率达最高值・而当温度为35℃,增长率有所下降・2.4　培养基的初始pH 值对ZY 21藻增长率的影响从图2e 可以看到p H 对ZY 21的影响情况・起先培养液初始p H 的下降并没有阻碍ZY 21藻的生长,相反,其增长率曲线略有升高,在p H 为5时,增长率最大・随着p H 的继续下降,到p H 为3时,ZY 21藻生长明显受到抑制,4天后死亡・在上述实验条件中,CO 2的浓度是主要因素,ZY 21藻对高浓度的CO 2条件的适应力表明其具有在烟道气条件下生长的可能性・温度、气体流速、培养基初始p H 值等物理条件在一定范围内的变化对该藻的生长影响不大,ZY 21具有较稳定的生长趋势,所有这些特性都说明ZY 21藻不需要严格地约束培养条件,因此可以利用ZY 21藻固定烟道气中的CO 2,来减少温室气体的排放・92东北大学学报(自然科学版) 第23卷图2　培养特性测试实验结果Fig.2　The experimental re sults of determining the cultural characteristics(a )—ZY 21藻增长率随CO 2的体积分数的变化;(b )—ZY21藻增长率随CO 2的体积分数的变化;(c )—ZY 21藻增长率随通气流速的变化;(d )—ZY 21藻增长率随培养温度的变化;(e )—ZY 21藻增长率随培养液初始p H 值的变化・综合考虑前面5组实验结果,不难看出,在培养条件为10%CO 2、0125L ・min -1、25℃、p H510时,ZY 21藻生长最好・利用每组实验在该条件下获得的数据,计算光合成率及CO 2利用率,结果如下表・表2　最佳培养条件下ZY 21藻的光合成率及CO 2利用率Table 2　Photosynthetic efficiency and carbon dioxideutilization of the ZY 21strain derived from the optimum cultural conditions 实验编号光合成率P E /%CO 2利用率U E /%1 3.420.4532 3.130.4253 2.860.3744 2.530.3185 2.940.396平均值2.980.3973　结 论(1)通过对驯化培养后的藻液进行分离,成功地分离出在高浓度CO 2条件下具有较高生长率的ZY 21藻,此藻属小球藻属・(2)ZY 21藻对高浓度CO 2条件(体积分数在10%～15%范围内)的适应性,以及其在气流速度、培养温度、培养基初始p H 在一定范围内变化时所体现出的生长稳定性,都说明ZY 21藻适于烟道气条件培养,由此证明利用ZY 21藻固定烟道气温室气体具有一定的可行性・参考文献:[1]Neftel A ,Moor E ,Oeschger H ,et al .Evidence from polarIce cores for the increase in atmospheric CO 2in the past two centuries[J ].N at ure ,1985,315:45-47.[2]Aikawa M ,Y oshikawam K ,Y omida M ,et al .Continuous monitoring of carbon dioxide concentration in the urban atmosphere of Nagoya ,1991-1993[J ].A nal Sci ,1995,11:357-362.[3]Steinbery M.History of CO 2greenhouse gas mitigation technologies[J ].Energy Convers &M gmt ,1992,l33(5-8):311-315.[4]Negoro M ,Shioji N ,Miyamoto K ,et al .Growth of microalgae in high CO 2gas and effects of SO x and NO x [J ].A pplied Biochemist ry and Biotechnology ,1991,28/29:877-887.[5]Saha S ,Cxhakma A.Separation of CO 2from gas mixtures with liquid membranes[J ].Engergy Convers M gmt ,1992,33(5-8):413-420.[6]Miura Y ,Yamada W ,Hirata K ,et al .Stimulation of hydrogen production in algal cells grown under high CO 2concentration and low temperature [J ].A ppl Biochem 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rate in a broad range of physical conditions including air flowing rate,temperature and p H value.It has steady growth at the flow of 0125～0175L・min-1,25～30℃and p H4～6.The optimum cultural conditions seems to be10%CO2,25℃,p H510with the CO2utilization efficiency of01397%.These indicate the feasibility of fixing greenhouse gases from the stack gases with the ZY21strain.K ey w ords:reproduced stack gases;greenhouse gases fixation;CO2;microalgae;isolation;enrichment culture;cultural characteristics(Received M ay30,2001) 292东北大学学报(自然科学版) 第23卷。