呂素娟，張維，彭小偉，陳曉琳，劉天中

1 中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266003

2 中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所 生物燃料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266101

城市生活廢水用于產(chǎn)油微藻培養(yǎng)

呂素娟1,2，張維2，彭小偉2，陳曉琳2，劉天中2

1 中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266003

2 中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所 生物燃料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266101

將廢水與產(chǎn)油微藻培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)廢水的無(wú)害化處理，還可為微藻的培養(yǎng)提供營(yíng)養(yǎng)組分和大量水源。利用高產(chǎn)油柵藻，以城市生活廢水為水源，在氣泡柱式光反應(yīng)器中，考察了添加不同營(yíng)養(yǎng)組分對(duì)柵藻細(xì)胞的生長(zhǎng)、生物質(zhì)產(chǎn)量、總脂含量以及氮磷去除情況的影響。結(jié)果表明：生活廢水非常適合于產(chǎn)油微藻的培養(yǎng)。利用生活廢水進(jìn)行微藻培養(yǎng)中，僅需補(bǔ)充添加無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷、檸檬酸鐵銨以及微量元素。但這些營(yíng)養(yǎng)組分的加入量對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)、生物量和油脂積累有重要影響。在優(yōu)化的廢水培養(yǎng)基中微藻細(xì)胞濃度可達(dá)8.0 g/L左右，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)BG11培養(yǎng)基5.0 g/L的水平。微藻細(xì)胞對(duì)于無(wú)機(jī)氮與磷有著高的吸收能力，在廢水中加入185.25 mg/L以下無(wú)機(jī)氮，16.1 mg/L以下無(wú)機(jī)磷的條件下培養(yǎng)3~4 d后，培養(yǎng)液水體中未檢測(cè)到有氮磷殘留。由此表明利用城市生活廢水培養(yǎng)含油微藻可以在獲得微藻油脂產(chǎn)品的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水體的氮磷無(wú)害化處理。

柵藻培養(yǎng)，城市生活廢水，氣泡柱式光反應(yīng)器，微藻生物量，氮/磷去除

Abstract:Municipal wastewater is usually problematic for the environment. The process of oleaginous microalgal culture requires large amounts of nutrients and water. Therefore, we studied the feasibility of oleaginous microalgal culture of Scenedesmus dimorphus in bubbled column photobioreactor with municipal wastewater added with different nutrients. S. dimorphus could adapt municipal nutrient-rich wastewater by adding some nutrients as nitrogen, phosphorus, ferric ammonium citrate and trace elements,and the amounts of such nutrients have significant effects on cell growth, biomass yield and lipid accumulation. At optimum compositions of wastewater medium, the algal cell concentration could reach 8.0 g/L, higher than that of 5.0 g/L in standard BG11.Furthermore, S. dimorphus had strong capacity to absorb inorganic nitrogen and phosphorus from its culture water. There was almost no total nitrogen and phosphorus residues in culture medium after three or four days culturing when the adding mounts of nitrate and phosphate in wastewater medium were no more than 185.2 mg/L and 16.1 mg/L respectively under the experimental conditions. As a conclusion, it was feasible to cultivate oleaginous microalgae with municipal nutrient-rich wastewater, not only producing feedstock for algal biodiesel, but also removing inorganic nitrogen and phosphorus from wastewater.

Keywords:Scenedesmus dimorphus cultivation, municipal wastewater, bubbled column photobioreacter, algal biomass,nitrogen/phosphorus removal

隨著全球化石能源短缺和環(huán)境不斷惡化，生物柴油作為一種可持續(xù)的綠色能源形式，受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。目前全球各國(guó)都在大力發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)，但其最大的“瓶頸”在于大規(guī)模低成本可持續(xù)性油脂原料的供應(yīng)。微藻是一種浮游的光自養(yǎng)微生物類(lèi)群，廣泛存在于海洋、湖泊、河流等水體環(huán)境中，其中有很多藻種在特定環(huán)境條件下，可以積累大量的油脂產(chǎn)物，用于生物柴油生產(chǎn)。同時(shí)由于其光合效率高、生長(zhǎng)速度快、產(chǎn)油量高、吸收CO2作為碳源利用、不與民爭(zhēng)糧和不與糧爭(zhēng)地等優(yōu)勢(shì)，因而具有比傳統(tǒng)油料作物更高的發(fā)展?jié)摿1-6]。一些學(xué)者甚至認(rèn)為微藻培養(yǎng)是解決能源與環(huán)境問(wèn)題的終極出路之一。

雖然微藻產(chǎn)油潛力巨大，但迄今為止尚未獲得商業(yè)化生產(chǎn)能源產(chǎn)品的途徑，而主要應(yīng)用于高附加值產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)微藻和餌料藻的生產(chǎn)。微藻培養(yǎng)主要采用的是液體懸浮式的培養(yǎng)，水源、營(yíng)養(yǎng)鹽等消耗大，培養(yǎng)成本過(guò)高使得微藻能源產(chǎn)品的生產(chǎn)成本過(guò)高。因此發(fā)展微藻生物能源技術(shù)，除了通過(guò)培養(yǎng)技術(shù)突破大幅度提高微藻產(chǎn)率外，解決廉價(jià)的水資源和營(yíng)養(yǎng)鹽成本也是降低微藻培養(yǎng)成本的重要措施之一。人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)和生活產(chǎn)生大量富含氮磷的廢水，這些廢水的無(wú)害化處理已成為環(huán)境保護(hù)的重要問(wèn)題。微藻作為一種自然環(huán)境的凈化者，很早就被提出并應(yīng)用于廢水中的無(wú)機(jī)氮磷以及金屬元素等污染物質(zhì)的去除。因此在微藻生物能源技術(shù)中，利用廢水來(lái)培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，既可以利用微藻對(duì)這些大量的富氮磷廢水實(shí)現(xiàn)高效無(wú)害化處理，還可為能源微藻生產(chǎn)油脂提供豐富廉價(jià)的營(yíng)養(yǎng)與水資源，一舉兩得。

柵藻Scenedesmus sp.是一種高環(huán)境污染耐受性的微藻品種，常見(jiàn)于許多富營(yíng)養(yǎng)的污水環(huán)境中，由于其高效的氮、磷利用率以及生長(zhǎng)快速等特點(diǎn)，因此經(jīng)常被用于微藻的廢水培養(yǎng)[7-9]。Kim等曾在2007年，利用添加豬舍發(fā)酵廢水的培養(yǎng)基在搖瓶中培養(yǎng)柵藻，生長(zhǎng)速率、干重分別達(dá)到對(duì)照培養(yǎng)基培養(yǎng)的3倍和2.6倍[10]。Chinnasamy等在2010年從地毯廠污水中分離藻種，利用地毯廠污水和市政廢水在950 L跑道池中進(jìn)行培養(yǎng)評(píng)價(jià)，每年每公頃具有生產(chǎn) 9.2~17.8 t的潛力，總脂含量為 6.82%[11]。Li等利用二級(jí)污水對(duì)柵藻在搖瓶中培養(yǎng)，達(dá)到干重0.11 g/L，總脂含量為 31~33%，油脂產(chǎn)率最高為0.008 g/(L·d)[12]。

從以往的研究看，人們往往希望通過(guò)利用高污染的工業(yè)廢水進(jìn)行微藻培養(yǎng)，雖然意義巨大，但是由于其復(fù)雜的組成以及較高濃度污染物，抑制了微藻生長(zhǎng)從而降低其生產(chǎn)潛力，故難以形成持續(xù)化的大規(guī)模供應(yīng)。相比而言，城市生活廢水供應(yīng)量巨大，從2000到2006年，我國(guó)城鎮(zhèn)人口增加了25.7%，生活廢水排放量也從 2000年的 220.9億 m3增加到2006年的296.6億m3，增長(zhǎng)了34.3%[13-14]，而且由于已有的生活廢水管網(wǎng)體系的存在，更加易于形成規(guī)?；墓?yīng)，同時(shí)其污染程度相對(duì)較低，更適合于微藻生長(zhǎng)。因此本研究利用一株高產(chǎn)油柵藻Scenedesmus dimorphus，通過(guò)高光效的氣泡柱式光生物反應(yīng)器，研究其城市生活廢水培養(yǎng)的可行性，考察在廢水中添加不同的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)下藻細(xì)胞的生長(zhǎng)、生物質(zhì)產(chǎn)量、油脂積累以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗狀況，以期為利用城市生活廢水培養(yǎng)產(chǎn)油微藻工藝的建立奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用水

本實(shí)驗(yàn)所用城市生活廢水取自山東青島市嶗山區(qū)張村河河南橋處污水排放口，取水時(shí)間為春季下午16:00左右。廢水經(jīng)過(guò)孔徑為45 μm篩絹過(guò)濾，去除固形物；經(jīng)高壓蒸汽滅菌后備用。測(cè)定滅菌后水的化學(xué)需氧量 (COD)、總氮 (TN)、總磷 (TP)、銨態(tài)氮 (NH4-N)、pH等，結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 藻種與培養(yǎng)

本實(shí)驗(yàn)所用藻種為美國(guó)亞利桑那州立大學(xué) Hu Qiang教授惠贈(zèng)的產(chǎn)油柵藻S. dimorphus。

標(biāo)準(zhǔn) BG11 培養(yǎng)基[15]組成 (單位 mg/L)：NaNO3，1 500；MgSO4·7H2O，75；CaCl2·2H2O，36；檸檬酸，6；Na2EDTA，1；檸檬酸鐵銨，6；Na2CO3，20；KH2PO4·H2O，40；微量元素 (A5): ZnSO4·7H2O，0.222；CuSO4·7H2O，0.079；MnCl4·4H2O，1.81；Na2MoO4·2H2O，39；Co(NO3)2·6H2O，0.049；H3BO3，2.86。

以標(biāo)準(zhǔn)BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的柵藻為種子液，接種于300 mL氣泡柱式光反應(yīng)器 (參數(shù)：外徑2.9 cm、內(nèi)徑2.7 cm、柱高56.0 cm) 中，初始吸光度OD730為0.2±0.05，折合干重約 (0.1±0.01) g/L，于溫度為 (25±1) ℃，光強(qiáng)為 100 μmol/(m2·s) 條件下，連續(xù)通氣培養(yǎng) (CO2含量為2%，空氣流速為60 L/h，由底部通入) 12 d。每2天取樣測(cè)定OD730以監(jiān)測(cè)微藻細(xì)胞生長(zhǎng)情況。培養(yǎng)結(jié)束后測(cè)定取樣測(cè)定藻細(xì)胞干重、總脂含量以及培養(yǎng)液中 TN、TP消耗量。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)2個(gè)平行對(duì)照。

1.3 分析方法

1.3.1 細(xì)胞生長(zhǎng)與干重測(cè)定

全光譜掃描中，在730 nm波長(zhǎng)下柵藻無(wú)光吸收峰，因此可通過(guò)測(cè)定 OD730來(lái)定性監(jiān)測(cè)與比較柵藻細(xì)胞培養(yǎng)液密度。

5~10 mL (V) 藻液經(jīng)預(yù)稱重 (W1) 的醋酸纖維膜 (Φ0.45 μm)，過(guò)濾、洗滌，于105 ℃下烘至恒重(W2)，培養(yǎng)液細(xì)胞濃度 (干重，DW(g/L)) 的計(jì)算式如下：

1.3.2 細(xì)胞總脂含量測(cè)定

細(xì)胞總脂含量測(cè)定采用重量法測(cè)定，以氯仿-甲醇共溶劑提取[16]。稱取凍干藻粉50 mg (準(zhǔn)確到0.1 mg) (Wc)，加入7.5 mL甲醇/氯仿 (2∶1=V∶V)混合溶液，于37 ℃下振蕩提取24 h后，離心收集上層有機(jī)相；藻殘?jiān)?.5 mL混合溶劑重復(fù)提取一次。集合有機(jī)相，加入5 mL氯仿、9 mL水，使氯仿∶甲醇∶水=2∶2∶1.8 (V∶V∶V)，離心收集下層氯仿相，轉(zhuǎn)移至預(yù)稱重的小管中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下烘至恒重，得到總脂 (Total lipid，TLP) Wtl。藻細(xì)胞總脂含量為：

1.3.3 總氮、總磷的測(cè)定

柵藻培養(yǎng)液于8 000 r/min離心3 min 后，收集上清液用于總氮、總磷含量測(cè)定?？偟捎脡A性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法 (GB 11894-89，水質(zhì)總氮的測(cè)定)，總磷采用過(guò)硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法測(cè)定 (GB 11893-89，水質(zhì)總磷的測(cè)定)。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS10.0進(jìn)行單因素方差分析 (one-way ANOVA)，采用LSD和Tukey HSD法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn) (P＜0.05)。

表1 實(shí)驗(yàn)所用生活廢水水質(zhì)Table 1 Water quality of domestic wastewater used in the experiments

2 結(jié)果與分析

2.1 柵藻在不同水源培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)

為了考察天然廢水是否可以用于微藻培養(yǎng)，以O(shè)D730為細(xì)胞密度的指標(biāo)，監(jiān)測(cè)了柵藻在標(biāo)準(zhǔn)BG11、純廢水以及添加 BG11培養(yǎng)基全部營(yíng)養(yǎng)成分的廢水中生長(zhǎng)情況，結(jié)果如圖 1所示。在純廢水中，在前6天細(xì)胞可以獲得一定的生長(zhǎng)增殖，但6 d之后即停止生長(zhǎng)，最終12 d后OD730值僅可達(dá)3.0。相對(duì)而言，在標(biāo)準(zhǔn)BG11與廢水BG11培養(yǎng)液中，前8天細(xì)胞一直處于快速生長(zhǎng)，之后進(jìn)入穩(wěn)定期，最終12 d后的OD730值分別達(dá)到8.37和10.5。收集了12 d培養(yǎng)后的藻細(xì)胞，測(cè)定其細(xì)胞干重，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn) BG11與廢水BG11培養(yǎng)條件下的單位體積培養(yǎng)液中細(xì)胞干重分別可達(dá) (5.07±0.09) g/L和 (8.12±0.08) g/L，而純廢水培養(yǎng)下僅能達(dá)到 (1.94±0.26) g/L。由于純廢水中總氮與總磷僅為 (17.8±0.1) mg/L 和 (1.05±0.01) mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn) BG11中的氮磷濃度，因此，氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的缺乏應(yīng)該是導(dǎo)致廢水中微藻生長(zhǎng)緩慢與生物量低的主要原因，向廢水中添加充足的營(yíng)養(yǎng)元素有可能獲得好的培養(yǎng)效果。

圖1 不同水源的培養(yǎng)基對(duì)柵藻生長(zhǎng)的影響Fig. 1 Growth of S. dimorphus in culture medium with different water resources.

2.2 廢水中添加不同營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)柵藻培養(yǎng)的影響

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

不同于標(biāo)準(zhǔn) BG11是用自來(lái)水配制，廢水中除了氮磷外，本身還存在多種多樣的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。為了降低培養(yǎng)基成本，我們以標(biāo)準(zhǔn) BG11培養(yǎng)基各種營(yíng)養(yǎng)母液和微量營(yíng)養(yǎng)元素為基礎(chǔ)，考察廢水培養(yǎng)時(shí)哪些營(yíng)養(yǎng)成分為微藻生長(zhǎng)所必需，哪些非必需。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了如表2中所示的1~8組營(yíng)養(yǎng)元素組合條件，添加量按1.2節(jié)中標(biāo)準(zhǔn)BG11培養(yǎng)基。考慮到自然水體中的鈣元素含量 (13.8~31.7 mg/L)[17]，遠(yuǎn)高于BG11培養(yǎng)基中鈣含量 (7.87 mg/L)；同時(shí)柱式光反應(yīng)器中培養(yǎng)微藻是連續(xù)通入 2% CO2的空氣，不會(huì)存在碳源的不足，因此，1~8組中均不加入CaCl2·2H2O 與 Na2CO3成分。

表2 廢水培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)元素篩選的實(shí)驗(yàn)安排Table 2 Experimental arrangements for the determination of nutrients in wastewater medium

2.2.2 廢水中不同成分對(duì)柵藻生長(zhǎng)和油脂積累的影響

如圖2所示，從第3、4、5、6、8組條件的OD730生長(zhǎng)曲線看，在無(wú)鎂離子、檸檬酸、EDTA、鐵銨與微量元素添加的條件下，柵藻的生長(zhǎng)同第 1組條件即全營(yíng)養(yǎng)素添加的條件相比，無(wú)明顯的差異；而從第2與第7組的生長(zhǎng)曲線來(lái)看，在無(wú)額外的無(wú)機(jī)氮與無(wú)機(jī)磷補(bǔ)加條件下，相比于其他組條件，柵藻的生長(zhǎng)明顯受到限制，而且在第4天后就明顯停止生長(zhǎng)。因此若單純從 OD730生長(zhǎng)來(lái)分析，利用廢水培養(yǎng)柵藻，鎂離子、檸檬酸、EDTA、鐵銨與微量元素不必添加，而無(wú)機(jī)氮與無(wú)機(jī)磷則必須補(bǔ)充。

圖2 廢水添加不同營(yíng)養(yǎng)素對(duì)柵藻生長(zhǎng)的影響Fig. 2 Effects of different nutrients added in wastewater on the growth of S. dimorphus.

上述培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)12 d后收集培養(yǎng)液，測(cè)定不同培養(yǎng)基組成下的細(xì)胞干重濃度，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，第 1組全營(yíng)養(yǎng)素添加條件下，培養(yǎng) 12 d后細(xì)胞干重可達(dá) (8.77±0.03) g/L；相比而言，第3、4、5組條件下，細(xì)胞干重差異不大，分別可達(dá)(8.41±0.27) g/L、(8.42±0.23) g/L、(8.36±0.18) g/L；第 8組缺乏微量元素的情況下，細(xì)胞干重為(7.70±0.65) g/L，較上述3個(gè)條件低，表明微量元素對(duì)藻細(xì)胞的生產(chǎn)質(zhì)產(chǎn)量也有較重要影響。第6組鐵銨缺乏條件下，細(xì)胞干重相對(duì)較低，只有(5.40±1.30) g/L；第2與7組的無(wú)機(jī)氮與磷缺乏條件下，生物量積累最低，分別僅可達(dá) (1.59±0.03) g/L、(2.75±0.34) g/L。將上述結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以F值判斷各因素對(duì)干重的影響水平，無(wú)機(jī)氮與無(wú)機(jī)磷對(duì)細(xì)胞干重的影響較大，且無(wú)機(jī)氮＞無(wú)機(jī)磷，二者置信度在 95%以上 (即 P＜0.05)，這與上述直觀分析相一致。

圖3還給出不同培養(yǎng)基組成培養(yǎng)12 d后收集的藻細(xì)胞總脂含量的變化。從圖中可以看出，與生物質(zhì)產(chǎn)量受不同營(yíng)養(yǎng)元素添加的影響不同，總脂含量在無(wú)額外磷條件下 (第7組) 最高，達(dá)到56.2%，其次為無(wú)額外氮 (第2組) 的培養(yǎng)條件為47.5%，與廢水全 BG11條件的 29.9%對(duì)比，說(shuō)明在廢水培養(yǎng)柵藻時(shí)，氮、磷限制促進(jìn)油脂積累，這與文獻(xiàn)報(bào)道的斜生柵藻在氮缺乏、磷缺乏的條件下總脂積累高于氮、磷充足的培養(yǎng)條件下總脂含量相一致[9]。無(wú)額外添加檸檬酸鐵銨 (第 7組) 條件下的總脂含量最低，為 23.5%，說(shuō)明檸檬酸鐵銨的不足限制了細(xì)胞油脂的積累。將上述結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所有因素對(duì)細(xì)胞總脂含量的影響置信度均在95%以上，在本實(shí)驗(yàn)條件下的影響程度分別為：無(wú)機(jī)磷＞檸檬酸鐵銨＞(無(wú)機(jī)氮、鎂鹽、Na2EDTA)＞檸檬酸＞微量元素，這與上述直觀分析相一致。

圖3 不同條件下培養(yǎng)12 d后柵藻的生物質(zhì)產(chǎn)量和總脂含量Fig. 3 Biomass production and total lipid content in different conditions after 12 days of cultivation.

綜上所述，從不同廢水培養(yǎng)基的微藻培養(yǎng)細(xì)胞干重以及總脂含量分析，無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷、檸檬酸鐵銨以及微量元素是影響廢水培養(yǎng)微藻生物量與油脂積累的重要營(yíng)養(yǎng)組分，利用本實(shí)驗(yàn)選用的城市生活廢水培養(yǎng)柵藻，無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷、檸檬酸鐵銨以及微量元素是必須添加的營(yíng)養(yǎng)組分。為了進(jìn)一步確定無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷、檸檬酸鐵銨等在廢水培養(yǎng)基中的添加量對(duì)細(xì)胞生物產(chǎn)生和油脂積累的影響，從而確定合理的營(yíng)養(yǎng)鹽加入量。以上述生物質(zhì)產(chǎn)量最高的第 1組營(yíng)養(yǎng)素組合為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)單因素濃度梯度實(shí)驗(yàn)，考察不同營(yíng)養(yǎng)素濃度對(duì)柵藻生長(zhǎng)的影響。

2.3 不同無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷、鐵銨鹽添加濃度下柵藻的生長(zhǎng)

2.3.1 無(wú)機(jī)氮單因素實(shí)驗(yàn)

以 BG11的氮濃度為基準(zhǔn)，考察了向生活廢水分別添加 0.25、0.5、0.75、1、1.5和 2倍無(wú)機(jī)氮，即 61.75、123.5、185.25、247、370.5、494 mg/L 濃度條件下，柵藻廢水培養(yǎng)12 d后的藻細(xì)胞濃度 (干重)、總脂含量、培養(yǎng)基TN的消耗情況，結(jié)果如圖4和圖5所示。

“在翻譯過(guò)程中，有時(shí)譯者想把源語(yǔ)所承載的各種文化信息轉(zhuǎn)譯到譯入語(yǔ)中，因此“直譯”是他們的第一選擇。直譯帶有濃厚的源語(yǔ)文化痕跡”（趙德全，2009）。[14]

圖4 不同氮濃度的廢水BG11培養(yǎng)12 d后的藻細(xì)胞濃度與總脂含量Fig. 4 Biomass and total lipid content cultured in wastewater BG11 with different nitrogen gradients after 12 days of cultivation.

圖5 不同氮濃度的廢水BG11培養(yǎng)柵藻時(shí)的TN變化曲線Fig. 5 TN consumption in wastewater BG11 with different nitrogen gradients.

在 1倍氮條件下 12 d的廢水培養(yǎng)可以獲得(7.5±0.05) g/L 的生物量和 (26.1±2.2)%的油脂含量，2倍氮條件下生物量與總脂含量分別為(7.3±0.2) g/L、(23.4±2.2)%，表明繼續(xù)增加氮濃度，并不能提高最終的藻細(xì)胞濃度，反而對(duì)細(xì)胞內(nèi)的油脂積累產(chǎn)生抑制作用。降低廢水培養(yǎng)基中的初始氮添加量，則利于細(xì)胞內(nèi)油脂的積累，但細(xì)胞生長(zhǎng)受到一定限制，最終細(xì)胞濃度偏低，生物量積累產(chǎn)生明顯的抑制趨勢(shì)，如在0.25倍BG11氮濃度的培養(yǎng)基中，總脂含量可達(dá) (48.2±0.2)%，但生物量?jī)H有(5.00±0.03) g/L。

另外，從圖5所示不同氮濃度的廢水培養(yǎng)基中TN的消耗過(guò)程曲線來(lái)看，接種后的前4天TN消耗最快。在這個(gè)時(shí)期，柵藻細(xì)胞快速的從培養(yǎng)液中攝取氮源供其快速生長(zhǎng)。其中在0.25、0.5和0.75倍氮條件下，幾乎100%的TN被細(xì)胞吸附，在培養(yǎng)4 d后的培養(yǎng)液中甚至完全檢測(cè)不到氮的存在，同時(shí)0.75倍氮條件下，12 d培養(yǎng)獲得的生物量與油脂含量分別為 (7.3±0.2) g/L、(30.1±2.4)%，相比于1倍與 1.5倍氮條件，生物量并沒(méi)有明顯減少，同時(shí)油脂含量大大提高。

2.3.2 無(wú)機(jī)磷單因素實(shí)驗(yàn)

以 BG11的磷濃度為基準(zhǔn)，考察了向生活廢水分別添加 0.25、0.5、0.75、1、1.5和2倍無(wú)機(jī)磷，即 2.01、4.03、6.04、8.05、12.08、16.1 mg/L 濃度條件下，培養(yǎng)12 d后培養(yǎng)基中藻細(xì)胞濃度 (干重)、細(xì)胞內(nèi)總脂含量和TP消耗情況，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 不同磷濃度的廢水BG11培養(yǎng)12 d后的藻細(xì)胞濃度與總脂含量Fig. 6 Biomass and total lipid content cultured in wastewater BG11 with different phosphorus gradients after 12 days of cultivation.

圖7 不同磷濃度的廢水BG11培養(yǎng)柵藻時(shí)的TP變化曲線Fig. 7 TP consumption in wastewater BG11 with different phosphorus gradients.

在 1倍磷條件下 12 d的廢水培養(yǎng)可以獲得(7.9±0.62) g/L的生物量和 (26.8±0.19)%的總脂含量，在 2倍磷的條件下，生物量與總脂含量分別為(7.4±0.24) g/L、(18.8±0.58)%。表明過(guò)高的磷濃度，并不能提高最終的藻細(xì)胞濃度，反而降低了細(xì)胞內(nèi)的總脂含量。當(dāng)培養(yǎng)基中的總磷濃度小于等于1倍磷時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的總脂含量變化不大，但低磷時(shí)由于細(xì)胞合成磷的不足會(huì)影響藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，生物量降低。

從圖7給出的不同總磷濃度的培養(yǎng)基中TP的變化來(lái)看，柵藻細(xì)胞對(duì)磷的吸收比對(duì)氮的吸收更快。培養(yǎng)3 d后，各個(gè)條件的培養(yǎng)基中都完全不能檢測(cè)到磷的存在，100%的磷都被藻細(xì)胞所攝取。

2.3.3 無(wú)機(jī)檸檬酸鐵銨單因素實(shí)驗(yàn)

以 BG11的檸檬酸鐵銨濃度為基準(zhǔn)，考察了向生活廢水分別添加 0.25、0.5、0.75、1、1.5和2倍檸檬酸鐵銨，即1.5、3、4.5、6、9、12 mg/L濃度條件下，柵藻廢水培養(yǎng)12 d后培養(yǎng)基中的藻細(xì)胞濃度 (干重) 和總脂含量，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同檸檬酸鐵銨濃度的廢水BG11培養(yǎng)12 d后的藻細(xì)胞濃度與總脂含量Fig. 8 Biomass and total lipid content cultured in wastewater BG11 with different ferric ammonium citrate gradients after 12 days of cultivation.

3 結(jié)論

本研究利用青島張村河排污口的生活廢水作為水源，以柵藻S. dimorphus為產(chǎn)油模式藻探討了在氣泡柱式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)的可行性。結(jié)果表明，該柵藻能夠很好地適應(yīng)城市生活廢水。生活廢水中只需要添加適量的無(wú)機(jī)氮與磷，檸檬酸鐵銨和微量元素，即可較好地用于微藻的培養(yǎng)與油脂生產(chǎn)。氮、磷限制以及檸檬酸鐵銨對(duì)細(xì)胞總脂含量具有誘導(dǎo)作用。在廢水中添加247 mg/L無(wú)機(jī)氮、8.05 mg/L無(wú)機(jī)磷、4.5 mg/L檸檬酸鐵銨和足量微量元素的條件下，培養(yǎng)12 d微藻生物量和含油量可達(dá)8 g/L，38%左右的水平。同時(shí)，對(duì)培養(yǎng)中水體TN與TP殘留的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微藻對(duì)無(wú)機(jī)氮與磷均有著高效的吸收機(jī)制，在合適的加入量下培養(yǎng)3~4 d后的水體，已經(jīng)完全檢測(cè)不到氮與磷的存在。因此，城市生活廢水用于含油微藻的培養(yǎng)前景廣闊，僅通過(guò)部分營(yíng)養(yǎng)元素的添加，即可獲得高密度與高含油的微藻生物質(zhì)，而且使用后水體中無(wú)機(jī)氮與無(wú)機(jī)磷甚至低于原生活廢水水體，在產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，還減輕了后續(xù)水處理中無(wú)機(jī)氮與無(wú)機(jī)磷難以去除的困難，可以緩解城市發(fā)展對(duì)環(huán)境保護(hù)的壓力，對(duì)于我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展具有重要意義。

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Cultivating an oleaginous microalgae with municipal wastewater

Sujuan Lü1,2, Wei Zhang2, Xiaowei Peng2, Xiaolin Chen2, and Tianzhong Liu2
1 School of Food Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266003, China
2 Key Laboratory of Biofuel, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China

Received: October 8, 2010; Accepted: December 28, 2010

Supported by: Key Scientific and Technological Projects of Shandong Province (No. 2008GG20007002), Solar Energy Strategy of Chinese Academy of Sciences (No. KGCX2-YW-374-4).

Corresponding author: Wei Zhang. Tel: +86-532-80662737; E-mail: zhangwei@qibebt.ac.cn Tianzhong Liu. Tel: +86-532-80662735; E-mail: liutz@qibebt.ac.cn

山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目 (No. 2008GG20007002)，中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)能計(jì)劃 (No. KGCX2-YW-374-4) 資助。