全 文 ： 杨熙 等/产油嗜碱绿球藻 MC-1 的烟气适应性

Chinese Journal of Biotechnology March 25, 2013, 29(3): 370−381
http://journals.im.ac.cn/cjbcn ©2013 Chin J Biotech, All rights reserved

Received: September 25, 2012; Accepted: January 28, 2013
Supported by: Ocean Public Welfare Scientific Research Project (No. 201005031-5), Special Fund for Marine Renewable Energy Sources (No.
GHME2011SW04), National Key Technology R&D Program (No. 2011BAD14B04).
Corresponding author: Wenzhou Xiang. Tel: +86-20-89023223; E-mail: xwz@scsio.ac.cn
海洋公益项目 (No. 201005031-5), 海洋可再生能源专项资金项目 (No. GHME2011SW04), 国家科技支撑计划 (No. 2011BAD14B04)
资助。
370
生 物 工 程 学 报

产油嗜碱绿球藻 MC-1的烟气适应性
杨熙 1,2，向文洲 1，张峰 1，吴华莲 1，何慧 1，范洁伟 1
1 中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301
2 中国科学院大学，北京 100049
杨熙, 向文洲, 张峰, 等. 产油嗜碱绿球藻 MC-1的烟气适应性. 生物工程学报, 2013, 29(3): 370−381.
Yang X, Xiang WZ, Zhang F, et al. Adaptability of oleaginous microalgae Chlorococcum alkaliphilus MC-1 cultivated with
flue gas. Chin J Biotech, 2013, 29(3): 370−381.
摘 要 : 为了降低微藻产油成本和减少温室气体的排放，利用煤炭烟气培养一株具有 pH快速漂移和高碱适应
特性的产油微藻 Chlorococcum alkaliphilus MC-1。首先于 15 L光生物反应器中分三组 (空白组、CO2组和烟气
组) 进行小体积培养实验，然后在 24 m2开放式跑道池中进行放大培养，研究了微藻 MC-1对烟气培养的适应
性。结果表明，在光生物反应器培养实验中，烟气组的最高生物量浓度、生长速率、藻体总脂含量和 CO2 固
定速率分别为：(1.02±0.07) g/L、(0.12±0.02) g/(L·d)、(37.84±0.58)％和(0.20±0.02) g/(L·d)，比 CO2组分别提高
了 36％、33.33％、15.34％和 33.33％。在开放式跑道池培养实验中，烟气与纯 CO2的培养效果相似，烟气培养
下的最高生物量浓度、生长速率、藻体总脂含量和 CO2固定速率分别为：147.40 g/m2、14.73 g/(m2·d)、35.72％
和 24.01 g/(m2·d)；烟气培养产出的藻粉中有毒重金属 Pb、As、Cd和 Cr的含量均低于国家限量标准。实验同
时测定了烟气培养下藻液对烟气中 CO2、NO和 SO2的吸收效果，结果显示，在光生物反应器和开放式跑道池
培养中此三种气体的平均吸收率均高于以往研究结果。上述结果说明，该藻能适应烟气培养条件，耦合微藻
MC-1产油与烟气减排的室外放大培养是可行的。
关键词 : 微藻，烟气，减排，产油




研究报告
DOI:10.13345/j.cjb.2013.03.011
杨熙 等/产油嗜碱绿球藻 MC-1 的烟气适应性
cjb@im.ac.cn
371
Adaptability of oleaginous microalgae Chlorococcum
alkaliphilus MC-1 cultivated with flue gas
Xi Yang1,2, Wenzhou Xiang1, Feng Zhang1, Hualian Wu1, Hui He1, and Jiewei Fan1
1 South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, Guangdong, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: In order to lower the cost of lipid production of microalgae and reduce greenhouse gas emissions, microalgae
Chlorococcum alkaliphilus MC-1 with the characteristics of rapid pH drift and high pH adaptability, was cultivated with
bubbling of flue gas. The experiment was first performed in the photobioreactor (15 L) in three groups (control group, CO2
group and flue gas group), then, in the open raceway pond (24 m2). The adaptability of microalgae MC-1 to the cultivation
with flue gas was studied. The results showed that the maximum biomass concentration, growth rate, total lipid content and
CO2 fixation rate were (1.02±0.07) g/L, (0.12±0.02) g/(L·d), (37.84±0.58)% and (0.20±0.02) g/(L·d) in the photobioreactor
treated with flue gas, 36%, 33.33%, 15.34% and 33.33% higher than those of the CO2 group, respectively. In the open
raceway pond with aeration of flue gas, the maximum biomass concentration, growth rate, total lipid content and CO2
fixation rate were 147.40 g/m2, 14.73 g/(m2·d), 35.72% and 24.01 g/(m2·d), respectively, which were similar to the
cultivation with pure CO2. The toxic heavy metal contents (Pb, As, Cd and Cr) in the biomass of MC-1 treated with flue gas
were all below the legal limits. Additionally, the absorptive effect of CO2, NO and SO2 were determined. In the
photobioreactor and open raceway pond, the average absorption ratios of these gases were all higher than previous studies.
Therefore, our study showed that MC-1 can adapt to the cultivation with flue gas, and it is feasible to enlarge the outdoor
cultivation of MC-1 for lipid production coupling with emissions reduction of flue gas.
Keywords: microalgae, flue gas, emission reduction, lipid production
因大量温室气体的排放而引发的全球变暖
已经越来越受到全世界人民的关注，在各种温室
气体中，CO2 是导致温室效应的最主要因素[1]，
减排已成为目前国内的重点工作之一。由于化石
能源的不可再生性及其储量日益减少，人们普遍
意识到必须寻找新能源以便实现经济和环境的
可持续发展，并把目光投向了微藻[2]。微藻具有
诸多其他材料无可比拟的优势，已成为生产清洁
生物能源的首选材料，微藻产油的相关技术也已
基本成熟[3]，但目前还没能实现商业化生产，其
主要问题是成本过高以及缺乏合适藻种[4-5]。据
Grima 等[6]报道，微藻在培养过程中碳源的供应
占总生产成本的 41％之多。而发电厂所排放的煤
炭烟气中含有大量的 CO2气体，如果利用烟气培
养微藻进行产油，则生产所需的碳源成本可忽略
不计，又能达到减排的目的[7]。本实验室发现一
株极具潜力的产油减排藻种——嗜碱绿球藻
Chlorococcum alkaliphilus MC-1，其不仅生长速
度快，油脂含量较高，且具有 pH快速漂移和高
碱适应特性[8-9]。该藻的这种特性使其易于进行
室外大体积培养，培养过程中藻液的偏碱性有利
于提高烟气中 CO2等酸性气体的吸收利用效果。
截至目前，国内外关于利用烟气进行产油微
藻室外大体积培养的报道还比较少见，已有的一
些报道：如 Maeda等[10]利用工厂烟气在 70 L的
循环光反应器中培养微藻 Chlorella sp. T-1；
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Matsumoto等[11]将火力发电厂排放的工业烟气直
接通入 2 m2开放式跑道池中培养微藻微拟球藻
Nannochloropsis salina (NANNP2)；以及 Israel
等[12]在 1 000 L的开放式跑道池中，利用工厂排
出的烟气培养隅江篱 (红藻门) Gracilaria cornea
(Rhodophyta)。上述研究中都只粗略地分析了培
养过程中烟气对微藻生物量的影响，而关于烟气
影响微藻生物量的原因、烟气对微藻油脂含量的
影响以及培养过程中烟气各成分的吸收利用情
况等没有进行深入的研究。
本项研究通过利用煤炉燃烧煤炭产生的烟
气分别于室外 15 L光生物反应器和 24 m2开放式
跑 道 池 中 培 养 嗜 碱 绿 球 藻 Chlorococcum
alkaliphilus MC-1，研究了烟气对该藻的生长、
藻体总脂含量和有毒重金属含量的影响，此外还
测定了藻液中无机 N和无机 S的浓度变化，并分
析了藻液对烟气中 CO2、NO和 SO2的吸收效果，
以评估该藻对烟气的适应性，为实现微藻产油
与烟气减排的耦合培养和商业化生产提供参考
依据。
1 材料与方法
1.1 藻种和培养基
本研究采用一株嗜碱绿球藻 Chlorococcum
alkaliphilus MC-1 (暂定名，简称 MC-1) 作为实
验藻种，该藻种由中国科学院南海海洋研究所微
藻项目组于 2002 年在室外蓝藻培养箱中分离并
经过固体纯化培养后获得[13]。
实验中所用培养基配方在原 ZSNT培养基[13]
的基础上加以调整，调整后的配方为：每升蒸馏
水中分别加入 NaHCO3 0.5 g，KCl 0.1 g，NaNO3
0.4 g，NaH2PO4·2H2O 0.03 g，MgSO4·7H2O 0.05 g，
CaCl2 0.02 g，M2、A5和 B6各 1 mL。M2溶液：
每升蒸馏水添加 FeCl3·6H2O 0.244 g和Na2·EDTA
0.189 g。A5溶液：每升蒸馏水添加 H3BO3 2.86 g，
MnCl·4H2O 1.81 g ， ZnSO4·7H2O 0.22 g ，
CuSO4·5H2O 0.08 g，Na2MoO4 0.021 g 和浓
H2SO4 1滴。B6溶液：每升蒸馏水添加 NH4VO3
22.96 mg，K2CrO4 19.9 mg，NiSO4·6H2O 47.85 mg，
NaWO4·2H2O 17.914 mg，Ti(SO4)3 40 mg 和
Co(NO3)2·6H2O 43.98 mg。
1.2 气体来源及补气方法
烟气：实验中所使用的烟气由煤炉燃烧煤炭
产生，煤炭为市场上采购的蜂窝煤。初始烟气先
经过冷却过滤设备进行前处理，使温度降至
25 ℃左右，处理后的烟气直接通入藻液中进行微
藻培养。经测定烟气的主要成分及浓度分别为：
(14.72±0.02)％ CO2、(4.20±0.02)％ O2、(28.74±
1.03) mg/m3 NO、(343.78±17.22) mg/m3 SO2。CO2
气体：实验中以纯度为 99.99％的食品级 CO2气
缸作为 CO2气源，液态 CO2经减压气化后再导入
藻液中培养微藻。
补气方法：鉴于该藻的最适生长 pH为 9.00，
而且该藻以 NaHCO3 为初始碳源进行光照培养
时会产生明显的 pH 漂移现象，即藻液 pH 会在
短时间内快速上升，本实验采用间歇性补气的方
法，以藻液 pH 值作为供气与否的指标，当 pH
值升至 9.50时，开始供气降 pH，当 pH降到 9.00
时停止供气，如此反复，此补气过程均采用人工
控制。
1.3 光生物反应器培养条件
实验中使用圆柱形气升式光生物反应器，透
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明玻璃材质，内径为 24 cm，高为 33 cm，总容
积为 15 L，底部装有曝气装置，气体从底部导入，
并带动藻液循环流动。实验分 3组进行，空白组：
不补充任何气体下培养；CO2组：通纯 CO2气体
进行培养；烟气组：通煤炭烟气进行培养。每组
设 3个平行样。实验于室外进行，反应器放置于
盛水的玻璃水箱中，以此来控制藻液温度在
30 ℃附近。每个反应器中藻液的初始 OD700都为
0.321，培养体积为 14 L，自然光照，通气速率
为 250 mL/min，夜间停止补气，于每天 18:00补
充蒸发水。
1.4 开放式跑道池培养条件
跑道池的规格为：3.0 m (宽)×8.0 m (长)，培
养前藻池经消毒灭菌处理。实验于室外进行，选
择天气晴朗，温度和光照强度相似的日期在池中
先后进行纯 CO2培养和烟气培养实验。藻液初始
OD700均为 0.425，培养深度为 22 cm，自然光照，
培养温度为 30 ℃左右，通过曝气石向池底曝气，
通气速率为 2 L/min。每天早上 6点开搅拌机，
下午 18:00关搅拌机，叶轮搅拌转速为 13 r/min，
藻液流速为 0.3 m/s。夜间停止补气，于每天 18:00
补充蒸发水。
对培养末期采收的藻粉进行有毒重金属 Pb、
As、Cd和 Cr含量的测定，由中山大学分析测试
中心协助完成。依据 JY/T 015-1996，采用全谱
直读等离子体原子发射光谱仪 (Icap6500Duo，美
国) 进行含量的检测，检测条件为：入射功率
1 150 W，等离子气流量 14 L/min，雾化气流量
0.6 L/min。Cd的参照标准为保健 (功能) 食品通
用标准 (GB/2762-2005)，As、Pb和 Cr的参照标
准为食品中污染物限量标准 (GB/16740-1997)。
1.5 藻液 pH、DIC (溶解无机碳) 浓度以及微
藻生长参数的测定
利用 FiveGo 基础型便携式 pH 计-FG2-FK
(METTLER TOLEDO，美国) 直接测定藻液 pH，
每天 08:00、11:00、15:00和 18:00分别进行测定，
然后取平均作为当天藻液的 pH值；藻液中 DIC
浓度的测定参考 Stumm 等[14]的方法；采用干重
法 [15]测定藻的生物量浓度 (g/L)，其方法是取
15 mL的藻液，利用 0.22 μm的微孔滤膜过滤并
用去离子水清洗 2次，于 110 ℃下烘干至恒重。
生长速率采用以下计算公式：
e iW WGR
t
 
式中 GR 为藻的生长速率 (g/(L·d))；We 和
Wi分别为培养末和培养初的生物量浓度 (g/L)；
△t为培养开始到结束所用的时间 (d)。
CO2固定速率的计算参考 Choi等[16]的方法，
计算公式如下：
2
2
CO
CO C
C
M
F GR f
M
  
式中 FCO2为 CO2固定速率 (g/(L·d))；GR为
藻的生长速率 (g/(L·d))；fC为藻细胞中有机碳含
量 (％，占干重比)，经测定为 44.43％ (由中山
大学分析测试中心协助完成)；MCO2和 MC分别为
CO2和 C的相对分子质量。
1.6 藻体总脂含量的测定
依据 Takagi 等[17]的方法并加以改进，通过
离心收集藻泥，经过冷冻干燥后于−20 ℃保存。
称取 30 mg左右的干藻粉放入碾钵中，加入少量
石英砂，液氮冷冻后将碾钵放入冰块中进行碾
磨，镜检至细胞完全破碎，将破碎后的藻液转移
至 10 mL 的离心管中，加入 3 mL 氯仿∶甲醇
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(2∶1) 溶液预处理样品 2 h，再将样品转入 70 ℃
水浴锅中水浴 15 min 至沉淀呈白色，冷却至室
温后于 4 ℃、3 000 r/min下离心 10 min，取上
层提取液，再在沉淀中加入 1 mL 氯仿∶甲醇
(2∶1) 溶液水浴重新提取一次，将两次提取液合
并，在提取液中加入 1 mL 0.9％的 KCl溶液摇匀
后于 4 ℃、3 000 r/min下离心 10 min，将底层溶
液转入棕色吹瓶中，于高纯氮气下吹干，将吹瓶
放入烘箱中烘干称重，每个样品重复 3次，总脂
含量计算公式如下：
e i
lipid
cell
100%
m mC
m
 
式中 Clipid为藻体总脂含量 (％)；me和 mi 分
别为末了和初始时吹瓶的重量 (g)；mcell 为所测
藻粉干重 (g)。
1.7 藻液中 NO3−、NO2−和 SO42−浓度的测定
取 15 mL藻液，于 4 ℃、5 000 r/min离心
10 min，取上层清液，用去离子水稀释 40 倍，
然后用离子色谱仪 (WYIC6000，中国) 进行测
定，阴离子色谱柱型号：WY-Anion-4，进样体积
100 μL，流动相：1.8 mmol/L Na2CO3+1.7 mmol/L
NaHCO3 溶液，流速 1.5 mL/min，温控箱温度
35 ℃，电导池温度 40 ℃。
培养始末，各培养体系单位体积中 N元素和
S元素总含量变化的计算公式如下：
W f C M      

式中△ρ 为 N 或 S 总含量的变化 (g/L)；△
W 为培养末与培养初藻细胞生物量浓度之差
(g/L)；f为藻细胞中有机 N或 S的含量 (％，占
干重比)，经测定分别为 6.92％和 0.48％ (由中山
大学分析测试中心协助完成)；△C为培养末与培
养初藻液中无机 N (包括 NO2−和 NO3−) 浓度之
差或无机 S浓度之差 (mol/L)；M为 N或 S的相
对分子质量。
1.8 藻液对烟气中 CO2、NO和 SO2的吸收率
的测定
采用烟气分析仪 (testo 350，德国) 对烟气
中各气体成分浓度进行检测。光生物反应器培养
的检测方法为：对通气过程中反应器进口处和出
口处 CO2、NO 和 SO2的浓度以及气体流速进行
检测，检测时的通气速率控制为 250 mL/min；开
放式跑道池培养的检测方法为：利用本实验室自
制的一种检测装置，该装置为立方形，顶端有一
个进气口和一个出气口，底部敞开，底部朝下扣
置于藻池中，气体从进气口导入藻液中，经藻液
吸收后从出气口排出，同样通过检测其进气口和
出气口处 CO2、NO 和 SO2的浓度以及气体流速
来计算吸收率，检测时的通气速率控制为
2 L/min。吸收率的计算公式[15]如下：
inlet inlet outlet outlet
gas
inlet inlet
100%
gas q gas qR
gas q
   
式中 Rgas 为藻液对气体的吸收率 (％)；
gasinlet 和 gasoutlet 分别指进口处和出口处各气体
成分的浓度 (％或 mg/m3)；qinlet和 qoutlet分别指
进口处和出口处的气体流量 (L/min)。
1.9 统计分析
采用 SPSS10.0对实验结果进行方差分析，数
据以 x ±s来表示，Origin 8.0进行数据处理和作图。
2 结果
2.1 光生物反应器培养实验
2.1.1 各培养体系中 MC-1 的生长状况和总脂
含量
采用 15 L光生物反应器对微藻MC-1进行了
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7 d 的培养，测定了各培养体系中藻的生物量浓
度、藻液 pH和 DIC浓度的变化。从图 1A可以看
出，烟气组的生长速率明显要快于空白组和 CO2
组，在培养第 7天空白组、CO2组和烟气组的生物
量浓度分别为：(0.45±0.01) g/L、(0.75±0.04) g/L和
(1.02±0.07) g/L (起始生物量浓度均为 0.15 g/L)；
各培养体系的生长参数见表 1，烟气组的生长速
率和CO2固定速率分别为 (0.12±0.02) g/(L·d) 和
(0.20±0.02) g/(L·d)，均比 CO2组提高了 33.33％。
图 1B显示，空白组出现了明显的 pH漂移现象，
在培养第 2 天 pH 就由初始的 9.00 上升到了
11.12，最高达到了 11.70；而 CO2组和烟气组中
pH始终维持在藻的最适生长 pH 9.00附近。空白
组由于没有碳源的补充，DIC浓度呈明显的下降
趋势，从起始的 10.57 mmol/L 下降到第 5 天的
(4.16±0.15) mmol/L，此时藻的生长也趋于停止；
烟气组中 DIC 浓度与 CO2组呈现相似的变化趋
势，由起始的 10.57 mmol/L 上升到第 6 天的
(14.72±0.18) mmol/L，并在此后维持在这一浓度
附近 (图 1C)，在这一过程中烟气组始终保持较
快的生长速率。
培养末各培养体系中藻体总脂含量见表 1，
结果表明，与空白组相比，CO2组和烟气组中藻
体的总脂含量都有所增加，烟气组的总脂含量达
到了 (37.84±0.58)％，增幅最大，比 CO2组和空
白组分别提高了 15.34％和 23.20％。以上结果显
示，烟气组中微藻的生长和油脂积累状况都要优
于 CO2组。
2.1.2 各培养体系中无机N和无机 S浓度的变化
通过对各培养体系 NO2−、NO3−、SO42−浓度
的检测发现，各体系中无机 N和无机 S的浓度都
呈现明显的下降趋势，这种现象的出现主要是由
藻的快速生长对体系中 NO2−、NO3−、SO42−的大
量消耗所导致，其中烟气组的下降速度最快，CO2
组其次，空白组最慢，烟气组中无机 N在培养的
第 6天几乎已被消耗殆尽 (图 2)；通过计算培养
前后各培养体系单位体积内N元素和S元素总含
量的变化发现，只有烟气组中 N和 S的总含量呈

图 1 光反应器培养实验中各培养体系的生物量浓
度、pH和 DIC浓度变化曲线
Fig. 1 Time course of biomass concentration, pH and
DIC concentration of each experimental group in the
photobioreactor test.
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表 1 光反应器培养实验中各培养体系藻的生长参数
Table 1 Growth parameters of each experimental group in the photobioreactor test
Growth parameters Control CO2 Flue gas
Maximum biomass concentration (g/L) 0.45±0.01 0.75±0.04 1.02±0.07
Growth rate (g/(L·d)) 0.04±0.01 0.09±0.01 0.12±0.02
CO2 fixation rate (g/(L·d)) 0.07±0.01 0.15±0.02 0.20±0.02
Total lipid content (%) 30.71±0.37 32.81±0.41 37.84±0.58
△ρN (g/L) −0.11±0.03 −0.14±0.04 0.12±0.03
△ρS (g/L) −0.21±0.04 −0.27±0.06 0.23±0.06


图 2 光反应器培养实验中各培养体系藻液无机 N和
无机 S的浓度变化曲线
Fig. 2 Time course of inorganic N and S concentration
of each experimental group in the photobioreacter test.
正增长，空白组和 CO2组都呈负增长 (表 1)，对
于这一现象可能是由于在测定藻细胞中有机 N
和 S含量时，细胞内还储存有一定量的无机 N和
S，而这一部分无机 N和 S没有被算入培养末 N
和 S的总含量中所导致。上述结果说明烟气对藻
液中氮源和硫源起到了一定的补充作用。
2.2 开放式跑道池培养实验
在室外 24 m2开放式跑道池中先后进行了烟
气和纯 CO2培养实验，培养时间均为 7 d。图 3A
显示，从生物量浓度的变化趋势来看，烟气和纯
CO2具有相似的培养效果，在培养末，烟气和纯
CO2 培养下藻的最高生物量浓度分别为
147.40 g/m2和 140.80 g/m2；烟气能使藻液 pH维
持在该藻最适生长 pH 9.0附近 (图 3B)；烟气培
养中藻液的 DIC 浓度呈现与纯 CO2培养相似的
变化趋势，由起始的 10 mmol/L上升到第 2天的
12.52 mmol/L，此后一直在该浓度附近波动
(图 3C)；从各项生长参数来看，跑道池中烟气培
养和纯 CO2培养的差异不明显，烟气培养下藻生
长速率、CO2 固定速率和藻体总脂含量分别为
14.73 g/(m2·d)、24.01 g/(m2·d)和 35.72％ (表 2)。
对开放式跑道池培养产出的干藻粉进行了
有毒重金属 Pb、As、Cd 和 Cr 的含量检测，结
果见表 3，烟气和纯 CO2培养下藻体中有毒重金
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图 3 开放式跑道池中的生物量浓度、pH 和 DIC 浓
度变化曲线
Fig. 3 Time course of biomass concentration, pH and
DIC concentration in the open raceway pond.
表 2 开放式跑道池中微藻MC-1的生长参数
Table 2 Growth parameters of MC-1 cultivated in
the open raceway pond
Growth parameters Flue gas Pure CO2
Maximum biomass
concentration (g/m2) 147.40 140.80
Growth rate (g/(m2·d)) 14.73 13.67
CO2 fixation rate (g/(m2·d)) 24.01 22.28
Total lipid content (%) 35.72 36.58
表 3 开放式跑道池培养产出的藻粉中有毒重金属
(Pb、As、Cd和 Cr) 的含量
Table 3 Concentrations of toxic heavy metals (Pb,
As, Cd and Cr) in the biomass of MC-1 cultivated
on flue gas and pure CO2 in the open raceway pond
Toxic
heavy
metals
Flue gas
(mg/kg)
Pure CO2
(mg/kg)
Upper legal
limit (mg/kg)
Pb 0.13 0.11 2.0a
As 0.21 0.24 1.5b
Cd 0.025 0.031 (0.1−0.5)b
Cr 1.85 1.38 2.0b
a: GB/16740-1997；b: GB/2762-2005.

属 Pb、As和 Cd的含量都远低于国家限量标准，
就是含量相对较高的 Cr 也没有超出国家限量标
准。以上结果表明，微藻 MC-1能适应室外烟气
放大培养，且培养出的藻粉中没有出现有毒重金
属含量过高的现象。
2.3 藻液对烟气中 CO2、NO 和 SO2的吸收
效果
在通烟气培养时，当藻液 pH 从 9.5 下降到
9.0 的过程中，测定了不同时间点藻液对烟气中
CO2、NO和 SO2的吸收率，然后取平均值获得光
生物反应器和开放式跑道池培养过程中藻液对
烟气中 CO2、NO 和 SO2的平均吸收率。在光
生物反应器中 CO2、NO 和 SO2的平均吸收率
分 别 为： (67.78±3.60)％、 (78.90±4.70)％和
(70.61±3.84)％；开放式跑道池中 CO2、NO和 SO2
的 平 均 吸 收 率 分 别 为 ： (86.28±1.15) ％ 、
(78.65±6.18)％和 (84.93±4.29)％ (图 4)。以上结
果表明，培养过程中藻液对烟气中 CO2、NO 和
SO2具有较好的吸收效果。
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图 4 光生物反应器和开放式跑道池中藻液对烟气中
CO2、NO和 SO2的平均吸收率
Fig. 4 The average absorption ratios of CO2, NO and
SO2 by the culture solution in the photobioreactor and
open raceway pond.
3 讨论
3.1 烟气培养下微藻 MC-1 的生长情况和总
脂含量
本实验中烟气组微藻MC-1的生长不仅没有
受到抑制，反而优于 CO2 组，在光生物反应器培
养实验中烟气组的生长速率为 (0.12±0.01) g/(L·d)，
比 CO2组提高了 33.33％；开放式跑道池培养实
验证明了微藻 MC-1能适应室外烟气放大培养。
Douskova 等[18]利用城市垃圾焚烧炉中产生的烟
气培养微藻 Chlorella vulgaris时，发现与对照组
相比，烟气使该藻的生长速率提高了 48％；
Matsumoto 等[11]在 2 m2的开放式跑道池中利用
烟气培养微藻 Nannochloropsis salina，实验发现
烟气培养下该藻的生长曲线和 CO2培养相似，生
长速率为 8 g/(m2·d)，而在本实验中烟气培养池
的生长速率为 14.73 g/(m2·d)，比其提高了 1.84
倍。经分析，本实验中出现此现象的原因主要有
以下几点：1) 由于烟气组与 CO2 组使用的气体
中 CO2 浓度不同，烟气组中 CO2 浓度低，CO2
组中 CO2浓度高，虽然藻液最终都被调至相同的
pH 值，但此过程中烟气组所通气体总流量要大
于 CO2组，这使得烟气组的藻液混合要优于 CO2
组，而混合效果越好对藻的生长是越有利的；
2) 烟气中所含 NOX和 SOX等气体对藻液中氮源
和硫源起到了一定的补充作用。由于烟气中所含
NOX 和 SOX 被藻液吸收后会以 NO2−、NO3−和
SO42−等形式存在[19]，而 NO2−、NO3−和 SO42−可
被微藻作为营养元素加以吸收利用[20]。本实验也
证实了烟气对藻液中氮源和硫源起到了补充作
用，由于补充量相比于藻细胞生长对氮源和硫源
的消耗量来说太小，因此在图 2 中无机 N 和 S
浓度都呈总体下降趋势，没有体现出这一补充效
果；3) 由于烟气中含的一些微量元素，有可能
其中有些微量元素是藻体中一些酶的重要激活
因子[21]，从而对微藻的生长起到了激活作用。
在光生物反应器培养中，烟气组藻体的总脂
含量为 (37.84±0.58)％，比CO2组提高了 15.34％；
开放式跑道池中烟气培养下藻体的总脂含量也
达到了 35.72％。Yoo 等[22]通过利用燃烧液化汽
油产生的 CO2浓度为 5.5％的烟气培养微藻栅藻
Scenedesmus sp. 和布朗葡萄藻 Botryococcus
braunii，研究发现，在烟气培养条件下这两种藻
的总脂含量分别为 18％和 24％，比 10％ CO2
培养下分别提高了 1 倍和 14.29％。烟气促进微
藻油脂积累的具体原因目前还不清楚，可能烟气
在促进微藻生长的同时也加快了其对培养液中
氮、磷等营养元素的消耗，使藻细胞较早进入了
营养元素缺乏阶段，而氮、磷的缺乏会促使藻体
从快速生长阶段转入油脂的积累阶段[23]。
烟气培养下微藻MC-1表现出较好的生长效
杨熙 等/产油嗜碱绿球藻 MC-1 的烟气适应性
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果以及总脂含量有所升高的现象均说明了该藻
对烟气有较好的适应性。
3.2 烟气培养产出藻粉的安全性分析
由于烟气中还含有一些重金属元素，如 Cd、
Pb、Hg、As、Cr、Co、Cu等，且这些重金属会
以氧化物或氯化物的形式存在于烟气中的微小
颗粒中，而微藻对重金属有很强的吸收和吸附能
力，很容易在藻体内发生重金属富集效应[19]。本
实验通过测定在烟气培养下开放式跑道池产出
的藻粉中有毒重金属 Pb、As、Cd和 Cr的含量，
以此来判断其作为食品、饵料以及其他产品的安
全性。结果发现藻体中这些指标的含量均低于国
家限量标准。出现这种结果的原因有以下几种可
能：1) 由于烟气在通入藻液之前进行了冷却过
滤处理，可能对其起到了净化作用，有效地降低
了烟气中这些重金属的含量，从而没有出现藻体
内重金属的富集现象；2) 由于培养时间不够长，
这些重金属在藻体中的富集现象还不明显。如果
延长烟气培养时间，是否会出现藻体有毒重金属
含量升高的现象还有待进一步研究。
3.3 藻液对烟气中各气体成分的吸收效果
烟气培养过程中藻液对烟气中 CO2、NO 和
SO2都有较高的吸收效果。此前关于利用烟气培
养微藻的报道中，这三种气体的最高吸收率分别
为：67％、68％和 51％[15,24-25]，均低于本研究。
由于吸收率取决于气液接触的表面积和时间，以
及藻液的酸碱性等，其中藻液的酸碱性是由藻的
生理特性所决定的。因此，补气装置构造、补气
时气泡大小以及藻的生理特性等都会影响气体
的吸收效果。本实验中采用的是常规的补气方式
(利用曝气石在光反应器和开放式跑道池底部补
气)，因此分析认为，出现较高的吸收率主要是
由微藻 MC-1独特的生理特性所决定的。该藻不
仅具有嗜碱特性，且在培养过程中会使藻液产生
明显的 pH漂移，即培养过程中随着藻细胞的生
长，藻液表现出同步的 pH上升现象，从而使藻
液呈碱性，根据酸碱平衡原理，CO2、NO和 SO2
等酸性气体更容易被碱性溶液所吸收[26]。本实验
采用间歇性通气方法很好地维持了这种平衡关
系，使藻液既不会出现碱性过高现象，也不会由
于大量酸性气体的通入而快速酸化，而是维持在
该藻的最适生长 pH附近，既保证了烟气中各成
分都具有较高的吸收效果，又能使该藻在最适
pH下快速生长。
3.4 微藻产油与烟气减排耦合培养的进一步
优化及其商业化生产前景
虽然在 24 m2开放式跑道池中烟气培养与纯
CO2培养相比差异不明显，但其生长速率与此前
研究相比有了较大幅度的提高。在室外大规模烟
气培养中将会遇到培养条件难控制 (如 pH、温
度、溶解氧等)，天气以及敌害生物等因素的影
响。因此我们认为在室外微藻产油与烟气减排的
大规模培养中，需要进一步优化培养条件，包括
培养系统、烟气补充系统等的优化。如何通过改
善烟气补充装置，提高烟气中各成分的吸收利用
率，从而更好地降低培养成本，有待进一步深入
研究。
据统计，直到目前只有少数几家企业尝试过
利用烟气进行微藻工业化生产，如以色列电力公
司和Seambiotic有限公司尝试过将烟气直接导入
露天培养池中培养一种微绿球藻[27]；在夏威夷，
Cyanotech 公司利用自己研发的一种烟气发生系
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统来进行微藻节旋藻 Arthropspira sp.的培养，并
利用燃料燃烧产生的余热来干燥藻泥[28]，而在我
国关于利用烟气大规模培养微藻的研究则少有
报道。本实验中所使用的嗜碱绿球藻 MC-1是一
株能适应烟气培养条件的产油藻种，由于其培养
过程中藻液偏碱性，能对敌害生物起到有效的控
制作用，易于室外大规模培养。如果采用具有与
本研究中微藻 MC-1相似生理特性的藻种，优化
培养条件，进一步完善烟气补给系统，耦合微藻
产油与烟气减排并实现商业化生产是可期的。
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