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上海农业科技 2011-2
利用污水和烟道气培养葡萄藻的研究进展
王艳菊 （上海市闵行区农民中等专业学校，上海 201101）
葛亚明 刘俊稚 （浙江大学环境与资源学院，杭州 310029）
工业革命以来，煤、石油等化石燃料的大量使用，使人
类面临不可再生资源加速枯竭的困境，同时地球的生态环境
也遭受了巨大破坏。据估计，按照现有的消费方式，全球已
探明化石能源中，石油、天然气和煤分别最多还可维持43、
64和200年[1]；同时由于化石能源的大量使用，由粉尘、CO2、
SO2、H2S、NOx等污染物引起的雾霾、光化学烟雾、温室
效应、酸雨、臭氧空洞和热岛效应等重大环境问题严重威胁
着人类的生存与发展；能源和环境问题已成为各国发展经
济、保持社会稳定的重要限制因子。因此，近年来许多国家
将生物质能等可再生能源的开发作为重要课题，投入了巨额
资金进行科研公关，以期实现人类的可持续发展。不过传统
生物质能在开发过程中遇到了生产周期长、光合效率低、原
料不足、引发粮食危机等问题[2]，引起了一些国家的恐慌，他
们指出传统生物质能的发展导致了全球的粮食危机。尽管目
前许多国家针对上述问题提出了利用秸秆等农业废弃物作为
生物乙醇或生物柴油的生产原料，但从长远来看，这仍不能
彻底解决生物燃料的原料问题。因此有必要开发一种生产效
率更高的新型生物燃料，这对加快传统农业的产业升级、增
加农民收入都具有重要意义。
目前，微藻已被广泛用于生产饲料、保健品、色素等物
质，微藻商业化生产已成为一种较为成熟的产业，然而微藻
燃料研究在我国近几年才刚开始。微藻生物燃料作为一种新
型生物质能，与传统生物质能相比，具有周期短、含油量高、
不占用耕地、种类多、利于工业化开发等优点。近年来，随
人类对温室效应及能源危机认识的提高，利用微藻进行CO2
生物固定、同时生产燃料正成为各国生物质能研究的热点。
葡萄藻是一种分布广泛、繁殖速度快[3]、含油率高、平
均热值高、生产过程中CO2排放少的微藻。目前科学家已成
功筛选出固碳速率超过1g（CO2）/L·d、含油量超过15%
的葡萄藻藻种SI-30[3]。美国ASP研究计划和日本RITE机构
的研究结果都曾认为利用微藻固碳产能在经济上是不可行
的，规模和成本问题是其发展的两大瓶颈[3]。因此如何降低
葡萄藻固碳产能的生产成本是其今后实现产业化必须解决的
关键问题。针对这一问题，很多学者提出利用污水和烟道气
进行葡萄藻的大规模培养，从而将污水、废气处理和新能源
开发有机结合，进而达到节能减排，促进社会经济的可持续
发展[4]。本文就利用污水和废气培养葡萄藻研究进展进行了
综述，以期为实现葡萄藻燃料低成本规模化开发提供参考。
1 污水在葡萄藻培养中的应用
现已报道用于葡萄藻培养的废水种类包括市政污水[5]、
养猪废水[6]、畜禽废水[7]及地毯工业废水[8] 4种。
Sawayama等[5]最早进行了污水培养葡萄藻Kutzing
Berkeley的尝试，他们以市政污水处理厂二沉池的污水培养
葡萄藻。结果表明，经9d培养后葡萄藻浓度达0.34g/L；而
采用连续培养（2L的反应器内每天以1140mL新污水替代反
应器内相同体积的藻液）时，其生长速率可达0.05g/L·d
[5]，该研究首次证明了污水培养葡萄藻的可行性。An等[6]用
养猪废水培养葡萄藻UTEX 572，经12d培养后，藻细胞干
重可达8.5g/L，这是目前葡萄藻人工培养所达到的最大密
度，可见该种废水十分适宜葡萄藻生长及烃类物质累积。
Shen等[7]的实验结果显示，如果完全以未经任何处理的畜禽
废水培养葡萄藻UTEX 2629，其细胞数目在起初的前20d
基本没变化，甚至略有下降，不过在第21～22d时藻细胞数
目突然出现大幅提高，而后又趋于稳定。作者认为这可能是
由于起初该种废水中含有的高浓度NH4+-N及磷酸盐抑制了
葡萄藻的生长，后期废水中的氮磷浓度降低时才适宜葡萄藻
的生长，但此时废水中的氮磷浓度已不能满足葡萄藻的持续
生长。Chinnasamy等[8]以未经处理的地毯工业废水（85%～
90%）+市政污水（10%～15%）的混合废水培养葡萄藻UTEX
572，其生长速率为0.034g/L·d。综上所述，葡萄藻在不
同污水中生长时的生长速率相差较大，这可能是由于不同污
水中的营养组成及含量差异较大。
由于当前多数污水处理厂出水往往具有浓度较高的氮
磷，而这种水一旦排入自然水体可能会造成严重的微藻水华
现象。以该种污水培养葡萄藻既有利于降低葡萄藻的培养成
本，又有利于去除污水中的氮磷，从而避免或减轻微藻水华
的发生。Sawayama等以污水处理厂二沉池的污水培养葡萄
藻9d后，污水中的NO3-N和总磷浓度分别从4.48mg/L和
0.39mg/L下降到0mg/L；当以连续培养方式进行葡萄藻培
养时，3d内培养液中的总氮和总磷分别由原来的5.5、0.08mg/
L降到4.0、0.03mg/L[5]。当以NO3-N和总磷含量分别为
788mg/L和40mg/L的养猪废水培养葡萄藻UTEX 572时，
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收稿日期：2010-12-20
摘 要：笔者概述了污水和烟道气在葡萄藻培养中应用的研究现状，并针对相关研究中存在的问题及其发展
方向进行了分析和讨论，以期为实现葡萄藻燃料低成本规模化开发提供参考。
关键词：污水；烟道气；葡萄藻
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12d后NO3-N下降到168mg/L[6]。Shen等[7]的研究表明，经
14d培养，葡萄藻UTEX 2629可将畜禽废水中88%的总氮
（起始浓度约为100mg/L）及98%（起始浓度约为20mg/L）
的总磷去除掉。当以NO3-N和PO4-P含量分别为2.832
mg/L和4.807mg/L的地毯污水+市政污水培养葡萄藻
UTEX 572时，经9d后NO3-N和PO4-P的去除效率分别达
99.8%和99.1%[8]。从现有的报道资料看，An等[6]所用养猪
废水的氮磷含量最高，他们所培养的葡萄藻藻液最终密度也
最大。可见污水中氮磷元素含量与葡萄藻的生长速率及最终
浓度直接相关；另外这些研究表明硝酸盐较其他氮素存在形
态更适于葡萄藻的生长，而高浓度NH4+-N则往往会对其产
生抑制甚至毒害。因此，在使用污水培养葡萄藻时应选取那
些硝酸盐、磷酸盐含量高而NH4+-N含量较低的污水。
pH值是影响微藻生长代谢的一个重要因素。尽管不同
污水种类的成分不同，理化性质差异较大，但目前用于葡萄
藻培养的4种污水的pH值都在6.0～8.0之间[5,6,7]，正好适
合葡萄藻生长[10]。因此，研究者在采用上述污水培养葡萄藻
时都没有对污水的pH值进行调控，从而省去由培养基pH值
调控产生的费用，有利于维持低成本运作。
由于一般污水中的生物种类繁多，要维持单一藻种的纯
培养，需要对培养基进行灭菌，以免被其它物种污染。Shen
等[7]用经灭菌的畜禽废水和蒸馏水按不同比例混合而成的复
合培养基培养葡萄藻UTEX 2629，结果表明：当两者体积
各占5 0 %时最有利于葡萄藻生长。S a w a y a m a等和
Chinnasamy等分别以孔径为0.2m的滤膜和孔径为50m的
筛网对污水进行过滤处理，然后用于葡萄藻的培养。无论是
高温高压灭菌还是滤膜过滤灭菌都要消耗大量能源，无疑会
抵消以污水培养葡萄藻的低成本优势，因此以污水培养葡萄
藻要尽量避免使用高能耗的灭菌操作。在污水培养葡萄藻的
研究中，只有An等[6]在采用养猪废水培养葡萄藻时没对污水
进行灭菌处理，且他们所获的藻液密度最大。可见，在污水
种类和葡萄藻藻种选取合适时还是可避免污水灭菌操作的。
微藻培养方式现有开放式和封闭式两种，其中开放式培
养主要采用跑道式培养池，这是目前唯一实现商业化运作的
微藻培养方式；封闭式培养一般采用光生物反应器。
Sawayama等和An等以污水培养葡萄藻的试验都在柱式光
生物反应器内进行，试验条件相对苛刻；Shen等将污水注入
锥形瓶，同时通以过滤空气培养葡萄藻，获得了很高的藻种
生产效率，但该研究并没有说明是否对锥形瓶进行了严格的
密封及灭菌措施；目前只有Chinnasamy等[8]尝试了在跑道
式培养池中用污水培养包括葡萄藻的混合藻种，不过其藻种
生产效率明显低于锥形瓶。总体而言，尽管光生物反应器的
生产效率很高，但其造价和运行成本十分昂贵，因此作一般
燃料的开发前景有限。而另一方面葡萄藻在许多自然水体中
都能形成水华[10]，说明葡萄藻在开放体系中能占据高的生态
位而成为优势藻种。因此有必要对开放环境下，葡萄藻在污
水中的生态规律进行深入系统的研究，从而为葡萄藻的低成
本培养提供依据。
2 烟道气在葡萄藻培养中的应用
CO2是微藻光合作用的重要底物，而烟道气中含有大量
CO2，如果能利用烟道气为葡萄藻培养提供碳源，就可将固
碳和微藻燃料开发有机结合，具有重要意义。
Rao等[9]研究了不同浓度的CO2对葡萄藻生长及代谢的
影响，结果表明，2%CO2最有利于葡萄藻的生长及烃类合成。
但该研究设计的CO2最高浓度只有2%，而由于大多数烟道
气中CO2浓度在10%～20%[11]，而高浓度的CO2对某些微藻
的生长具有抑制作用[12]，因此有必要对10%～20%CO2对葡
萄藻生长代谢的影响进行深入研究。Ge等[13]研究了2%～
20%CO2对葡萄藻765生长的影响，发现葡萄藻在高浓度
（10%～20%）CO2鼓气条件下的生长状况并未受到明显影
响；另外高浓度CO2下葡萄藻集落明显变大，可能有利于降
低葡萄藻的采收成本。可见，以高浓度CO2作碳源培养葡萄
藻时可能不会成为限制因素。
Yang等[14]以亚硫酸氢盐和亚硝酸盐模拟了烟道气中
SO2和NOx对葡萄藻生长代谢的影响，结果表明，只有当亚
硫酸氢盐浓度低于2mmol/L、亚硝酸盐浓度低于8mmol/L
时，才不会对葡萄藻产生毒害作用，否则葡萄藻的生长代谢
就会受到显著抑制；他们同时指出在利用烟道气培养葡萄藻
之前有必要对其进行预处理，具体措施有待深入研究。该研
究并未指出要针对烟道气的哪些理化性质进行预处理，笔者
认为其中可能主要包括重金属、大颗粒物、SO2和NOx、高
温等不利于微藻生长的因素。
目前只有Yoo等[15]研究了实际烟道气而非模拟烟道气对
葡萄藻生长代谢的影响，他们以含有约5.5%CO2的燃油发
电机烟道气培养葡萄藻UTEX 572，葡萄藻生长速率和油质
含量分别为0.077g/L·d和24%。该研究的意义在于首次报
道了实际烟道气对葡萄藻生长及油质合成的影响；不足之处
为没有说明该烟道气是否存在NOx、SO2等物质对葡萄藻的
毒害作用。另外，由于实际生产中以燃煤电厂产生的烟道气
为主，因此若想利用烟道气培养葡萄藻，今后还应以研究这
类烟道气对葡萄藻生长代谢的影响为主。
3 结 语
葡萄藻是产烃量最高、研究最多、最渴望成为工业藻种
的微藻品种[9]，但成本问题依然是制约葡萄藻燃料开发的瓶
颈。以污水和烟道气为葡萄藻提供营养盐及碳源，不仅可大
幅降低葡萄藻的培养成本，而且有利于减轻污水的氮磷污染
及温室气体排放，具有多重意义。现有研究表明，多种污水
可用于葡萄藻的培养，尤其是氮磷含量较为丰富的污水；目
前烟道气对葡萄藻生长代谢影响的研究十分有限，尤其是以
燃煤电厂实际烟道气培养葡萄藻的研究尚未见报道，相关研
究有待开展。鉴于微藻燃料的独特优势，相信其发展前景将
是十分诱人的。
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参考文献
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透光、防暴雨、适度遮光等作用，使生产出的蔬菜达到安全、
优质、卫生、无公害蔬菜标准。
4.3 增施农家有机肥，推广应用平衡施肥技术，功能区平
均每667m2施有机肥1000kg，不仅改良了土壤，还降低了生
产成本，减轻了农业面源污染。
4.4 功能区内全面应用“早熟五号”、“上海青”等优质叶
菜良种，使良种覆盖率达90%以上。
5 功能区经济效益
截止2010年10月，共销售叶菜1512t，总产值237.5万
元，总利润79.035万元，每667m2产量10080kg，每667m2
产值1.583万元，每667m2利润0.5269万元。其中青菜累计
种植面积4.8hm2，总产值59.4万元，总利润17.82万元；苋
菜累计种植面积0.73hm2，总产值9.24万元，总利润2.772
万元；空心菜累计种植面积1.53hm2，总产值15.36万元，
总利润4.608万元；包心菜累计种植面积3.73 hm2，总产
值44.1万元，总利润15.435万元；大白菜累计种植面积
9.67hm2，总产值109.4万元，总利润38.4万元。
6 存在问题及对策措施
6.1 存在问题 （1）资金缺乏，对扩大基地面积、增加设
施规模带来一定的难度。（2）劳动力价格提升，化肥、农药
等生产成本上升，加上采用订单农业的叶菜市场价不高等诸
多问题，使叶菜生产经济效益不高。
6.2 对策措施 （1）通过筹资、信贷等方式，加大对基地
的投入。（2）积极实施沃土工程，以施用有机肥为主，减少
化肥用量，减轻生产成本。（3）采用防虫网、性引诱剂等生
物防治手段，减轻病虫危害、减少农药用量。（4）积极扩大
喷滴灌使用规模，达到省工、省电、节水、增效的目的。
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3.2 在继代增殖培养过程中高浓度玉米素易造成玻璃苗产
生，因此在增殖培养中玉米素应该保持一高一低的浓度交替
使用，有利于丛生芽的发生和长高，但浓度不能高于1.5mg/
L，也不能低于0.8mg/L。分化增殖效果最佳的培养基为1/
2MS+ZT0.8～1 5mg/L+NAA0.1mg/L。
3.3 生根是“南高丛”蓝莓组织培养过程中较难的环节，不
同的品种生根难易程度不一样，特别是在培养基表面的愈伤
组织形成的不定根，在移栽过程中容易脱落，造成移栽成活
率不高。通过增加活性炭，可促进植株在插入培养基的切口
处生根，抑制植株和培养基表形成愈伤，从而抑制表面不定
根的发生。生根效果最佳的培养基为1/2MS+IBA1.0mg/
L+NAA0.5mg/L+炭黑，生根率达 80%以上 。
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参考文献
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