全 文 ：第３８卷第１期
２０１６年１月
湖北大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１
Ｊａｎ．，２０１６
收稿日期：２０１５－０４－０９
作者简介：陈道齐（１９６３－），男，副教授，Ｅ－ｍａｉｌ：８４３１８１０２７＠ｑｑ．ｃｏｍ
文章编号：１０００－２３７５（２０１６）０１－００５６－０７
响应面优化二形栅藻（ＦＡＣＨＢ－４９６）固碳培养条件
陈道齐
（福州职业技术学院交通工程系，福建 福州３５０１０８）
摘要：采用Ｐｌａｃｋｅｔｔ－Ｂｕｒｍａｎ和中心组合设计对影响二形栅藻固碳率的７个影响条件进行筛选优化．ＰＢ实验设计与
统计学分析表明：光照强度、初始氮浓度和接种浓度是影响栅藻固碳率的３个关键因素．以固碳率为响应目标，对这３个
因素进行中心组合设计，并经响应面法优化分析得到影响栅藻固碳率的二次回归方程模型，获得优化的二形栅藻最优固
碳培养条件为光强２２７．８２μｍｏｌ·ｍ
－２·ｓ－１，初始氮浓度１５２．４０ｍｇ·Ｌ－１，接种浓度０．３３ｇ·Ｌ－１；模型预测最大固碳率
为７０２．０２６ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１，验证值为７１７．４９ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１．验证结果表明，所建立模型预测精度较好，可用于优化栅藻
固碳培养．
关键词：二形栅藻；响应面法；固碳率；碳减排
中图分类号：Ｑ９３６；Ｑ９３９．９ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－２３７５．２０１６．０１．０１１
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｌｔｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｉｘｔｉｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｖｉａ
Ｓｃｅｎｅｄｅｓｍｕｓ ｄｉｍｏｒｐｈｕｓ（ＦＡＣＨＢ－４９６）ｕｓｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔｈｏｄ
ＣＨＥＮ Ｄａｏｑｉ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｌａｃｋｅｔｔ－Ｂｕｒｍａｎ （ＰＢ）ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｄｅｓｉｇｎ （ＣＣＤ）ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ
ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ７ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｆｉｘｔｉｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｖｉａ Ｓｃｅｎｅｄｅｓｍｕｓ ｄｉｍｏｒｐｈｕｓ．Ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ
ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｉｎｉｔｉａｌ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ （ＩＴＮＣ）ａｎｄ ｉｎｉｔｉａｌ ａｌｇａｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ａｓ ｔｈｒｅｅ ｋｅｙ
ｆａｃｔｏｒｓ，ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ ｔｏ ｂｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｘｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ Ｓｃｅｎｅｄｅｓｍｕｓ ｄｉｍｏｒｐｈｕｓ ｖｉａ ＰＢ ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｌｏｗｉｎｇ ｓｔａｔｉｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｂｙ ＣＣＤ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ
ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｆｉｘｔｉｏｎ ｃａｒｂｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ．
Ａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｕｌｔｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ２２７．８２μｍｏｌ·ｍ
－２·ｓ－１，ＩＴＮＣ １５２．４０ｍｇ·Ｌ－１ ａｎｄ
ｉｎｉｔｉａｌ ａｌｇａｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ０．３３ｇ·Ｌ－１，ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｘｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａｔ ７１７．４９ｍｇ·Ｌ－１·
ｄ－１；ｉｔ ｗａｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ７０２．０２６ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｇｏｏｄ；ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｌｔｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ｏｆ ｆｉｘｔｉｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｖｉａ Ｓｃｅｎｅｄｅｓｍｕｓ ｄｉｍｏｒｐｈｕｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｃｅｎｅｄｅｓｍｕｓ ｄｉｍｏｒｐｈｕｓ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔｈｏｄ；ｃａｒｂｏｎ ｆｉｘｔｉｏｎ ｒａｔｅ；ｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ
ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
０ 引言
随着汽车使用的增多，碳排放量逐年递增，我国ＣＯ２ 排放量更是位居世界第一［１］，寻求高效、环保、
经济的碳减排技术也越来越受到各国的广泛关注和研究．其中利用微藻固定ＣＯ２ 技术被认为是一种最
第１期 陈道齐：响应面优化二形栅藻（ＦＡＣＨＢ－４９６）固碳培养条件 ５７
有前途、高效经济的ＣＯ２ 减排技术［２］．但是，培养成本过高问题严重制约了微藻生物柴油技术的发展进
程［３］，微藻高效固碳成为该技术亟需解决的关键技术之一．
二形栅藻是本课题组前期通过耐受固碳藻种选育实验得到的一株具有较大固碳潜能的微藻．该栅
藻具有耐受较高ＣＯ２ 浓度的能力，且具有一定的油含量和较快的生长速度．研究表明，微藻固碳效率受
到ｐＨ［４］、细胞浓度［５］、通气量［６］、光照强度［７］和培养液中营养元素［８］以及培养方式［９］等诸多因素的影
响，而关于这些培养条件对二形栅藻固碳效率的综合影响及交互作用国内外尚少见报道．
固碳培养条件优化是一个复杂的过程，涉及大量的实验研究．响应面法能够克服传统单因素实验次
数多、实验周期长和结果不准确等不足，已被成功地应用于微藻的优化培养中［１０］．本文中拟采用响应面
法对影响筛选得到的二形栅藻高效固碳的诸多因素进行考察，并对筛选得到的显著因素进一步优化，确
定栅藻的最佳固碳培养条件，为利用微藻固碳减排和微藻生物柴油的开发应用提供相关实验依据和技
术参考．
１ 材料与方法
１．１ 材料 实验所用二形栅藻（ＦＡＣＨＢ－４９６）来自湖北武汉的水生生物研究所．藻种育种采用
Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｂａｓａｌ培养液，优化培养实验以二级处理的畜禽污水为培养基．污水来源于福州市上街镇溪源
宫养猪场．
１．２ 方法
１．２．１ 培养方法 育种培养：控制条件光照强度９５μｍｏｌ·ｍ
－２·ｓ－１，温度（２６±１）℃，光照周期１２
ｈ／１２ｈ（昼／夜），ｐＨ为８．０±０．５，ＣＯ２ 浓度２％，通气率０．１５ｍ３·ｍ－３·ｍｉｎ－１，培养５ｄ后作为优化培
养实验的藻种．优化培养：光照强度、污水初始氮浓度、ｐＨ、通气率等为考察对象，其他条件控制温度（２６
±１）℃，光照周期１２ｈ／１２ｈ（昼／夜），ＣＯ２ 浓度１５％，培养周期为８ｄ．育种和优化培养均在本实验室自
主设计的气升－管式生物反应器进行．其是由直径７ｃｍ长７５ｃｍ的透明塑料袋子制成，容积为１．５Ｌ（培
养液体积１Ｌ）．供气采用纯ＣＯ２ 钢瓶，通过混合空气来实现ＣＯ２ 浓度控制．
１．２．２ 日均生物质产量计算 取一定量的藻液，经微孔滤膜抽滤后，在９５℃下干燥至恒重后称重，计
算日均产量公式为
Ｐｂ＝（Ｗ１－Ｗ２）／ｔ （１）
式中：Ｐｂ表示微藻生物质产量（ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１）；Ｗ１ 为收获的藻细胞浓度（ｍｇ·Ｌ－１）；Ｗ２ 为接种藻液
中细胞浓度（ｍｇ·Ｌ－１）；ｔ为培养天数（ｄ）．
１．２．３ 固碳率测定 因为微藻细胞中的所有碳元素均来自所固定的ＣＯ２，所以固碳率可以用微藻日均
生物质产量Ｐｂ和微藻细胞的含碳量ＣＣ 来计算，固碳率的计算表达式为［１１］
ＣＦＲ＝ＣＣ
ＭＣＯ２
ＭＣＰｂ
（２）
式中：ＣＦＲ为固定率（ｍｇ·Ｌ－１·ｄａｙ－１）；ＣＣ 干细胞碳含量（％）；ＭＣＯ２为ＣＯ２ 的分子量；ＭＣ 为Ｃ的分子量．
干细胞含碳率用元素分析仪（ｖａｒｉｏ ＥＬ ｃｕｂｅ，德国ｅｌｅｍｅｎｔａｒ公司）测得．
１．３ 实验设计 以栅藻固碳率作为响应目标，采用三步法进行优化：首先利用Ｐｌａｃｋｅｔｔ－Ｂｕｒｍａｎ设计
挑选出对响应影响较大的３个因素；然后再利用响应面方法（ＲＳＭ）中的中心组合设计（ＣＣＤ）进行实
验，通过实验数据拟合得到二阶响应面模型，确定最优实验条件；最终进行最优培养条件的验证实验，并
结合采用半间歇培养策略提高栅藻最终固碳效率．最后对所得藻粉进行Ｃ、Ｎ元素含量分析，找出Ｃ含
量与固碳率的内在联系．
１．３．１ ＰＢ实验设计 ＰＢ设计是一种两水平的实验设计方法，在不完全平衡板块原理的基础上，通过
Ｎ 组实验至多可研究（Ｎ－１）个变量的影响．该方法适用于从多的考察因素中快速有效地筛选出最重要
的几个因素．应用“Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｘｐｅｒｔ”软件对栅藻固碳实验进行ＰＢ设计（表１）．对固碳效率的７个主要影
响因素进行筛选，外加４个虚拟变量，每个变量分别确定高低两个水平，共有１２个试样，每个试样２个
平衡，以确定每个因素的影响因子．
５８ 湖北大学学报（自然科学版） 第３８卷
表１ ＰＢ设计因素水平表
变量 影响因素 低水平（－） 高水平（＋）
Ｘ１ 光强／（μｍｏｌ·ｍ
－２·ｓ－１） １６０ ２４０
Ｘ２ 总氮／（ｍｇ·Ｌ－１） １００ １５０
Ｘ３ 通气率／（ｍ３·ｍ－３·ｍｉｎ－１） ０．１ ０．３
Ｘ４ 通气间隔／ｍｉｎ ５ ７．５
Ｘ５ 接种浓度／（ｇ·Ｌ－１） ０．１ ０．３
Ｘ６ ｐＨ ７ ９
Ｘ７ 镁离子／（ｍｍｏｌ·Ｌ－１） ０．４４６ ４．０１７
Ｘ８，Ｘ９，Ｘ１０，Ｘ１１ 虚拟因素 － －
１．３．２ 响应面优化实验设计—中心组合设计（ＣＣＤ） 中心组合实验可以通过最少的实验来拟合响应
面模型，每个因素通常设置５个水平，一般采用二阶经验模型来对变量的相应行为进行表征．
对由Ｐｌａｃｋｅｔｔ－Ｂｕｒｍａ实验筛选出来的３个重要影响因素（光强、初始氮浓度和接种浓度）进行ＣＣＤ
实验设计（表２），同时固定其他非关键因素为：通气率０．１ｍ３·ｍ－３·ｍｉｎ－１，通气间隔时间７．５ｍｉｎ，
ｐＨ值８，添加镁离子０．４４６ｍｍｏｌ·Ｌ－１．
表２ 中心组合设计各因素水平表
因素 培养条件
水平
－α －１ ０ ＋１ ＋α
Ａ 光强／（μｍｏｌ·ｍ
－２·ｓ－１）１７３ ２００ ２４０ ２８０ ３０７
Ｂ 总氮／（ｍｇ·Ｌ－１） １０８ １２５ １５０ １７５ １９２
Ｃ 接种浓度／（ｇ·Ｌ－１） ０．１３ ０．２ ０．３ ０．４ ０．４７
２ 结果与分析
２．１ Ｐｌａｃｋｅｔｔ－Ｂｕｒｍａ实验结果与分析 Ｐｌａｃｋｅｔｔ－Ｂｕｒｍａ实验结果见表３．采用Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｘｐｅｒｔ软件对固
碳率数据进行回归分析，得到各影响因子的偏回归系数及其显著性（表４）．
表３ ＰＢ实验设计和结果
Ｎｏ． Ｘ１ Ｘ２ Ｘ３ Ｘ４ Ｘ５ Ｘ６ Ｘ７ Ｘ８ Ｘ９ Ｘ１０ Ｘ１１ ＣＦＲ／（ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１）
１ １ １ －１ １ １ １ －１ －１ －１ １ －１ ７１２．２５±７３．３２
２ －１ １ １ －１ １ １ １ －１ －１ －１ １ ５６２．９９± ７．８６
３ １ －１ １ １ －１ １ １ １ －１ －１ －１ ４２０．２８±１１．７８
４ －１ １ －１ １ １ －１ １ １ １ －１ －１ ５６５．６１±４４．５２
５ －１ －１ １ －１ １ １ －１ １ １ １ －１ ４５５．６３±１０．４７
６ －１ －１ －１ １ －１ １ １ －１ １ １ １ ３１４．２３±１０．４７
７ １ －１ －１ －１ １ －１ １ １ －１ １ １ ４６８．７２±１０．４７
８ １ １ －１ －１ －１ １ －１ １ １ －１ １ ５３１．５７±２３．５７
９ １ １ １ －１ －１ －１ １ －１ １ １ －１ ５６５．６１± ７．８６
１０ －１ １ １ １ －１ －１ －１ １ －１ １ １ ４４７．７８±１８．３３
１１ １ －１ １ １ １ －１ －１ －１ １ －１ １ ６４９．４１±５２．３７
１２ －１ －１ －１ －１ －１ －１ －１ －１ －１ －１ －１ ４２６．８３±１３．０９
第１期 陈道齐：响应面优化二形栅藻（ＦＡＣＨＢ－４９６）固碳培养条件 ５９
表４ 偏回归系数及影响因子的显着性分析
因素 回归系数 标准误差 Ｅ（ｘｉ） 平方和 贡献值／％ ｐ－ｖａｌｕｅ 是否显著
截距 ５１０．０８ １２．１１ ０．０２０ ６ 是
Ｘ１ ４７．９０ １２．１１ ９５．８０ ２７５３０．６６ ２０．９２ ０．０１６ ７ 是
Ｘ２ ５４．２３ １２．１１ １０８．４５ ３５２８５．８３ ２６．８１ ０．０１１ ０ 是
Ｘ３ ６．８７ １２．１１ １３．７５ ５６６．９８ ０．４３ ０．６００ ６ 否
Ｘ４ ８．１８ １２．１１ １６．３７ ８０３．４５ ０．６１ ０．５３６ ２ 否
Ｘ５ ５９．０３ １２．１１ １１８．０５ ４１８１０．１９ ３１．７６ ０．００８ ２ 是
Ｘ６ －１０．５８ １２．１１ －２１．１７ １３４４．１０ １．０２ 否
Ｘ７ －２７．１７ １２．１１ －５４．３４ ８８５６．９９ ６．０７ ０．０８８ ３ 否
Ｘ８ －２８．４８ １２．１１ －５６．９５ ９７３１．２５ ７．３９ ０．０７８ ４ 否
Ｘ９ ３．６０ １２．１１ ７．２０ １５５．５７ ０．１２ 否
Ｘ１０ －１６．０４ １２．１１ －３２．０８ ３０８６．９０ ２．３５ 否
Ｘ１１ －１４．２９ １２．１１ －２８．５９ ２４５１．４９ １．８６ 否
以因素Ｘ１ 光照强度为例：其偏回归系数为４７．９０、标准误差为１２．１１、影响水平Ｅ（ｘｉ）为９５．８０，表
明光强对栅藻固碳率的影响为正效应，即随着光照强度的提高，栅藻固碳率呈增加的趋势，因此在后续
因素优化实验中应该提高光强值；光强的贡献值为２０．９２％，较通气率、通气间隔、ｐＨ和镁离子的相应
贡献值明显较高，又因其Ｐｒｏｂ（Ｐ）＞Ｆ值为０．０１６ ７，因此显著性分析结果为显著（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ）．由表４
可明显看出因素光照强度、总氮和接种浓度为主要影响因子，其影响值分别为２０．９２％、２６．８１％和
３１．７６％．经影响因素筛选，得到以栅藻固碳率为响应值的线性回归方程为：
Ｙ＝５１０．０８＋４７．９０Ａ＋５４．２３Ｂ＋５９．０３Ｃ （３）
式中，Ａ＝（Ｘ１－２００）／４０；Ｂ＝（Ｘ２－１２５）／２５；Ｃ＝（Ｘ５－０．２）／０．１．
方差分析模型的Ｐｒｏｂ（Ｐ）＞Ｆ值为０．０２０ ６，表明所得回归方程达到显著．复相关系数Ｒ２＝０．９４６ ５，说
明相关性较好．校正决定系数Ａｄｊ Ｒ２＝０．８５３ ０，表明８５．３０％的实验数据的变异性可用此回归模型来
解释；通常情况下变化系数（ＣＶ）值越低，实验的可信度和精确度越高，ＣＶ＝８．２２％，表明ＰＢ实验的可信
度和精确度很好；精密度（ａｄｅｑ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ）是有效信号与噪声的比值，大于４．０视为合理，本实验精密度
达到１０．９９７．
２．２ ＣＣＤ实验结果与分析
２．２．１ 模型建立与方差分析 中心组合实验结果见表５，通过Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｘｐｅｒｔ软件对表５数据进行二
次多项回归拟合得到回归方程为：
表５ 中心组合设计与结果
Ｎｏ． Ａ Ｂ Ｃ ＣＦＲ／（ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１） Ｎｏ． Ａ Ｂ Ｃ ＣＦＲ／（ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１）
１ －１ －１ －１ ４３２．０６±１９．６４ １１ ０ －α ０ ４６０．８７±１１．７８
２ １ －１ －１ ４９７．５３± ７．８６ １２ ０ α ０ ５４４．６６±２６．１５
３ －１ １ －１ ５６０．３７± ５．２４ １３ ０ ０ －α ４８５．７５±２２．２６
４ １ １ －１ ５３１．５７±２３．５７ １４ ０ ０ α ６１０．１３± ２．６２
５ －１ －１ １ ５８７．８７±２４．８８ １５ ０ ０ ０ ６８３．４５±１０．４７
６ １ －１ １ ５２１．１０±１３．０９ １６ ０ ０ ０ ６６７．７４± ２．６２
７ －１ １ １ ６０４．８９±３４．０４ １７ ０ ０ ０ ７０７．０１±１０．４７
８ １ １ １ ３９１．４８±５６．３０ １８ ０ ０ ０ ７０４．４０±１０．４７
９ －α ０ ０ ５１８．４８± ２．６２ １９ ０ ０ ０ ６７２．９７± ２．６２
１０ α ０ ０ ４１３．７３± ６．５５ ２０ ０ ０ ０ ７２７．９６±１０．４７
６０ 湖北大学学报（自然科学版） 第３８卷
Ｙ＝６９３．２２－３０．７３Ａ＋１３．７３Ｂ＋２１．４５Ｃ－３０．１１ＡＢ－３９．６１ＡＣ－３４．３７ＢＣ－
７５．９７Ａ２－６３．０１Ｂ２－４７．０４Ｃ２，
式中，Ｙ 是响应值，即二形栅藻的固碳率；Ａ，Ｂ，Ｃ分别表示光强强度、总氮和接种浓度对应条件取值．
回归模型及方差分析结果见表６．由表６的方差分析可知，整体模型的Ｆ为２７．２７，Ｐｒｏｂ（Ｐ）＞Ｆ值
小于０．０００ １，表明该模型极显著．模型失拟项表示模型预测值与实际值不拟合的概率，表６中失拟项Ｆ
为１．９９，Ｐｒｏｂ（Ｐ）＞Ｆ值为０．２３３ ５大于０．０５，失拟项不显著，故模型选择正确．模型的相关系数Ｒ２＝
０．９６０ ９，说明模型可以解释试验栅藻固碳率９６．０９％的变化，表明方程拟合较好，该实验精密度达到
１４．７３４．因此，该回归模型可以为栅藻在特定培养条件下的固碳率提供一个合理预测．
表６ 二次多项模型及其各项的方差分析
因素 平方和 自由度 均方 Ｆ值 Ｐｒｏｂ＞Ｆ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
Ｍｏｄｅｌ １．９６５Ｅ＋５ ９ ２１ ８３３．３５ ２７．２７ ＜０．０００ １ ＊＊
Ａ １２ ８９７．０８ １ １２ ８９７．０８ １６．１１ ０．００２ ５ ＊
Ｂ ２ ６６２．２４ １ ２ ６６２．２４ ３．３３ ０．０９８ ２
Ｃ ６ ２８５．２７ １ ６ ２８５．２７ ７．８５ ０．０１８ ７ ＊
ＡＢ ７ ２５４．６３ １ ７ ２５４．６３ ９．０６ ０．０１３ １ ＊
ＡＣ １２ ５４８．９９ １ １２ ５４８．９９ １５．６８ ０．００２ ７ ＊
ＢＣ ９ ４４９．７１ １ ９ ４４９．７１ １１．８０ ０．００６ ４ ＊
Ａ２ ８３ １７４．１５ １ ８３ １７４．１５ １０３．９０ ＜０．０００ １ ＊＊
Ｂ２ ５７ ２１４．４７ １ ５７ ２１４．４７ ７１．４７ ＜０．０００ １ ＊＊
Ｃ２ ３１ ８８７．００ １ ３１ ８８７．００ ３９．８３ ＜０．０００ １ ＊＊
残差项 ８ ００５．５３ １０ ８００．５５
失拟项 ５ ３３１．３３ ５ １ ０６６．２７ １．９９ ０．０７９ ６ 不显著
误差 ２ ６７４．２０ ５ ５３４．８４
总和 ２．０４５Ｅ＋５ １９
Ｒ２＝０．９６０ ９；Ａｄｊ Ｒ２＝０．９２５ ６；ＣＶ％＝５．００；Ｐｒｅｄ Ｒ２＝０．７８０ ９；Ａｄｅｑ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ＝１４．７３４．
２．２．２ 响应面交互作用分析及最佳培养条件确定 为进一步考察光照强度（Ａ）、初始氮浓度（Ｂ）和接
种浓度（Ｃ）３个因素的交互作用以及确定最优培养条件组合，通过Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｘｐｅｒｔ软件由拟合回归方程
绘制出响应面图（图２）．每个响应面分别代表两个独立变量之间的交互作用，此时第三个变量保持在中
心水平位置．
图１ 响应面分析图
第１期 陈道齐：响应面优化二形栅藻（ＦＡＣＨＢ－４９６）固碳培养条件 ６１
从图１可知，当接种浓度取中心水平时，二形栅藻固碳率随着光强的增大先增加到最大值后又减
小，也随着初始氮浓度的增加而呈先升后降的趋势．同样，当光强或初始氮浓度固定时，栅藻固碳率都有
随另外两个因素的增加而有先增后降的趋势．所以过高过低的光强、初始氮浓度和接种浓度对二形栅藻
固碳率均不利．
２．３ 栅藻最大固碳率的获取与验证 对已拟合的模型方程求导，令其等于零，从而得到最佳固碳条件．模
拟解得到光强取２２７．８２μｍｏｌ·ｍ
－２·ｓ－１，污水初始氮浓度为１５２．４０ｍｇ·Ｌ－１，接种浓度为０．３３ｇ·Ｌ－１
时，栅藻固碳率可达７０２．０２６ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１．经验证实验得到栅藻固碳率为７１７．４９ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１．说明
该模型有较好预测实际栅藻固碳情况的能力．
３ 讨论
优化二形栅藻高固碳率培养条件，可以提高微藻固碳能力，解决碳减排和微藻培养成本过高等棘手
热点问题．ＰＢ实验结果指出光强、氮浓度和接种浓度对微藻固碳率有显著影响．而已有的研究表明ＣＯ２
通入量和ｐＨ对微藻生长（固碳率）有显著影响［４］．本实验研究表明ＣＯ２ 通入量（通气率和通气间歇时
间）和ｐＨ对栅藻固碳率的影响低于其他影响因素而不显着，这可能是由于本实验采用了间歇通入ＣＯ２
培养，极大提高了栅藻对通入的ＣＯ２ 吸收，也减小了因通入较高浓度ＣＯ２ 对培养液ｐＨ值的影响．Ｊｉａｎｇ
等［１２］研究也表明，利用间歇通气的方法控制烟道气的通入量，可使栅藻固碳率达到了７５．６１％．Ｈｏ
等［１３］研究表明镁离子对微藻固碳率和生长率的影响较大，本实验研究表明镁离子对栅藻固碳率的影响
显著水平虽仅次于光强、氮浓度和接种浓度３个影响因子，但对栅藻固碳率的影响不显著．这可能是由
于本实验同时研究了镁离子和光强等诸多因素的影响，镁离子只能在特定条件下会对微藻固碳效率有
促进作用．
在一定条件下，适当提高光照强度有助于提高栅藻的固碳率，这可能主要是因为提高光强可以促进
微藻对碳、氮等营养元素的需求，从而促进微藻生长和提高固碳率．另一方面，在光强和接种浓度一定的
条件下，适当提高初始氮浓度也可提高微藻的固碳率，主要是因为较高的初始氮浓度可提高微藻生长的
光饱和点．Ｗａｎｇ等［１４］在研究不同光照强度和初始氮浓度对栅藻生长和产油量的影响中，也得到了类似
的结果．
４ 结论
将ＰＢ筛选和ＲＳＭ分析相结合的研究方法成功地应用于二形栅藻高效固碳培养条件的优化，研究
表明：
１）在以固碳率为优化目标时，光强、初始氮浓度和接种浓度对二形栅藻固碳的影响要远大于其他
的影响因素；
２）在本实验得到的二阶模型预测的最佳培养条件下，栅藻固碳率达７１７．４９ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１，与模
型理论预测值７０２．０２６ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１相近，故该模型有较好预测精度，可用于优化栅藻固碳培养条件．
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６２ 湖北大学学报（自然科学版） 第３８卷
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（责任编辑 游俊
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（责任编辑 郭定和）