全 文 ：利用烟道气培养产烃葡萄藻的可行性研究
杨素玲!，"，康瑞娟!，丛 威!!
（!#中国科学院 过程工程研究所生化国家重点实验室，北京!$$$%$；
"#北京化工大学 北京市生物加工过程重点实验室，北京!$$$"&）
摘 要：对烟道气培养产烃葡萄藻的可行性进行了研究，重点考察了’("和)(!的水溶形态对葡萄藻的影响。结
果表明，亚硫酸氢盐浓度低于$#%**+,／-时，对葡萄藻生长没有明显抑制作用，可以提供葡萄藻生长的硫源，但高
浓度（大于"**+,／-）时抑制细胞生长；当亚硝酸盐浓度小于%**+,／-时，可以作为葡萄藻生长的唯一氮源，亚硝
酸盐的去除主要是由微藻利用所致。当起始浓度为"**+,／-和.**+,／-时，亚硝酸盐的去除率分别为!$$/和
&�/。
关键词：葡萄藻；亚硝酸盐；亚硫酸氢盐
中图分类号：1&.&#"! 文献标识码：2 文章编号：!30"4530%（"$$6）$!4$$.&4$6
!""#$%&"’(%)(%#*’+,(-./"(%#&’%0#1)&2%0&"!"#$%"&"&&’()$*’+,
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近年来，由于工业的迅速发展和人口的增加，各
种化石燃料的使用量迅速增加，导致大气污染加剧。
但化石燃料燃烧排放的烟道气又是地球上最丰富的
碳源，即使只有!$/的二氧化碳得到回收利用，它
所提供的碳源将是非常巨大的［!］。
微藻具有生长速度快、适应性强等特点，可以通
过光合作用将二氧化碳转化为生物质能。葡萄藻
（"#$%&#’#’’()"%+(,-，又名丛粒藻、黄被藻）是一种
淡水单细胞绿藻，产烃量可达细胞干重的!6/!
06/，报道的最高达&$/，并且在组成上和原油极
其类似［"］。因此，葡萄藻作为有希望的替代能源生
产者引起了广泛重视。
烟道气中的主要成分是二氧化碳、氧氮化物和
二氧化硫［5，.］。二氧化碳是微藻光合作用必需的碳
! 收稿日期："$$6:$!:!$
基金项目：北京市生物加工过程重点实验室开放基金（)+#’7’!$$!$$."!）
作者简介：杨素玲（!&054），女，山西省长子县人，博士，生化工程专业。
联系人：丛 威，北京565信箱，!$$$%$，（$!$）4%"3"0$3$，VD;I+<="J+*D#;RD#AI#I<
第5卷第!期
"$$6年"月
生 物 加 工 过 程
BJ;ZDG#"$$6
·.&·
万方数据
源，而氮氧化物和二氧化硫在水相主要形成硝酸盐、
亚硝酸盐和亚硫酸氢盐，硝酸盐是葡萄藻的可利用
氮源之一，而亚硝酸盐和亚硫酸氢盐对细胞有一定
的毒害作用［!］。本文对烟道气培养产烃葡萄藻的
可行性进行了研究，考察了亚硫酸氢盐和亚硝酸盐
对葡萄藻生长的影响及其耐受程度和利用规律。
! 实验材料和方法
"#" 藻 种
葡萄藻（!"#$%"&"&&’()$*’+,）由中国科学院水
生生物研究所提供，原采集地为美国德克萨斯州。
"#$ 培养方法
葡萄藻在%&’"(培养基中生长到对数期，无菌
条件下离心，用灭菌的无硫或无氮%&’"(培养基洗
两遍，以除去吸附在藻体表面的原培养基中的硫酸
盐或硝酸盐，然后接种到相应的实验培养基中。
培养方法：将培养基分装到$!)*+三角瓶中，
每瓶装"))*+，接种浓度为干重)#),-／+，将三角
瓶置于./0102旋转式摇床进行培养，培养条件
为：温度$!3，光强""!!4／（*$·5），转速为"$)6／
*78。
"#( 培养基组成
%&’"(9$培养基为基础培养基［:］，灭菌，待
用。
配制一定浓度的亚硫酸氢钠溶液或亚硝酸盐溶
液，经)#$!*的膜过滤除菌，在无菌操作条件下加
入到已灭菌的%&’"(培养基中，作为研究亚硫酸氢
盐和亚硝酸盐对葡萄藻影响时的培养基。
用无硫或无氮的%&’"(为基础培养基，灭菌
后，趁热用封口膜密封瓶口，以防冷却过程中氧气的
进入。用新煮沸后冷却的蒸馏水配制一定浓度的亚
硫酸氢钠溶液和亚硝酸盐溶液，)#$!*的滤膜过滤
灭菌，在无菌条件下分别加入上述灭菌的无硫或无
氮的%&’"(培养基中，作为研究亚硫酸氢盐为硫源
和亚硝酸盐为氮源的培养基。
所有实验中以完全%&’"(9$培养基培养葡萄
藻作为对照，其中的硫源是)#;**<=／+硫酸镁，氮
源是>**<=／+硝酸钾。
"#> 分析方法
细胞干重的测定：定时取样，置于+?!1@离心
机（北京医用离心机厂）>)))6／*78离心")*78，
用蒸馏水洗涤后，置于:)3干燥$>&，称其干重。
总氮的测定：采用过硫酸钾氧化1紫外分光光度
法［A］。
" 结果与讨论
$#" 亚硫酸氢盐对葡萄藻生长的影响和葡萄藻对
亚硫酸氢盐的利用
$#"#" 亚硫酸氢盐对葡萄藻生长的影响
在完全%&’"(9$培养基中加入不同浓度的亚
硫酸氢钠，使亚硫酸氢盐初浓度为)、)#)!、"和$
**<=／+，在温度为$!3、光强为""!!4／（*$·5）、转
速为"$)6／*78条件下培养葡萄藻，考察亚硫酸氢
盐对葡萄藻生长的影响，对照亚硫酸氢盐浓度为零。
结果见图"。
—!—%<8B6<=；—"—)#!**<=／+.CDE(；
—#—"#)**<=／+.CDE(；—$—$#)**<=／+.CDE(
图" 添加亚硫酸氢盐对葡萄藻生长的影响
F7-#" G&HHIHJB由图"可见，)#!""**<=／+亚硫酸氢钠对葡
萄藻生长没有抑制作用，并且在生长后期，生长速度
高于对照，低浓度的亚硫酸氢盐能促进葡萄藻的生
长。文献报道，)#)"")#"**<=／+亚硫酸氢钠可以
提高鱼腥藻的生物量［;］。一般认为，亚硫酸氢盐是
一种较普遍的呼吸抑制剂，它通过抑制或降低微藻
或植物的光呼吸代谢，从而提高光合效率，增加生物
量［,］。在本文实验中，$**<=／+亚硫酸氢钠对葡萄
藻生长有抑制作用，培养到第$L，生长完全停止，藻
体由绿变白，且聚集成团沉到瓶底。亚硫酸氢盐对
藻细胞的毒害作用，是由于亚硫酸氢根转变成硫酸
根的过程中，产生大量的自由基，引起葡萄藻叶绿素
破坏、膜脂氧化，从而抑制细胞生长［")，""］。本实验
结果表明，葡萄藻能忍受的亚硫酸氢盐浓度小于$
**<=／+。
$#"#$ 葡萄藻对亚硫酸氢盐的利用
低浓度亚硫酸氢盐不影响葡萄藻生长，因此，可
·!)· 生物加工过程 第(卷第"期
万方数据
在无硫的!"#$%培养基中，加入亚硫酸氢钠，考察
亚硫酸氢钠是否可作为葡萄藻生长的唯一硫源。
实验选择&、&’$、&’(和$’)**+,／-.个浓
度，在温度为/01、光强为$$0!2／（*/·3）、转速为
$/&4／*56条件下培养葡萄藻，定时取样测定葡萄藻
的生长，对照为!"#$%培养基培养的葡萄藻，结果
如图/所示。
—!—7#,8#48499；—"—&’$**+,／-:7;<%；
—#—&’(**+,／-:7;<%；—$—$’)**+,／-:7;<%；—%—!+6=4+,
图/ 以亚硫酸盐为唯一硫源时葡萄藻生长曲线
>5?’/ @4+A="+8!’"#$%&’+6B53#,85=9C33+,93#,8#43+#4D9
由图/可见，在前/E内，$’)**+,／-的亚硫酸
氢盐完全抑制了葡萄藻的生长，细胞干重由最初的
&’$?／-降低到&’&(?／-，但从第%E开始，葡萄藻开
始缓慢地生长，经过$.E的延滞期后葡萄藻以较快
的速度生长。推测初始的亚硫酸氢盐浓度较高，对葡
萄藻毒害作用大，抑制了葡萄藻生长，但细胞随后适
应一定浓度的亚硫酸氢盐或者随着亚硫酸氢盐被氧
化，抑制作用逐渐解除。为此，测定了培养基中亚硫
酸氢盐浓度的变化（图%）。亚硫酸氢盐浓度迅速降
低，而此时培养基中检测到硫酸盐，浓度为
$’./**+,／-，说明葡萄藻的生长的恢复主要是由于
亚硫酸氢盐转变为硫酸盐使抑制作用逐渐解除；也说
明亚硫酸氢盐对葡萄藻的毒害作用在一定程度上是
可逆的。亚硫酸氢盐对其它物种的毒性也有类似现
象［$/，$%］。
培养初期，在分别含有&、&’$和&’(**+,／-
亚硫酸盐的培养基中，葡萄藻生长良好和对照相当。
但生长到第$&E后，无硫培养基中葡萄藻生长停
止，开始变黄。生长到第/FE时，在含有&’$**+,／
-亚硫酸盐培养基中的葡萄藻，由于硫源耗尽而停
止生长。而添加了&’(**+,／-亚硫酸氢盐和对照
培养基中的葡萄藻继续保持良好的生长状况，两种
条件下葡萄藻生长速度和细胞终浓度相当。说明硫
元素是葡萄藻生长的必要营养物质，亚硫酸氢盐可
作为葡萄藻生长的唯一硫源。
图% 培养基中亚硫酸盐浓度的变化
>5?’% !"C6?93+8B53#,85=9D+6D96=4C=5+6G=5*956*9E5#*
/’/ 亚硝酸盐对葡萄藻生长的影响和葡萄藻对亚
硝酸盐的利用
/’/’$ 亚硝酸盐对葡萄藻生长的影响
在完全!"#$%培养基中加入亚硝酸盐，亚硝酸
盐初始浓度为$、0和$&**+,／-，在温度为/01、
光强为$$0!2／（*/·3）、转速为$/&4／*56条件下培
养葡萄藻，定时取样，测定细胞干重，以不加亚硝酸
盐作为对照，结果见图.。
—!—!+6=4+,；—"—$**+,／-H;—#—0**+,／-H;图. 添加亚硝酸盐对葡萄藻生长的影响
>5?’. 289D=+8CEE9E65=45=9+6="9?4+A="+8!’"#$%&’
如图.所示，当亚硝酸盐浓度为$&**+,／-
时，葡萄藻生长完全被抑制，说明葡萄藻对亚硝酸盐
的忍耐度小于$&**+,／-。当亚硝酸盐浓度为
0**+,／-时，葡萄藻最初的生长速度较慢，但经过
较长的延滞期后，开始以较快的速度增长，第.&E
时，干重浓度达&’(?／-，藻液颜色为各处理中最
绿，说明微藻仍处于活跃生长期，培养液中有充足的
氮源供葡萄藻生长。当亚硝酸盐浓度为$**+,／-
时，葡萄藻生长曲线与对照重合，并且在培养末期，
/&&0年/月 杨素玲等：利用烟道气培养产烃葡萄藻的可行性研究 ·0$·
万方数据
在加了!""#$／%亚硝酸盐培养基中生长的葡萄藻
液颜色仍为翠绿色，而对照组藻体变黄，培养液的颜
色发红黄。将藻液离心，对照实验的上层液体浑浊，
颜色为红黄，黏度较大，而加入亚硝酸盐时离心后的
上层液体无色、透明。
各处理间在生长末期表现出的差别，可能是由
于低浓度亚硝酸盐补充了微藻生长所需的氮源。为
此，测定了第&’(时培养基中的总氮浓度。对照实
验中氮源耗尽（未检出），葡萄藻处于氮饥饿状态，而
加入!""#$／%和)""#$／%亚硝酸盐的培养基中
均有一定浓度的氮，分别为 ’*+, ""#$／% 和
&*&&""#$／%，说明在生长末期各实验之间的差别
主要源于氮源的供给状况。在氮限制条件下，光合
色素含量降低，光合作用速率减小，葡萄藻进入衰亡
期，细胞内一些含氮的大分子物质降解，同时形成一
些碳储备化合物如胞外多糖，使藻液黏度增加；类胡
萝卜素含量增加，使藻液颜色呈红、黄色［!&，!-］。加
入亚硝酸盐组，当培养基中原有的硝酸盐氮源消耗
尽时，葡萄藻可以利用亚硝酸盐作为氮源，使藻体仍
处于活跃生长期，所以藻液颜色为翠绿色。
)*)*) 葡萄藻对亚硝酸盐的利用
由上述结果可知，低浓度的亚硝酸盐对葡萄藻
生长不仅没有明显的毒害作用，反而有一定的促进
作用。因此，进一步考察了葡萄藻是否可利用亚硝
酸盐作为唯一氮源进行生长。在无氮培养基中加入
)、&、,""#$／%的亚硝酸盐，以./0!1培养基培养
的葡萄藻为对照，在温度为)-2、光强为!!-!3／
")·4、转速为!)’5／"67条件下培养葡萄藻，定时取
样测定葡萄藻的生长及亚硝酸盐浓度在培养过程中
的变化，结果分别见图-、图+。
—!—8695#:;7<5;;；—"—)""#$／%8=>)；
—#—&""#$／%8=>)；—$—,""#$／%8=>)；—%—.#795#$
图- 以亚硝酸盐为唯一氮源时葡萄藻生长
?6:*- @5#A9/#—!—)""#$／%8=>)；—"—&""#$／%8=>)；—#—,""#$／%8=>)
图+ 培养基中亚硝酸盐浓度的变化
?6:*+ D/;C/B7:;4#<769569;C#7C;795B96#767";(60"E*96";
由图可见，在无氮培养基中葡萄藻不能生长，细
胞变黄，表明氮源是葡萄藻生长必要元素。当亚硝
酸盐浓度为)""#$／%，葡萄藻生长良好，第)-(开
始进入稳定期，培养液中检测不到亚硝酸盐，同时观
察到藻体变黄；加入&""#$／%亚硝酸盐时，葡萄藻
最初以较慢的速度生长，随后以较快的速度增加，最
小倍增时间-*F(，到培养末期，生物总量接近对照。
亚硝酸盐浓度随着细胞增长迅速降低，到第&’(，含
量低于’*’!""#$／%；当亚硝酸盐浓度大于,
""#$／%时，葡萄藻的生长被抑制，亚硝酸盐几乎没
有消耗。说明当亚硝酸盐浓度小于,""#$／%时，
可以作为葡萄藻生长的唯一氮源，亚硝酸盐的去除
主要是由微藻利用所致。在亚硝酸盐起始浓度为)
""#$／%和&""#$／%时，其去除率分别为!’’G和
HH*FG。
! 结 论
本文围绕烟道气的关键组分硫氧化物和氮氧化
物，考察了其水溶液形式亚硫酸氢盐和亚硝酸盐对
葡萄藻生长的影响及其耐受程度和利用规律。
实验结果表明，低浓度的亚硫酸氢盐对葡萄藻
生长有促进作用，氧化形成的硫酸盐可提供葡萄藻
生长所需要的硫源，藻细胞的生长速度和细胞终浓
度与以硫酸盐作为硫源的对照组几乎没有差别，亚
硫酸氢盐可作为葡萄藻生长的唯一硫源；高浓度（)
""#$／%）亚硫酸氢盐对细胞有毒害作用。当亚硝酸
盐浓度不超过,""#$／%时，不影响葡萄藻的生长，
葡萄藻可以用亚硝酸盐作为唯一氮源生长。说明烟
道气在提供葡萄藻生长所需碳源的同时，还可提供
硫源和氮源，但具体的预处理还需要进一步的研究。
·-)· 生物加工过程 第1卷第!期
万方数据
参考文献：
［!］ "#$%#&’(，)#*+,-./，0,,120，#3*%405#67#,89$+&,*%:*#8,&
/77$;$%*3$,1*1<63$%$=*3$,1,8>*&?,1.$,-$<#8&,;@,77$%@A#%B
8$&#（LBI）：MNMBM!O4
［O］ (#%P$F，Q&,E，2+51#$<#&)E，#3*%4Q%#8$17,8)$:59,%#+A%*&
R#$:53$13D,9$+&,7+,P$+/%:*#［E］42+$，!ILS，!L!：MNNBMNO4
［K］ T#:,&,9，25$,U$T，9$G*;,3,’，#3*%4(&,D35,89$+&,*%:*#$1
)$:5>QO(*7*1V$,3#+51,%，!II!，OS（OI）：SMMBSSL4
［W］ X##E2，25$1>2，’$;2R，#3*%49#35,<3,F15*1+#0,%#&*1+#7
,8!"#$%&#’()*!3,35#0,-$+>,;P,A1<7$1@%A#:*7［E］4/PP%
V$,+5#;V$,3#+51,%，ONNN，SWBSL：KOIBKWO4
［J］ R,<=$17Y$Z2，X*?#<*.C，/%#-*1<#&940,-$+$3G,82QO*1<
TQ-：2#%#+3$H#[15$?$3$,1,8V%A#B:&##1/%:*#?GV$7A%8$3#*13&$3#［E］4E/$&C,%A3>,13&,%/77,+，!IMM，OM：SI!BIK4
［L］ >5A2C405#[18%A#1+#,835#9$1#&*%>,;P,7$3$,1,835#9#<$A;
,135#(&,D35,8C%*1Y3,1$+/%:*#［E］4EF+,%，!IWO，KN（O）：OSWB
KOJ4
［M］ 国家环保局4水和废水监测分析方法［9］4北京：中国环境科
学出版社，!ISI，OMSBOSN4
［S］ 沈银武，刘永定，利 群，等4亚硫酸氢钠对鱼腥藻生长的影响
［E］4水生生物学报，!IIK，!M（K）：O!!BO!W4
［I］ 谭 实，沈允钢4亚硫酸氢钠对光合机构及其转运的影响［E］4
植物生理学报，!ISM，!K（!）：WOBJN4
［!N］\*1:2X，R*1:E，>,1:R，#3*%463$%$=*3$,1,81$3&$3#*7*1$3&,B
:#17,A&+#8,&+$,%-$.$../01%’/23［E］4V$,3#+51,%,:GX#33#&，
ONNW：OL（K）：OKIBOWK4
［!!］\*1:2X，R*1:E，>,1:R，#3*%4F8#+37,8?$7A%8$3#*1<7A%8$3#,1
35#;$+&,*%:*+$,%-$.$../01%’/23［E］4F1=G;#*1<9$+&,?$*%
0#+51,%,:G，ONNW，KJ（!）：WLBJN4
［!O］Z,?*Y$7T’，25*P$&,Z，2=#&R4Z#H#&7*%,8(&,D35[15$?$3$,1$1
40."&%3."3’!$#3?GV$7A%8$3#［E］4>5#;V$,%[13#&*+3$,1，!ISK，WK：
OIIBK!!4
［!K］V5*&*%$V，V*3#7ER42,$%>*3$,17[18%A#1+#V&G,P5G3*2A7+#P3$?$%$B
3G3,V$7A%8$3#［E］4/1*%V,3，ONNO，IN：KKMBKWK4
［!W］0,1#:*D*[，QY*<*2，9A&*5$&,9，#3*%4C$:;#13>,;P,7$3$,1,8
35#(&##19$+&,*%:*+$,%-$.$../01%’/23 ’*D*:A+5$B!［E］4@$75
2+，!IIS，LW：KNJBKNS4
［!J］2P,#&)/，9$%1#&)R405#>5#;$+*%>,;P,7$3$,1,8!"#$%&#’，
F8#+3,8F1H$&,1;#13*%>,1<$3$,1*%7［E］4C%*13C5G7$,%，!IWI，OW：
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
!ONB!OI4
（上转第WW页）
表W 生物柴油与N!柴油物化性质
0*?%#W C5GB+5#;$73&G+5*&*+3#&$73$+7,8?$,B<$#7#%*1<<$#7#%
原料
密度／
／Y:／X
粘度／
（;;O7）
十六烷值
熔点
／]
闪点
／]
灰分
生物柴油 N4SI! J4L KS"W! O^I4J "!NJ #N4NNK
N!柴油 N4SJ! W4MKL WL4N M^ "LN #N4NOJ
注：测定密度与粘度均在ON]时进行。
! 结 论
光皮树油在以下反应条件下均能转化成生物柴
油：#5（甲醇）_5（油）‘J_!"M_!（摩尔比）；$催
化剂的用量（质量比）是N4I"!4!；%反应温度为WN
"LN]；&反应时间LN"!ON;$1；最佳反应水平为
6!+K!O7K。
光皮树油制取的生物柴油的物化性质与N!柴
油相似，其运动性好，运转平稳，安全、洁净，是一种
理想的N!柴油的替代品。
光皮树是一种野生木本油料植物，广泛分布于
比较贫困落后的石灰岩山地。通过建立生物柴油原
料林，加工光皮树油制取生物柴油，不仅可以改善其
能源结构，同时还可以增加当地人均收入和改善生
态环境。
参考文献：
［!］ 李昌珠，蒋丽娟，程树棋4生物柴油———绿色能源［9］4北京：
化工出版社，ONNW4
［O］ 吴创之，马隆龙4生物质能现代化利用技术［9］4北京：化工
出版社，ONNK，OOOBOOL4
［K］ 曾意纯，潘锦祥4石灰岩山地造林树种———光皮树［E］4湖南
环境生物职业技术学院学报，ONN!，!OKB!OS4
［W］ 成训妍4光皮树是珍贵的木本食用油料资源［E］4生物与特
产，!IIN，L：OS4
［J］ 梁仰贞4值得发展的油料植物———光皮树4植物杂志，!IIL，
O：!O4
［L］ 程树棋4理想的生物质液体燃料光皮树油［E］4太阳能，!IIW，
O：!J，OI4
［M］ 高新章4油料资源———光皮树［E］4北方园艺，!II!，!!：N!4
［S］ 李昌珠，蒋丽娟4四种木本植物油制取生物柴油［E］4中国生
物质能技术研究讨会论文［>］4ONNW，!JLB!L!4
［I］ 曾红燕，李昌珠，蒋丽娟，等4不同方法提取光皮树籽油的(>B
92分析［E］4中国生物工程，ONNW，!!（OW）：SKBSL4
［!N］李昌珠，蒋丽娟，程树棋4生物柴油研究现状与商业化应用前
景［/］4中国生物质能技术研究讨会论文［>］4ONNO，!OMB!KJ4
［!!］长沙市新技术研究所4植物种类资源量调查研究与分析报告
［/］4“九五”国家重点科技攻关项目［>］4长沙：湖南省林业科
学院，!IIS，!N：!!B!K
［!O］姜学信4石油产品分析［9］4北京：化工出版社，!III4
ONNJ年O月 杨素玲等：利用烟道气培养产烃葡萄藻的可行性研究 ·JK·
万方数据