全 文 ：中国环境科学 2015,35(5)：1526~1534 China Environmental Science


内置 LED光源平板型光生物反应器用于微藻培养
——普通小球藻在反应器中的固碳产油性能探究
王曰杰
1
,孟范平
1*
,李永富
2
,崔鸿武
1
(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东 青岛 266100；
2.中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071)

摘要：为降低光生物反应器(PBR)的光照能耗和提高微藻对光能的利用效率,自制了内置 LED 光源的平板型光生物反应器,用于绿藻普通
小球藻(Chlorella vulgaris)的培养和 CO
2
生物固定.评价了这种新型反应器的进气 CO
2
浓度对生物质产率(BP)、CO
2
固定速率(
2
CO
F )和油脂
产率(LP)的影响.经过 10d连续培养后,与通入空气的对照组相比,浓度 1%~10%的 CO
2
均明显促进微藻生长,BP [0.258和 0.263g/(Ld)]、最
大
2
CO
F [1.18、1.00gCO
2
/(Ld)]和指数生长期平均
2
CO
F [0.57、0.62gCO
2
/(Ld)]的高值均出现在 CO
2
1%、2.5%处理组中.较高浓度(5%、
10%)CO
2
在培养初期造成酸化现象,导致藻细胞密度和生物量较低.CO
2
浓度变化对微藻总脂含量(17.81%~23.13%)影响较小,以 CO
2
2.5%
条件下得到微藻油脂产率最大[60.71mg/(Ld)].本研究证明,所设计的平板型 PBR能够高效培养用于 CO
2
固定和生物柴油原料生产的微藻.
关键词：普通小球藻；光生物反应器；CO
2
；生物量；油脂产率
中图分类号：X17 文献标识码：A 文章编号：1000-6923 (2015)05-1526-09

Internally LED-illuminated flat plate photobioreactor for microalgae cultivation-carbon-fixation and production of
lipid in Chlorella vulgaris cultured in photobioreactor. WANG Yue-jie1, MENG Fan-ping1*, LI Yong-fu2, CUI
Hong-wu1 (1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China,
Qingdao 266100, China；2.Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China). China
Environmental Science, 2015,55(5)：1526~1534
Abstracts：In order to improve the utilization efficiency of light by microalgae within a photobioreactor (PBR), an
internally LED-illuminated flat plate PBR with volume of 3L was constructed and used for Chlorophyta (Chlorella
vulgaris) in this study. Effects of the concentration of inlet CO2 on the biomass production (BP), fixation efficiency of
carbon (
2
CO
F ) and the production of lipid (LP) were evaluated. Biomass of microalgae in each treatment with
concentration of CO2 ranging from 1% to 10% was higher than that of control with air (0.04% CO2) aeration in the
cultures after 10-days growth. High levels of BP [0.258 and 0.263g/(Ld)],
2
CO
F [1.18 and 1.00gCO2/(Ld)] and average
FCO
2

[0.57 and 0.62gCO2/(Ld)] during the exponential growth stage were obtained under the concentration of CO2 at 1%
and 2.5%, respectively. The cell density and biomass of microalgae were inhibited by the higher concentrations of CO2
(5% and 10%) during the initial growth stage because of acidification in cultures. Significant effects of CO2 concentrations
on the production of lipid (17.81% ~ 23.13%) were not found here. The highest productivity of lipid [60.71mg/(Ld)] was
obtained under the concentration of CO2 at 2.5%. The present results suggested that the PBR used here was useful to
improve CO2 biofixation and the production of lipid of microalgae.
Key words：Chlorella vulgaris；photobioreactor；carbon dioxide；biomass；production of lipid

近几十年来,人类活动导致大气中 CO2浓度
不断增加
[1]
,由此带来的全球变暖问题大大促进
了 CO2减排技术的研发与应用.微藻具有光合速
率高、繁殖速度快、环境适应能力强等特点,因
此基于微藻的 CO2 生物固定成为最具潜力的减
排技术,其中,小球藻属的微藻因生长速度快
[2]
、
逆境耐受性强
[3]
、总脂含量高
[4]
等特性而成为生
物固碳研究中常用的藻种.研究发现
[5]
,普通小球
藻(Chlorella vulgaris)对高温(35℃)和酸性条件
收稿日期：2014-09-18
基金项目：国家科技支撑计划课题(2011BAD14B04)资助
* 责任作者, 教授, fanpingm@tom.com
5期 王曰杰等：内置 LED光源平板型光生物反应器用于微藻培养 1527

(pH 4)都具有较强耐受性,因此本研究将其作为
研究对象.
微藻培养常用设备包括开放式藻塘和密闭
式光生物反应器(PBRs)两类.后者的优点是培养
条件可控,可无菌操作,易进行高密度培养,因而
成为今后的发展方向.其中,平板型 PBR (F-PBR)
因占地面积小、气液传质效果好、氧气积累少、
结构简单、易于放大、造价较低、容易清洗等优
势
[6]
受到更多关注.然而,培养耗费高、光能利用
率低等问题仍是大规模微藻培养和 CO2 固定的
制约因素.采用人工光源的 PBRs 运行期间的能
量消耗包括藻液照光以及藻液混合、CO2供应两
方面,且前者明显高于后者.在入射光能和藻种一
定的情况下,增加单位体积的照光面积和缩短光
程能够明显提高光能向生物质转换的效率
[7]
.目
前 F-PBR 等密闭式光生物反应器的设计中一般
使用荧光灯管作为光源
[8]
,虽然也有学者将荧光
灯设置在 PBR两侧,但是只能增大照光面积而无
法缩短光程 ,致使光能损失较大 .发光二极管
(LED)具有节能、可自动控制和多样化集成的特
点
[9]
,其中,柔性彩色 LED灯带防水性好、几乎可
以任意角度弯曲,特别适于作为 PBR 的光源.本
研究将 LED 灯带引入气升式内环流平板型光生
物反应器中,并采用双侧光照模式,设计了内置
LED光源—气升环流式 F-PBR,进行普通小球藻
培养,期间持续通入不同体积浓度的 CO2,以评价
普通小球藻在该 PBR 中的生长、生物质产率、
固碳速率和油脂产率,为将这种 PBR 实际应用于
生物固碳提供科学依据.
1 材料、仪器与方法
1.1 材料
普通小球藻(C. vulgaris):购自中国科学院水
生生物研究所.为绿藻门淡水藻种.细胞多为球
形、椭圆形,营无性繁殖.
实验采用 SE 培养基,每升蒸馏水中含有以
下成分:250mg NaNO3、75mg K2HPO4、75mg
MgSO47H2O 、 25mg CaCl22H2O 、 175mg
KH2PO4、25mg NaCl、5mg FeCl36H2O、2.86mg
H3BO3 、 1.86mg MnCl24H2O 、 0.22mg
ZnSO47H2O、0.39mg Na2MoO42H2O、0.08mg
CuSO45H2O、 0.05mg Co(NO3)26H2O、 1mL
EDTAFe (将 0.901g FeCl36H2O 溶于 10mL 的
1moL/L 稀盐酸中 , 再与 10mL 0.1mol/L 的
EDTA-Na2 溶液混合,加入蒸馏水稀释至 1L )、
40mL 土壤提取液(将 200g 避光晾干的未施肥花
园土溶于 1L 去离子水中,水浴煮沸 3h,冷却沉淀
24h,重复煮沸 3 次.过滤取上清液,高压灭菌后
4 ℃冷藏保存备用).培养基在使用前于 120℃下
灭菌 20min.
CO2气体:体积浓度分别为 0.04%, 1%, 2.5%,
5%, 10%,由青岛市瑞丰气体有限公司生产,装于
40L高压钢瓶内.
1.2 仪器
3415F 型光量子计(美国 Spectrum 公司);T6
型紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限
责任公司);CXZ 型智能光照培养箱(宁波江南仪
器厂);LDZX-50KBS 型高压蒸汽灭菌锅(上海申
安医疗器械厂);SX716 型溶解氧测量仪(极谱型
DO电极,上海三信仪表厂);PHB-4型 pH计(上海
精密科学仪器厂 );XB-K-25 型血球计数板
(Nikon公司);Freezone2.5L型真空冷冻干燥机(美
国 Labconco 公司);GM-0.33A 型隔膜真空泵(天
津津腾);DHG-9030A型电热恒温鼓风干燥箱(上
海一恒科学仪器有限公司);JY92-II 型超声波细
胞粉碎机(宁波新芝生物科技股份有限公司).
光生物反应器:自制,内置 LED 光源的气升
环流式平板PBR.器壁材质为透明亚克力板材,降
流区与升流区横截面积比为 4.0;总体积 3.8L,有
效体积 3.0L.详见图 1.根据 Rodolfi等
[8]
利用 20L
平板式 PBR 培养微绿球藻(Nannochloropsis sp.
F&M-M24)的研究结论(在总光强保持不变时,双
侧照光下的生物质产率高于单侧高光照),本研
究将两条LED灯带并排均匀地缠绕在导流管上,
提供持 续的双侧光照 ,平均光强为 120
µmol/(m
2
·s).反应器的平板式结构保证了良好的
气液传质水平
[10]
,有利于提高CO2利用率.来自钢
瓶的 CO2 气体由位于底部的气体分散器进入
PBR 中,这种气升式曝气系统能提供均质反应环
境,即:以气体为动力,通过导流管的引导,形成气
1528 中 国 环 境 科 学 35卷

液相的有序循环,增强气液混合效果,有利于微藻
分布均匀,并防止反应器中氧气过量积累.反应器
置于带温控器的自制反应区内,以维持温度恒定.

L=10
H=40
气体分布器
导流筒
LED灯带
外壁
进/出气口
单位:cm
L=10
W=10

图 1 自制平板式光生物反应器
Fig.1 Diagrammatic sketch of the flat-plate
photobioreactor proposed in this study
1.3 方法
1.3.1 反应器中微藻培养 将微藻接种到装有
足量培养基的三角瓶中 ,在温度 25℃、光强
100µmol/(m
2
·s)、光照时间 24h/d 的条件下培养,
每天摇瓶 3次,培养至指数生长期.然后,将处于指
数生长期的微藻接种于上述 PBR中,接种密度为
2×10
6
cells/mL.根据在碘量瓶中进行的预实验(暗
处测定呼吸耗氧速率,持续光照下测定净光合放
氧速率),当采用来自 LED的 3种光质(红光 LR、
蓝光 LW 和白光 LW)照射处于指数生长期的藻
细胞时,得到光强 20~120µmol/(m
2
·s)对应的总光
合放氧速率 P(净光合放氧速率与呼吸耗氧速率
之和),由光合放氧曲线(P-I 曲线)计算的最大光
合作用速率以 LW最高.因此,本研究以白色 LED
灯带作为光源,温度为 25 .℃期间,不同浓度(1%、
2.5%、5%、10%,V/V)的 CO2气体经 0.45µm 滤膜
过滤后,以 0.1vvm[单位时间(min)内每升藻液中
通入的气体体积(L)]的流量通入 PBR 中.运行过
程中,定时取样测定藻细胞密度、藻生物量、藻
液 pH 值;培养结束时测定微藻的总脂含量.以通
入空气(CO2 0.04%,V/V)的 PBR中生长的微藻为
对照.
1.3.2 藻细胞密度和 pH 值测定 藻培养液经
适当稀释后,用血球计数板在显微镜下计数,并根
据稀释倍数计算得到藻细胞密度 ,单位为
cells/mL.藻液 pH 值采用 pH计测定.
1.3.3 藻生物量测定和生物质产率、固碳速率
计算 藻生物量(D)采用细胞干重法
[11]
测定:将
10mL藻液在 1000g、4℃下离心 10min,用蒸馏水
冲洗藻泥 2次,冷冻干燥,储存在干燥箱中.根据重
量法测定结果计算藻生物量,单位为 g (干重)/L.
生物质产率(BP)和微藻固碳速率(FCO2)分别
按式(1)、式(2)计算:
2 1
D D
BP
t
−
= (1)
2
2
CO2 1
CO
C
MD D
F
t M
η
−
= ⋅ ⋅ (2)
式中:D1、D2分别为培养开始和结束时的藻生物
量,g/L;t 为培养时间,d; η 为微藻生物质的含碳
量,%,经测定,普通小球藻的碳含量为 47.16%;
MCO
2
为 CO2分子量,44;MC为 C的原子量,12.
1.3.4 微藻油脂含量测定和油脂产率计算 微
藻总脂含量(ω)采用氯仿-甲醇法
[12]
测定:在具塞
离心管中加入冷冻干燥后的藻粉 0.1g及蒸馏水、
氯仿、甲醇(体积比 2:2.5:5)混合液 7.6mL,漩涡混
合 1min 后,冰浴中超声破碎 2min(功率 700W,间
隔 5s、工作 5s),再加入 1mL 氯仿和 1mL 蒸馏水,
漩涡混合 1min,静置 10min,5000r/min离心 10min,
将有机相转移到已称重的烧杯中.再向原试管中
加入 2mL氯仿,按前述方法提取 2次,有机相均合
并到烧杯中,用高纯 N2 吹至恒重.按式(3)计算总
脂含量:
1
0
100%
W
W
ω = × (3)
式中:ω为总脂的百分含量,%; W0 为藻粉干重,g;
W1为粗脂重,g.
油脂产率(LP)按式(4)计算:
5期 王曰杰等：内置 LED光源平板型光生物反应器用于微藻培养 1529

2 1LP
D D
t
ω
−
= ⋅ (4)
式中:LP 为油脂产率,g(Ld);D1、D2 为培养开始
和结束时的藻生物量 ,g/L;ω为微藻的总脂含
量,%.
2 结果与讨论
2.1 CO2浓度对普通小球藻生长的影响
不同浓度 CO2通入 PBR后的微藻生长曲线
见图 2(A).各处理组的微藻生长延滞期相差不大,
但是,指数生长期却因 CO2浓度的不同而有很大
差异:通入空气后,普通小球藻的指数生长期只有
3d(2~5d),随后进入平台期 ,最大藻细胞密度为
25.46×10
6
cells/mL;高浓度 CO2 的通入均造成普
通小球藻的指数生长期延长 ,CO2 浓度 1%、
2.5%、5%、10%的处理组对应的指数生长期分
别达到 6、5、8、5d;相应的藻细胞密度最高值
(90.73×10
6
、 78.58×10
6
、 65.39×10
6
、 47.15×
10
6
cells/mL)分别出现在培养 9、7、10、10d 后,
为对照组的 3.56 倍、3.09 倍、2.57 倍、1.85 倍.
可见,4 种高浓度 CO2 处理均能明显促进普通小
球藻生长(最适宜的 CO2浓度在 1%~2.5%),虽然
10% CO2 处理组的微藻在培养初期(3~6d)受到
一定抑制而生长缓慢,但是培养后期的藻细胞密
度明显高于对照组.Miyachi 等
[13]
研究提出,能够
耐受浓度 2%~5%、5%~20%、20%~100% CO2
的微藻分别属于耐性高、非常高和极高的藻种.
从这一点看,本研究所用的普通小球藻属于 CO2
耐受性非常高的藻种.Yun 等
[14]
发现,藻液在通入
含 15% CO2的空气后,普通小球藻(C. vulgaris)生
长受到一定抑制,而在 5% CO2中生长最快.根据
De Morais 等
[15]
的研究,凯氏小球藻(C. kessleri)
对浓度 18%的 CO2 表现出良好耐受性.还有研
究
[16]
指出,普通小球藻(C. vulgaris NIES-2173)藻
株能够在 15-50%的 CO2 下生长.不同藻株对高
浓度 CO2的耐受性存在差异,可能与研究所用藻
株、培养基种类不同有关.
由图 2(B)可见,无论对照组还是高 CO2处理
组,藻液的 pH 值随培养时间延长总体呈上升趋
势,并在8d后达到最高,分别为9.11(对照组)、8.93
(1% CO2)、8.92 (2.5% CO2)、7.83 (5% CO2)、8.02
(10% CO2).这种变化同样见于 Vidyashankar等
[17]
利用聚乙烯制备的 PBR 培养二形栅藻
(Scenedesmus dimorphus)的研究中:在通入高浓
度 (5%~15%) CO2 培养期间 ,藻液 pH 值在
10.5~9.78 之间,而且 CO2浓度越低,藻液 pH 值越
接近于对照组(pH 10.47)水平.出现这种碱化现
象的原因是,水体中溶解性无机碳存在形式为
HCO3
-
、CO3
2-
、CO2 和 H2CO3,而微藻培养基的
初始 pH 值多在 6.0~8.0,其中的无机碳存在形态
以 HCO3
-
为主,因此微藻光合过程中主要利用
HCO3
-
.各种形式的无机碳之间存在以下动态平
衡关系:CO2+H2O←→H2CO3←→H
+
+HCO3
-
←→
CO3
2-
+2H
+
,当体系中的 HCO3
-
因微藻利用而减
少时,反应平衡将自两边向中间移动,引起溶液
pH 值上升,如果此时有足够的外部 CO2 予以补
充,pH 升高幅度会得到减缓.图 2(B)显示,与通入
空气的对照组相比,4 种高 CO2 处理对于碱化作
用具有一定减缓效果,其中 5%、10% CO2处理组
较为明显.但是,两者也引起了培养初期的酸化
(pH 值小于 5.5). pH 值可显著影响微藻的生长和
光合作用
[18]
,文献[16]报道,普通小球藻生长的最
适 pH 值为 7.0,过低或过高的 pH 值均不利于微
藻正常生长.因此,虽然CO2可作为微藻生长的碳
源,但是,只有处于适宜浓度范围的CO2才能有效
促进微藻生长.对照组 pH值自第 5d开始高于 8.0,
第 8d则高于 9.0.根据赵亚丽等
[19]
的研究,pH 9.0
是形成磷酸钙沉淀的适宜反应条件.其他研究
[20]
也指出,高 pH 值环境以及通入空气的藻液能够
促进磷酸钙形成.本研究所用 SE 培养基中含有
Ca
2+
、PO4
3-
,当对照组出现较高碱性时,这些营养
成分将转化为沉淀物而无法被微藻利用,这可能
是微藻在第 5d 即停止生长的主要原因.另一方
面,5%、10% CO2处理组在培养初期的 pH 值较
低,相应的,其生长速率小于 CO2 1%、2.5%处理组,
主要是因为光合作用的关键酶(核酮糖-1,5-二
磷酸羧化/加氧酶 Rubisco 和藻细胞外碳酸酐酶
CA)活性受到 pH 影响.Rubisco 具有催化羧化和
催化氧化两种功能,在补充 CO2 且经 CCM (即
CO2 浓缩机制,需要 CA 的参与)转运后,Rubisco
1530 中 国 环 境 科 学 35卷

活性位点处的 CO2浓度得以提高
[13]
,其羧化活性
增强而氧化活性受到抑制,有利于光合作用进行;
但当 CO2浓度过高时,会引起培养基酸化和叶绿
体基质酸化,抑制关键酶的活性,即产生所谓的
“麻醉”作用,降低藻类光合作用水平
[21]
.

0 2 4 6 8 10
0
20
40
60
80
100
藻
细
胞
密
度
(×
1
0
6
ce
ll
s/
m
L
)
培养时间(d)
空气
1%
2.5%
5%
10%
A


0 2 4 6 8 10
5
6
7
8
9
p
H
值

培养时间(d)
空气
1%
2.5%
5%
10%
B

图 2 普通小球藻在不同浓度 CO2下的生长曲线(A)和
pH值变化曲线(B)
Fig.2 Growth curve (A) of C. vulgaris under different
concentration of CO2 and variation of pH (B) in cultures
2.2 CO2 浓度对普通小球藻生物质合成和固碳
性能的影响
在通气流量 0.1vvm条件下,对照组和高CO2
处理组的普通小球藻生物量随培养时间的变化
见图 3:指数生长期结束时,以 1% CO2、2.5% CO2
处理组的生物量最大(2.42、2.20g/L),分别比对照
组(0.73g/L)增加 232%和201%.培养期间的BP最
大值[0.258、0.263g/(Ld)]也出现在这两个处理组
中(表 1).由于培养初期存在酸化现象,10% CO2
处理组的BP值处于较低水平[0.115g/(Ld)],仅略
高于对照组 [0.105g/(Ld)].本研究在 1%、
2.5%CO2下获得的生物量和 BP 值与 Ryu 等
[22]
在鼓泡柱中采用批次方式培养小球藻(Chlorella
sp.)的研究结果相当:在 5%CO2和 0.1vvm条件下
生长最快,最大生物量和 BP 值分别为 2.02g/L和
0.335g/(Ld).相反,有些研究者采用其他类型反
应器或装置进行小球藻属微藻培养所得到的生
物量相对较低.Fan 等
[23]
采用容积 2L 的膜-鼓泡
式螺旋管状 PBR(MSTR)培养普通小球藻以去除
CO2,在温度 25℃、光强 3600lx 和 CO2 浓度
0.093%的条件下,当进气流量为 3.60L/min

(相当
于 1.8vvm)时,最大藻生物量为 0.90g/L,仅为本研
究在 2.5% CO2下生物量的 37%.Tang 等
[24]
利用
1L 锥形瓶培养蛋白核小球藻(C. pyrenoidosa
SJTU-2)藻株,在 5%~30% CO2下生长良好,最大
生物量(1.55g/L)和生物质产率[0.144g/(Ld)]出
现在 10%CO2下,分别约为本研究在 2.5% CO2下
相应测定值的 70%和 55%.Lam等
[28]
在有效容积
5L 的鼓泡式柱状 PBR 中培养普通小球藻,光强
为 60~70µmol/(m
2
s),连续通入 CO2浓度 5%的混
合气体,培养10d后的藻生物量和BP值分别仅为
0.77g/L和 0.073g/(Ld).针对鼓泡柱状 PBR中普
通小球藻的生物量和固碳速率较低问题 ,Lam
等
[25]
将 5个同样的 PBR进行串联,在同样培养条
件下所得到的藻生物量比单级 PBR增加 5 倍,总
CO2去除率也由 1.5%明显提高到 7.5%,表明CO2
在第一级 PBR的培养基中溶解量非常低,未被溶
解的那些CO2可被随后的 PBR中微藻继续利用,
使总生物量产出增加,这意味着通过进一步增加
PBR 的串联数量,CO2 去除率可达到 100%,同时
获得大量藻生物质用于生物柴油生产.这为今后
改进本研究所用的 PBR 以提高其生物量和固碳
效果提供了借鉴.
根据式(1)计算不同浓度 CO2下的微藻最大固
碳速率以及指数生长期平均固碳速率,见表 1.两者
的高值[1.18、1.00gCO2/(Ld); 0.57、0.62gCO2/(Ld)]
也出现在 CO2 1%、2.5%处理组中.De Morais
[26]
认
为,密闭式 PBR 对 CO2的去除效率取决于微藻种
类、反应器类型和进气中 CO2浓度.
5期 王曰杰等：内置 LED光源平板型光生物反应器用于微藻培养 1531


0 2 4 6 8 10
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
干
生
物
量
(g
/L
)
培养时间(d)
空气
1%
2.5%
5%
10%

图 3 通入空气和不同浓度 CO2后普通小球藻生物量随
培养时间的变化
Fig.3 Variations of biomass with growth time in the
cultures of C. vulgaris under conditions with air and
various concentrations of CO2
由表 2 可见,虽然文献采用了普通小球藻或
其同属的微藻进行研究,但是,由于 PBR 类型不
同,所得到的最大固碳速率存在差异,这是因为,
不同类型 PBR 中的气液传质效率、光捕获效率
和混合效率有所差异
[27]
.与文献报道结果相比,
本研究设计的内置LED光源的平板式 PBR中普
通小球藻具有较好固碳性能,与Kumar等
[28]
采用
气升鼓泡式柱状 PBR 培养小球藻的结果相
当.Fan 等
[23]
报道,利用有效容积 800mL 的膜-鼓
泡式螺旋管状 PBR培养普通小球藻,固碳速率为
0.148gCO2/(Lh) [即 3.55gCO2/(Ld)],但是这种高
固碳效果是在进气 CO2浓度为 0.093%的条件下
获得的 ,该浓度比工业烟气中的 CO2 浓度
(10%~20%)低两个数量级,因此其实际应用效果
难以判断.另一个高固碳数据[2.22gCO2/(Ld)]来
自 Anjos等
[29]
在 6.5% CO2、0.5vvm下对普通小
球藻P12藻株培养7d的研究结果,应当指出的是,
高通气流量需要消耗较多能量,同时,由于CO2在
水中的溶解度较小(25℃、1.03×10
5
Pa 下约为
1.45g/L)
[30]
,较大的通气流速将会减少气泡在
PBR中的滞留时间,导致大多数 CO2在未溶于水
和被微藻利用之前就释放到 PBR 之外
[31]
.
表 1 普通小球藻的生物质产率和固碳速率
Table 1 Biomass productivity (BP) and rate of carbon
fixation (FCO2) of C. vulgaris under different concentrations
of CO2
CO
2
浓度
(%, V/V)
最大 BP
[g/(Ld)]
平均 BP
[g/(Ld)]
最大 F
CO
2

[gCO
2
/(Ld)]
指数生长期平均
F
CO
2
[gCO
2
/(Ld)]
对照(0.04) 0.382 0.105 0.54 (第 4~5d) 0.35 (第 2~5d)
1.0 0.834 0.258 1.18 (第 7~8d) 0.57 (第 2~8d)
2.5 0.707 0.263 1.00 (第 6~7d) 0.62 (第 2~7d)
5 0.558 0.170 0.79 (第 7~8d) 0.53 (第 2~9d)
10 0.474 0.115 0.67 (第 8~9d) 0.36 (第 3~9d)

表 2 在通入 CO2的 PBR中小球藻的固碳速率比较
Table 2 Comparison of rates of carbon fixation by Chlorella sp. cultured in PBRs aerated with different concentrations
of CO2
微藻种类 CO
2
浓度(%, V/V) 反应器类型 最大
2
CO
F [gCO
2
/(Ld)]
普通小球藻(C. vulgaris) [25] 0.03~5 鼓泡式柱状 0.163
普通小球藻(C. vulgaris) [23] 0.093 膜-鼓泡式螺旋管状 3.55
蛋白核小球藻(C. pyrenoidosa) [24] 5~20 锥形瓶 0.26
小球藻(Chlorella sp.) [22] 5 鼓泡柱 0.70
普通小球藻(C. vulgaris)P12[29] 2~10 鼓泡式柱状(荧光灯单侧照光) 2.22
小球藻(Chlorella sorokiniana) [28] 2~10 气升式鼓泡式柱状 1.21
普通小球藻(C. vulgaris) (本研究) 0.04~10 平板式(内置 LED) 1.18

2.3 CO2 浓度对普通小球藻总脂含量及油脂产
率的影响
微藻产品的油脂产率决定着其适于制备藻
基生物柴油的可行性.油脂产率的高低由微藻的
生物质产率和总脂含量两方面决定.本研究所设
计的 PBR中,普通小球藻在不同浓度CO2下培养
10d后的ω值及 LP统计于表 3. ω值随CO2浓度
增加呈先升后降趋势,以 2.5% CO2、5% CO2处理
组的微藻 ω 值最大(23.13%、22.79%),两者之间
无显著差异,但显著高于对照组和其他 CO2处理
1532 中 国 环 境 科 学 35卷

组. CO2浓度增加引起的微藻总脂含量变化幅度
不大(<6%).这与文献报道相似:鼓泡式柱状 PBR
中普通小球藻的 ω 值未随着 CO2浓度上升而出
现显著变化,保持在 18.1~18.7%
[25]
;蛋白核小球
藻(C. pyrenoidosa STJU-2)藻株的 ω值由 0.03%
CO2 下的 20.9%逐渐增加到 10% CO2 下的
24.25%、20% CO2下的 25.48%和 50% CO2下的
26.75%
[24]
;拟眼点微绿球藻 (Nannichloropsis
oculata)半连续培养过程中,通入浓度 2%、5%、
10%、15%CO2时,ω 值分别为 29.7%、26.2%、
24.6%、22.7%
[32]
.这是因为,除了以脂肪形式保存
所固定的碳外,微藻还能将吸收的碳储存于蛋白
质、糖类和色素中,在高 CO2浓度下,微藻固定的
CO2 中有更大比例转化为脂肪以外的有机物
质
[33]
.由此看来,在 PBR 中,CO2浓度对微藻总脂
含量的调控作用小于其对光合及生物量的调控
幅度,因此,期望通过增加CO2浓度以大幅度提高
微藻油脂含量的可能性不大.在这种情况下,油脂
产率高低主要取决于生物质产率,表 3中的LP计
算值、表 1中的平均 BP值随 CO2浓度变化的高
低顺序可证明这一点.在研究所设置的 CO2浓度
范围内,最大 LP值[60.71mg/(Ld)]出现在 CO2浓
度 2.5%处理组中,主要是由该浓度CO2下的生物
质产率最高所致.该数值为大多数文献报道的普
通小球藻油脂产率[8~14.8mg/ (Ld)]的 4.1~7.6
倍,只是低于Huang等
[16]
采用 30% CO2培养普通
小球藻NIES-2173藻株的测定值.这是因为,本研
究所用普通小球藻自身的总脂含量较低(表4).今
后的研究中,在利用内置LED光源的平板式PBR
培养微藻的同时,采用 NO3
-
浓度适宜的培养基
(即氮限制的培养基)使微藻油脂含量提高 10%
以上
[34]
,则PBR中普通小球藻的油脂产率将会得
到进一步增加.
3 结论
3.1 利用内置 LED光源的平板式 PBR培养普通
小球藻,与通入空气的对照组相比,浓度1%~10%的
CO2 均明显促进微藻生长 ,最适 CO2 浓度为
1%~2.5%.较高浓度(5%、10%)CO2 引起培养初期
的酸化现象,导致藻细胞密度和生物量较低.
表 3 普通小球藻在不同浓度 CO2中的总脂含量及油脂
产率
Table 3 Total content and production efficiency of lipid
within cells of C. vulgaris under different concentrations
of CO2
CO
2
浓度(%, V/V) ω(%)* LP[mg/(Ld)]
空气(0.04) 17.81±0.79a 18.70
1 21.55±1.05
c
55.55
2.5 23.13±0.68
de
60.71
5 22.79±0.37
d
38.74
10 21.42±0.07
bc
24.64
注:*不同的字母表示不同处理组的总脂含量存在显著性差异(P
< 0.05)
表 4 不同浓度 CO2培养条件下小球藻的油脂含量和油
脂产率比较
Table 4 Comparison of total content and production
efficiency of lipid within cells of Chlorella sp.
aerated with different concentrations of CO2
最适 CO
2
浓度(%, V/V) ω(%) LP[mg/(Ld)] 文献
5
#
18 8 [35]
5
##
40 14.8 [35]
0.83 29.53 12.77 [36]
30 45.68 86.03 [16]
- 30-40 11.6 [37]
- 23 13.70 [38]
11
###
22 13.81 [37]
2.5 23.13 60.71 本研究
注:#在正常培养基中; ##在低氮培养基中; ###CO
2
浓度为11%的
烟气; -未报道
3.2 培养期间,微藻最大固碳速率及指数生长
期平均固碳速率的高值[1.18、1.00gCO2/(Ld);
0.57、0.62gCO2/(Ld)]出现在 CO2 1%、2.5%处
理组中.
3.3 微藻总脂含量随 CO2浓度增加呈先升后降
趋势,在 CO2 2.5%条件下得到总脂含量、油脂产
率的最大值[23.13%、60.71mg/(Ld)].
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作者简介：王曰杰(1990-),男,山东高唐人,硕士研究生,主要从事环
境污染生物净化技术研究.


国务院印发《水污染防治行动计划》
推出 238项治理措施,用 15年时间,力争全国水环境质量总体改善
日前,国务院印发《水污染防治行动计划》.这是当前和今后一个时期全国水污染防治工作的行动指南.
党中央、国务院高度重视水污染防治工作.针对水污染防治的紧迫性、复杂性、艰巨性、长期性,行动计划突出
深化改革和创新驱动思路,坚持系统治理、改革创新理念,按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的原
则,突出重点污染物、重点行业和重点区域,注重发挥市场机制的决定性作用、科技的支撑作用和法规标准的引领作
用,加快推进水环境质量改善.
行动计划 238项具体治理措施中,除了 136项改进强化措施、12项研究探索性措施外,重点提出了 90项改革创
新措施.在自然资源用途管制、水节约集约使用、生态保护红线、资源环境承载能力监测预警机制、资源有偿使用、
生态补偿、环保市场、社会资本投入、环境信息公开、社会监督等方面体现了改革创新的新要求.
行动计划提出,到 2020 年,全国水环境质量得到阶段性改善,污染严重水体较大幅度减少,饮用水安全保障水平
持续提升,地下水超采得到严格控制,地下水污染加剧趋势得到初步遏制,近岸海域环境质量稳中趋好,京津冀、长三
角、珠三角等区域水生态环境状况有所好转.到 2030 年,力争全国水环境质量总体改善,水生态系统功能初步恢复.
到本世纪中叶,生态环境质量全面改善,生态系统实现良性循环.主要指标是：到 2020年,长江、黄河、珠江、松花江、
淮河、海河、辽河等七大重点流域水质优良(达到或优于Ⅲ类)比例总体达到 70%以上,地级及以上城市建成区黑臭
水体均控制在 10%以内,地级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体高于 93%,全国地下水质
量极差的比例控制在 15%左右,近岸海域水质优良(一、二类)比例达到 70%左右.京津冀区域丧失使用功能(劣于Ⅴ
类)的水体断面比例下降 15个百分点左右,长三角、珠三角区域力争消除丧失使用功能的水体.到 2030年,全国七大
重点流域水质优良比例总体达到 75%以上,城市建成区黑臭水体总体得到消除,城市集中式饮用水水源水质达到或
优于Ⅲ类比例总体为 95%左右.
摘自中国环境报
2015-04-17