全 文 ：利用废水、废弃物培养螺旋藻生产单细胞蛋白
CULTIVATION OF SP IRULINA IN WASTEWATER AND WASTES
AND PRODUCTION OF SINGLE CELL PROTEIN
魏 东 1 郭祀远 2 李 琳2
( 1青岛海洋大学海洋生命学院 266003)
( 2华南理工大学轻化工研究所 广州 510641)
⒇
目前螺旋藻的生产中仍存在着高成本和低产率
两大问题 ,致使现今规模的生产远未能达到理论指标
50 t /( ha· a)。
利用废水和废弃物培养螺旋藻 ,不仅可以变废为
宝 ,净化环境 ,还将为螺旋藻养殖提供廉价原料 ,实为
一举两得。目前 ,以色列、美国等国家已进行了小规模
的应用 ,培养的螺旋藻可用作单细胞蛋白 ( SCP)饲料
和化工原料 ,但国内的研究才刚刚起步。因而 ,利用废
水、废弃物生产微藻单细胞蛋白极有应用潜力。
1 废水、废弃物与螺旋藻的养殖
在种类众多的废水、废弃物中 ,农业废水、生活污
水、食品工业废水等含有大量的有机碳和有机氮营养
物、无机盐和微量元素 ,排入水体将造成富营养化 ,导
致水华、赤潮。国内外的研究已经证实 , 10余种性质不
同的废水、废弃物 ,经过适当的预处理和改性后都能
用于培养螺旋藻 ,废水也能得到净化。其中 ,农业废水
废物、食品工业废水的绝大部分可直接或间接用于螺
旋藻的养殖。
动物粪尿通常用于农业施肥 ,另一条途径是通过
厌氧发酵以转化有机物并产生沼气作为燃料 ,而厌氧
发酵后产生的有机酸和无机盐是藻类良好的营养物。
P. Chung等 1978年报道 ,猪粪经厌氧发酵后 ,在室内
螺旋藻光照培养塘内缓慢注入 10%的废水 ,添加
NaHCO3等无机盐 ,螺旋藻的产率可达 5 g /( m2· d) ,
氮的同化效率为 76%。 如用作单细胞蛋白饲喂小白
鼠 ,其生物效价高达 67. 7% ,未发现毒性反应。 R. D.
Fox 1984年报告将人的粪便经高温厌氧消化 ,其液态
废水经过滤、稀释后纳入藻池可培养螺旋藻。 藻体采
用普通衬衣布过滤收集 ,在太阳下烘干几小时制成干
粉 ,每 100 m2每天的生物量产量为干藻粉 2 kg。 O.
Faucher等 1977年报道 ,在富含尿素的海水中添加
Na HCO3或 Na2CO3 ,以 沉淀除去过 量的 Ca2+ 和
Mg2+ ,随后添加 2% ( v /v )猪粪尿的厌氧消化废水 [3] ,
在高速率氧化塘中接种并培养极大螺旋藻 ,收获的藻
体蛋白最高含量达 71% ,叶绿素含量达 1. 9%。
好氧发酵的动物废物也可用于培养螺旋藻。 R.
O. Canizar es等 1993年用猪粪悬液好氧发酵稳定后
培养螺旋藻 ,藻粉中含蛋白质 36% ,脂类 6% ,粗纤
维 0. 02% ,叶绿素 4 mg /L,完全符合单细胞蛋白的
营养要求。 此外 ,某些动物废物不经发酵处理也可直
接用于培养螺旋藻。 G. O ron等 1979年用牛粪作螺旋
藻生长的唯一氮源来代替 NaNO3; J. F. Wu等 1981
年用牛尿、污水、猪血加到培养基中也可培养螺旋藻。
C. V . Seshadri 1979年和 E. W . Becker等 1984年用骨
肉、尿为营养源 ,以粗海盐提供微量元素 ,在浅水道塘
里可获得 8～ 12 g /( m2· d)的螺旋藻产量 ,粗蛋白高
达 62. 5% ,但比绿藻的生产周期长一倍 ,产量也低于
绿藻的平均产量 15～ 25 g /( m2· d)。 另外 , G. Shelef
1980年发现粗牲畜废物首先经过沼气池消化 ,螺旋藻
的生长则不会出现延迟期。
食品及发酵工业废水是生物学上的完全培养基。
本文作者用甘蔗糖厂发酵糖蜜生产酒精、酵母所产生
的废水培养螺旋藻 ,取得了良好的效果。 先采用
Na2CO3絮凝法预处理两类废水 ,经适当稀释后在强
光下分批培养螺旋藻 ,能够获得 1. 04 g /L的螺旋藻
最高细胞密度 [1]。随后 ,又通过补料分批培养将螺旋
藻的最高生物量提高到了 2. 1 g / L。 收获的藻粉中粗
蛋白占干重的 41. 07% ,碳水化合物占干重的 45. 7
% ,光合色素中藻蓝蛋白含量为干重的 11. 64% ,叶
黄素和 β -胡萝卜素含量是自养生长时的 2. 54倍和 1.
83倍 (结果尚未发表 ) ,说明这两种废水培养的藻粉是
一种优质单细胞蛋白资源 ,同时也为废水处理工程带
30 海洋科学
⒇ 收稿日期: 1998-06-16
来了效率和收益 ,具有极其光明的应用前景。另外 ,李
祥林等 1987, 1993年报道了味精肌苷废水、制药、酿
造、制革等工业有机废水也可培养螺旋藻。 刘慧等
1993年用缫丝废水培养钝顶螺旋藻 ,当废水量占 10
%时 ,藻类生物量可达 11. 2 g / L。 在螺旋藻浅水道培
养池中适当添加造纸黑液 ,生物量产量可高达 9. 01
g /d [5 ]。 废水处理厂的二级废水 (活性污泥法的出水 )
培养极大螺旋藻 ,可获得的最大生物量干重为 0. 77
g / L,蛋白含量占干重的 28. 3% ～ 50. 5%。
2 废水性质与螺旋藻混合营养生长
以前认为螺旋藻是一种专性的自养微藻。 F. J.
Ma rquez等 1993年的研究发现 ,螺旋藻在光下能利
用有机碳 (如葡萄糖、醋酸盐 )和有机氮 (氨基酸、尿素
等 )化合物进行异养生长和混合营养生长 ,且混合营
养生长要优于光自养生长 ,其生长速率等于自养与异
养生长速率之和 ,并未发现延迟期。 N. Kosaric等
1974年指出 ,螺旋藻在废水中的生长状态取决于许多
因素 ,如藻的浓度、废水中各类营养物的起始浓度以
及培养条件等。 在大多数情况下 ,氮磷比是藻类生长
的限制因子 ,但在含氮、磷很丰富的废水中 ,碳有可能
成为生长限制因子。 在高浓度的废水中 ,特别是当水
体混浊时 ,光更可能是限制因子。
已有的研究表明 ,螺旋藻的混合营养生长是个限
制性过程 ,在低光强或低有机碳化合物浓度下会限制
细胞的生长 ;但光强过高或有机碳化合物浓度过高亦
会限制细胞的生长。葡萄糖和醋酸盐的存在能促进螺
旋藻藻蓝蛋白的产生 ,但醋酸盐浓度过高将抑制细胞
的生长。 在混合营养下 ,光合作用和葡萄糖氧化代谢
同时存在。在相对高的光强下 ,光合作用为主 ;但在低
光强下 ,葡萄糖氧化代谢为主 [2]。
螺旋藻能利用多种有机氮化合物作为氮源。在适
当的浓度下 ,蛋白水解物对螺旋藻的生长有明显的刺
激作用 [4]。 尿素能在低浓度下 ( 0. 2 g /L)作为 NaNO3
的替代物供螺旋藻生长之用 ,且供氮效率要比 NaNO3
高出一倍 ,但是尿素浓度高于 2 g /L时将抑制螺旋藻
的生长。蛋白胨和葡萄糖共存对螺旋藻生长有协同促
进作用。
3 利用废水、废弃物培养螺旋藻生产单
细胞蛋白的优势和所面临的问题
早在 1969年 , Osw ald就提出用甲烷发生器的废
水生产小球藻 (Chlorella )和栅裂藻 ( Scenedesmus )等
微藻作为单细胞蛋白。 但因为它们体积非常微小 ,需
要用离心或絮凝法收获 ,导致成本提高。 而螺旋藻藻
丝自动絮凝上浮 ,无需离心或絮凝就可以收获 ,避免
了大量设备投资和复杂操作。 另外 ,螺旋藻具有良好
的生态适应性 ,藻体含有大量的蛋白质和其他天然产
物 ,营养均衡 ,很适合作为单细胞蛋白或深加工的原
料 ,应用范围极为广范。 因此 ,在近 20 a来 ,利用废水
中的营养物质培养螺旋藻以生产单细胞蛋白取得了
相当大的进展。
但是 ,废水培养螺旋藻尚存在着不少有待于解决
的问题 ,主要包括: ( 1)所用的螺旋藻种大多未经过专
门驯化和筛选 ,与其他绿藻和细菌相比 ,生长速度慢 ,
世代时间长 ,相对生物量产量低 ,生长竞争力弱。 ( 2)
一般只能用其他方法的出水进行培养 ,能承受的有机
负荷较低 ,需要消耗大量的稀释水 ,加之生长受自然
条件和操作条件等许多客观因素的制约 ,实现大规模
应用还有相当的难度。 ( 3)对螺旋藻的混合营养生理
学还缺乏了解 ,实际应用中缺乏系统的理论指导和依
据。 因此 ,只有对螺旋藻的混合营养生理学进行更深
入系统的研究 ,结合驯化和筛选高效混合营养型藻
种 ,实现优化工艺设计与配套 ,才能真正利用废水、废
弃物培养螺旋藻生产单细胞蛋白 ,以取得良好的社会
和经济效益。
参考文献
1 魏 东、郭祀远等。 中国甜菜糖业 , 1997, 6: 13～ 16
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311998年第 5期