光周期對人工藻菌共生體提純沼氣效果研究

方潔瓊+孫詩清+沈棟+張宇潔+戚佳娣

摘要：利用人工藻菌共生體（小球藻與靈芝菌）在光生物反應器系統中對原始沼氣進行了生物提純處理，以紅光：藍光為5：5的光質，在200 μmol/（m2·s）光照強度下，考察了不同光周期（8Light：16Dark，12Light：12Dark，16Light：8Dark），在不同處理時間下的沼氣提純效果。結果表明：藻菌共生體對沼氣中CO2的去除效果受處理時間影響顯著（P<0.05），試驗啟動3～5 d去除效果增加明顯。同時，當光周期為12Light：12Dark時，CO2的去除效果為最佳，其除率可達到86.72±2.53%。

關鍵詞：藻菌共生體；光暗比；沼氣提純

中圖分類號：X712.1

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）22010003

1 引言

能源問題一直是全世界關注的主要問題，尤其是世界各國工業化進程不斷加快，能源的危機直接關系著國家的生死存亡。當前，無論能源豐富的國家或能源短缺的國家，無論是發達國家或發展中國家，都在生物質能源方面加大了研究力度，比如生物柴油、生物制氫等研究領域均取得了可喜的成果。沼氣作為一種取之不盡、用之不竭、造價低廉的可再生的生物質能源也長期受到研究者的青睞[1，2]。沼氣是通過厭氧發酵獲得的，但是在該生物過程中，沼氣品位低下一直是限制沼氣事業可持續發展的主要因素，其中主要是CO2含量高，因此開發一種高效固碳技術是目前研究的熱點和難點[3～5]。微藻是一種增殖速率較快的自養植物，其生長速度遠超其他植物，但是微藻在光合作用過程中會產生氧氣，為沼氣的安全使用帶來隱患，使得微藻在沼氣品質提升上受到限制。目前研究人員將真菌加入到微藻體系中，形成人工藻菌共生體，從而使微藻產生的氧氣被好氧真菌所吸收，提高其應用的安全性并有利于微藻的回收再利用[6～8]。為此，筆者利用自制的光生物反應器，研究了三種光周期（8Light：16Dark，12Light：12Dark，16Light：8Dark）對藻菌共生體生長及沼氣品質提升效果的影響，從而為沼氣產業發展過程中沼氣的高效利用提供理論參考。

2 試驗部分

2.1 微藻與真菌的培養

所用的小球藻（Chlorella vulgaris，FACHB-8）購買于中國科學院水生生物研究所，培養基為BG11培養基[9]+2%麥芽糖+0.5%酵母膏，pH值為7.0。培養條件采用混合光質，光照強度為200 μmol/（m2·s），培養溫度為25 ± 0.5 ℃，光照周期光暗比為12 h： 12 h，每天人工搖錐形瓶3次，培養至生長對數期。靈芝菌種Ganoderma lucidum （菌種編號：5.765）購自中國普通微生物菌種保藏中心，培養基為BG11培養基+2%麥芽糖+0.5%酵母膏，pH值為7.0。培養條件為溫度28 ±0.5 ℃，轉速160 r/min，培養時間為72 h。

2.2 藻菌共生體培養

按照小球藻的終濃度為4.0×108cell/mL與靈芝菌的終濃度為1×107spores/mL的比例接種于馴化BG11培養基中，pH值為7.0，以2.1節中微藻的培養條件進行藻菌共生體的培養，培養4 d。

2.3 沼氣的處理效果

2.3.1 光生物反應器系統

自制光生物反應器由一個恒溫震蕩培養箱、吸附玻璃柱、密閉的錐形瓶和內置10盞LED燈管組成。試驗過程中，LED燈管通過控制器可隨意關閉開啟，控制不同的光照周期光暗比；沼氣通過氣體流量計控制通入吸附柱中流量，吸附柱上端安裝CO2傳感器；錐形瓶使用橡膠塞密閉并安裝pH值、溫度傳感器，根據需要可以從錐形瓶的密封口取出樣品。整個裝置如圖1所示。

2.3.2 沼氣的預處理

沼氣取自浙江省嘉興市某養豬場，首先利用玻璃纖維濾紙（GF/C； Whatman，USA）對原沼氣進行了過濾，隨后利用紫外線殺菌器對過濾后的沼氣進行滅菌10min處理。其預處理后沼氣通過沼氣分析儀測定其主要成分如表1所示。

2.3.3 沼氣的處理

原始沼氣以1.0 L/（d·L）的氣體通量通入到吸附柱中，吸附柱是以20%的接種量將2.2節的藻菌共生體接種滅菌過的1 L的錐形瓶培養3 d后的藻菌球培養液填充，在光周期分別為8 Light：16 Dark，12 Light：12 Dark，16 Light：8 Dark條件下，利用圖1的光生物反應器系統，在預先設定的培養時間內測定培養體系中藻菌的比生長速率、日生長量和沼氣體系中CO2的去除率。

2.4 生物量的測定

玻璃纖維濾紙（GF/C； Whatman，USA）于105 ℃烘箱中處理24 h，后置于干燥器中冷卻至室溫，稱重備用。試驗期間，每天定時從光生物反應器中吸取50 mL培養液，用玻璃纖維濾紙過濾，將過濾后的濾餅與濾紙同時放在100 ℃條件下干燥至恒重，根據過濾前后的質量差值得到其生物量。按照公式（1）和（2）分別可以計算得到生物質日生產量與比生長速率[10]：

3 結果與討論

3.1 不同光周期條件下藻菌共生體的生長

在不同光周期條件下，藻菌共生體均能在自制的光照生物反應器中正常生長。但對比其不同光周期處理結果如表2，可以看出當12 Light：12 Dark時，藻菌共生體均達到了最大的比生長速率和日生產量，分別為0.349±0.07/d和0.148± 0.004 g/（L·d）。

3.2 光周期對沼氣中CO2去除率的影響

不同光周期處理條件下，藻菌共生體對沼氣中CO2的去除率結果見表3。從表3可以看出在不同光周期處理條件下，藻菌共生體對CO2的去除效果明顯。在三種光周期中，當光暗比為12Light：12Dark與8Light：16Dark時藻菌共生體對CO2的去除效果顯著優于16Light：8Dark（P<0.05），此時藻菌共生體均達到了最大的CO2去除效率，分別達到86.72%±2.53%，84.38%±3.62%和78.53%±4.00%。

從圖2可以看出，在3種不同光周期處理條件下，CO2去除率的變化趨勢大致相似，都是先達到最大值后下降，其中8 Light：16 Dark和12 Light：12 Dark分別在第5 d和第4 d達到最高去除效果。但從增加幅度來看，16 Light：8 Dark對CO2的去除率變化最大，前3 d處于迅速上升期，但在3～7 d迅速下降，可能由于藻菌共生體受到光的抑制所導致處理效果變小。數據統計結果表明，沼氣中CO2的去除率受處理時間影響顯著（P<0.05），實驗啟動1～5 d藻菌共生體對CO2的去除效果顯著，而隨著處理時間的延長（6～7 d）CO2的去除率有所下降，但從處理效果與節約成本考慮，在12 Light：12 Dark的條件下，處理3～4 d為最佳的處理時間。

4 結論

在不同光周期的條件下，利用小球藻與靈芝菌共生體對預處理后的沼氣進行了品質提升，結果發現在12Light：12Dark的光暗比條件下，處理4 d時，CO2去除效率最佳；其次是8Light：16Dark，在第5 d達到最高值；最差的是16Light：8Dark，這與L.Meier等[12]關于光周期對微藻生物提純甲烷的結論相一致。同時，發現藻菌共生體對沼氣中CO2的去除效果明顯好于單一微藻并受處理時間影響顯著，實驗啟動3～5 d CO2去除效果增加明顯，其最高的去除率分別達到84.38±3.62%，86.72±2.53%和78.53±4.00%。因此為進一步開發高效的光生物反應器提升沼氣品質提供一定的參考數據。

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Abstract： In this work， the co-cultivation of Chlorella vulgaris with Ganoderma lucidum cultured in photobioreactor were carried out to upgrade the real biogas. The effect of light/dark photoperiod were researched under difference process time on the following conditions： the ration of red andblue light qualitiesis 5：5 andthe light intensity is 200 μmol/m2·s. The selected light/dark photoperiod were 8Light：16Dark，12Light：12Dark， 16Light：8Dark. The results showed that the artificial algal-fungal symbiont has significantly higher CO2 removal efficiency （P<0.05） by process time under its treatment.In the initial time 3-5 d， the CO2 removal efficiency were increased dramatically. The12Light：12Dark photoperiod achieved the highest CO2 removal efficiency（86.72±2.53%）by the artificial algal-fungal symbiont.

Key words： algal-fungal symbiont； light/dark photoperiod； biogas upgrading