基于斜生柵藻培養(yǎng)的城市生活廢水資源化利用研究

趙昕宇,廖利民,成　杰,張凱凱,季　祥,鞏東輝,蔡　祿

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭　014010)

基于斜生柵藻培養(yǎng)的城市生活廢水資源化利用研究

趙昕宇,廖利民,成杰,張凱凱,季祥,鞏東輝,蔡祿

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭014010)

摘要：為降低微藻培養(yǎng)成本,實(shí)現(xiàn)城市生活廢水的資源化利用,研究了補(bǔ)加不同質(zhì)量濃度的NaNO3、K2HPO4·3H2O、MgSO4·7H2O、FeCl3·6H2O、Na2CO3營養(yǎng)鹽情形下,斜生柵藻(Scenedesmus obliquas)的生長和油脂積累特性。結(jié)果表明:城市生活廢水中自身含有的磷、碳基本滿足微藻正常的生長和油脂代謝,同時(shí)在低氮和高鐵環(huán)境下更有利于微藻油脂的積累。此外,在補(bǔ)加NaNO3質(zhì)量濃度2.25 g/L、K2HPO4·3H2O質(zhì)量濃度40 mg/L、MgSO4·7H2O質(zhì)量濃度56.25 mg/L、FeCl3·6H2O質(zhì)量濃度9 mg/L、Na2CO3質(zhì)量濃度15 mg/L的條件下,斜生柵藻生長狀況良好,生物量可達(dá)3.04 g/L,是廢水原液條件下的2.8倍。利用城市生活廢水來培養(yǎng)富油的微藻,可以實(shí)現(xiàn)廢水的資源化利用與微藻的低成本培養(yǎng),對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：城市生活廢水;斜生柵藻;生物量;油脂積累;培養(yǎng)成本

能源與水資源危機(jī)是當(dāng)今世界發(fā)展所面臨的兩大問題[1-2]。為了滿足對(duì)能源的需求,亟需開發(fā)可再生能源,而廢水再利用是解決水資源危機(jī)的重要途徑之一。微藻是自然界分布廣泛、繁殖迅速、光合效率高的一類自養(yǎng)型微生物,其中的富油微藻可作為生物柴油的原料[2],微藻生物柴油發(fā)展所面臨的最大瓶頸是生產(chǎn)成本高,為了降低微藻的培養(yǎng)成本,利用廢水及廉價(jià)的營養(yǎng)鹽是關(guān)鍵。微藻生長過程中需要消耗大量的淡水資源和營養(yǎng)鹽,城市生活廢水因其排放比較集中、排放量大、富含氮磷無機(jī)鹽等特點(diǎn),具有為能源微藻培養(yǎng)供應(yīng)水源的潛力。因此,利用城市生活廢水培養(yǎng)微藻，不僅可以使廢水資源化利用,還可以有效解決微藻培養(yǎng)的水源問題。

斜生柵藻(Scenedesmusobliquas)是一種常見的淡水微藻,屬綠藻門,綠球藻目,柵藻科,柵藻屬。由于具有生長速度快、環(huán)境耐受性強(qiáng)、氮磷利用率高等特點(diǎn)而被廣泛用于廢水培養(yǎng)和廢水處理中[3-5],同時(shí)也是迄今已知含油量較高的藻種之一[6],可作為生產(chǎn)生物柴油的原料[7]。利用包頭市城市生活廢水培養(yǎng)富油斜生柵藻,考察廢水中補(bǔ)加營養(yǎng)鹽對(duì)斜生柵藻生長及油脂積累的影響,探究其最佳營養(yǎng)鹽條件,以期實(shí)現(xiàn)廢水資源化利用的同時(shí)降低微藻培養(yǎng)成本。

1材料與方法

1.1廢水來源

實(shí)驗(yàn)所用城市生活廢水取自包頭市北郊水質(zhì)凈化廠二級(jí)出水口,部分水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)用水部分水質(zhì)指標(biāo)

1.2藻種

實(shí)驗(yàn)藻種為斜生柵藻,由內(nèi)蒙古自治區(qū)生物質(zhì)能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所篩選、鑒定、保存。

1.3微藻的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)以250 mL三角瓶為反應(yīng)器,城市生活廢水為主體,配制不同質(zhì)量濃度的廢水培養(yǎng)基,裝液量100 mL,以處于對(duì)數(shù)生長期的斜生柵藻為藻種,接種量5%(體積分?jǐn)?shù)),放置光照強(qiáng)度5 000 Lx,光照周期為L/D=14/10(L為明期，D為暗期),溫度為(25±1)℃的恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

1.4分析方法

a. 微藻生物量的測定。微藻生物量的測定采用濁度比色法[8]、干重法[9]。微藻在同一時(shí)刻的吸光度值與其細(xì)胞干重存在一定的線性關(guān)系,該實(shí)驗(yàn)藻株關(guān)系式為

(1)

式中：Y為生物量，g/L;X為680 nm的光吸收值。關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R2為0.998。

b. 微藻油脂的測定。參照Bligh-Dyer法[10]對(duì)微藻細(xì)胞進(jìn)行總脂提取,以重量法測定并計(jì)算微藻油脂含量。

c. 數(shù)據(jù)分析方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)采用Excel 2007及SPSS Statistics 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.5實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.5.15種營養(yǎng)鹽對(duì)斜生柵藻生長的影響

以城市生活廢水作為培養(yǎng)液,分別研究了NaNO3、K2HPO4·3H2O、MgSO4·7H2O、Na2CO3、FeCl3·6H2O 5種營養(yǎng)鹽對(duì)斜生柵藻生長以及油脂積累的影響。在相同體積的城市生活廢水中,分別加入上述不同質(zhì)量濃度的營養(yǎng)鹽,考察在不同質(zhì)量濃度的營養(yǎng)鹽條件下斜生柵藻的生長情況。各實(shí)驗(yàn)組加入的營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度情況見表2。

表2　各實(shí)驗(yàn)組加入營養(yǎng)鹽情況

1.5.25種營養(yǎng)鹽對(duì)斜生柵藻生長和油脂積累的影響

參照正交試驗(yàn)法[11]選用L18(37)設(shè)計(jì),在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),按表3中各水平分別加入營養(yǎng)鹽。

表3　5種營養(yǎng)鹽正交水平

2結(jié)果與分析

2.15種營養(yǎng)鹽單因素補(bǔ)加濃度對(duì)斜生柵藻生長及油脂積累的影響

城市生活廢水中含有的少量營養(yǎng)物質(zhì)并不足以滿足微藻的整個(gè)生長周期,因此利用廢水作為微藻培養(yǎng)液時(shí),適宜的營養(yǎng)鹽補(bǔ)加顯得至關(guān)重要,而微藻在不同環(huán)境中對(duì)不同營養(yǎng)鹽的需求差異較大。幾種主要營養(yǎng)鹽的優(yōu)化對(duì)廢水培養(yǎng)微藻有著重大的意義。

2.1.1NaNO3

氮是微藻體內(nèi)許多重要有機(jī)化合物的組成成分之一,在多方面影響著微藻的生長代謝過程。實(shí)驗(yàn)以NaNO3為補(bǔ)加氮源,在廢水中加入不同質(zhì)量濃度的NaNO3,考察不同質(zhì)量濃度的NaNO3對(duì)斜生柵藻生長及油脂積累的影響,結(jié)果見圖1。

圖1　NaNO3補(bǔ)加質(zhì)量濃度對(duì)微藻生長及油脂積累的影響

從圖1可知,隨著NaNO3補(bǔ)加質(zhì)量濃度的增加,斜生柵藻生物量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當(dāng)補(bǔ)加的NaNO3質(zhì)量濃度為2.25 g/L時(shí),斜生柵藻生物量達(dá)到最大2.61 g/L,與其余各組間差異顯著(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)證明，過高的氮濃度并不能持續(xù)促進(jìn)微藻的生長,反而會(huì)對(duì)微藻的生長產(chǎn)生抑制作用。因此,在城市生活廢水環(huán)境下,NaNO3的最佳補(bǔ)加質(zhì)量濃度為2.25 g/L。

由圖1中油脂曲線可知,斜生柵藻在低氮質(zhì)量濃度下油脂含量較高,而低氮條件下會(huì)影響微藻生物量的積累并不利于微藻的生長。因此,對(duì)于以生物柴油原料為目的的微藻工業(yè)化生產(chǎn)來說,需要盡可能高地獲得單位時(shí)間、單位體積的微藻生物量與油脂產(chǎn)量,對(duì)微藻生物量與油脂積累的亞適量研究是必不可少的。此外,實(shí)驗(yàn)也印證了諸多有關(guān)氮缺乏會(huì)導(dǎo)致微藻油脂大量積累的報(bào)道[12-14]。

2.1.2K2HPO4·3H2O

實(shí)驗(yàn)以K2HPO4·3H2O為補(bǔ)加磷源,研究城市生活廢水中K2HPO4·3H2O補(bǔ)加質(zhì)量濃度對(duì)斜生柵藻生長及油脂積累的影響,結(jié)果見圖2。

圖2　K2HPO4·3H2O補(bǔ)加質(zhì)量濃度對(duì)微藻生長及油脂積累的影響

圖2中油脂曲線表明,在城市生活廢水環(huán)境下,K2HPO4·3H2O補(bǔ)加質(zhì)量濃度對(duì)斜生柵藻油脂積累影響不明顯,而高質(zhì)量濃度的K2HPO4·3H2O反而會(huì)影響其油脂的積累。這可能是由于高質(zhì)量濃度K2HPO4·3H2O環(huán)境下,培養(yǎng)液中的氮磷比失調(diào)所致[15]。

2.1.3MgSO4·7H2O

鎂是葉綠素的組成成分,在葉綠素合成和光合作用中起重要作用[16],鎂還參與生物體內(nèi)的氮代謝和活性氧代謝。實(shí)驗(yàn)選取MgSO4·7H2O提供鎂元素,研究廢水中補(bǔ)加不同濃度的Mg2+對(duì)斜生柵藻生長和油脂積累的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　MgSO4·7H2O補(bǔ)加質(zhì)量濃度對(duì)微藻生長及油脂積累的影響

由圖3可知,隨著MgSO4·7H2O補(bǔ)加質(zhì)量濃度的增加,微藻生物量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當(dāng)MgSO4·7H2O補(bǔ)加質(zhì)量濃度為56.25 mg/L時(shí),微藻生物量最大為2.53 g/L,同其余各組間差異顯著(P<0.05),油脂含量也處于各組間最高?？傮w來說,適宜的Mg2+濃度能夠很好地促進(jìn)斜生柵藻生物量和油脂的積累。因此, Mg2+適宜的補(bǔ)加質(zhì)量濃度為56.25 mg/L。

2.1.4FeCl3·6H2O

鐵在微藻體內(nèi)以各種形式與蛋白質(zhì)結(jié)合,作為重要的電子傳遞體或催化劑,參與微藻細(xì)胞內(nèi)許多生命活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)以FeCl3·6H2O為補(bǔ)加鐵鹽,考察了廢水中補(bǔ)加不同濃度的Fe3+對(duì)斜生柵藻生長和油脂積累的影響,結(jié)果如圖4所示。

圖4　FeCl3·6H2O補(bǔ)加質(zhì)量濃度對(duì)微藻生長及油脂積累的影響

由圖4可知,Fe3+對(duì)斜生柵藻生長和油脂積累均有顯著影響。其中在未補(bǔ)加Fe3+(對(duì)照組)的培養(yǎng)液中,微藻生物量及油脂含量均為最低,這可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)液中缺鐵導(dǎo)致微藻細(xì)胞中光合作用相關(guān)酶和電子傳遞受阻,影響微藻的正常生長和代謝。而FeCl3·6H2O質(zhì)量濃度為9 mg/L時(shí),微藻生物量最大,可達(dá)2.57 g/L,持續(xù)增加Fe3+濃度時(shí)微藻生物量開始降低,表現(xiàn)出高濃度抑制的現(xiàn)象。此外,油脂曲線表明,適宜的高濃度Fe3+可以在一定程度上促進(jìn)微藻油脂的積累,這與相關(guān)研究報(bào)道的高鐵環(huán)境能夠促進(jìn)微藻油脂積累相符[17-18]。綜上,在廢水中FeCl3·6H2O最佳補(bǔ)加質(zhì)量濃度為9 mg/L。

2.1.5Na2CO3

碳元素含量占微藻干細(xì)胞的40%～50%,是細(xì)胞生長的主要元素之一。微藻生長所需的碳源可分為無機(jī)碳源和有機(jī)碳源,影響藻細(xì)胞生長和脂類、糖類等物質(zhì)的積累。實(shí)驗(yàn)以Na2CO3為碳源,考察了廢水中補(bǔ)加不同質(zhì)量濃度的Na2CO3對(duì)斜生柵藻生長和油脂積累的影響,結(jié)果如圖5所示。

圖5　Na2CO3補(bǔ)加質(zhì)量濃度對(duì)微藻生長及油脂積累的影響

由圖5可知,未補(bǔ)加碳源(對(duì)照組)微藻生物量能達(dá)到2.03 g/L,當(dāng)補(bǔ)加Na2CO3質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí),微藻生物量最高,可達(dá)2.28 g/L,與其余各組間差異顯著(P<0.05)。BG-11培養(yǎng)液中Na2CO3的質(zhì)量濃度為20 mg/L,說明廢水中含有一定濃度的碳源可供微藻生長代謝,補(bǔ)加少量Na2CO3時(shí),微藻處于最佳生長狀態(tài)。此外,在不同碳濃度條件下對(duì)微藻油脂含量測定可知,在低濃度碳源下,微藻油脂含量較低,隨著Na2CO3質(zhì)量濃度增加,其油脂的積累在20 mg/L時(shí)達(dá)到最高,之后高質(zhì)量濃度的Na2CO3對(duì)微藻油脂積累影響不明顯。而高碳濃度對(duì)微藻生長的抑制現(xiàn)象可能是由于培養(yǎng)液中碳磷比變化所致,合適的碳磷比可以很好地促進(jìn)微藻生物量和油脂的積累[19],這也是當(dāng)前微藻培養(yǎng)優(yōu)化的研究熱點(diǎn)之一。

2.2營養(yǎng)鹽正交試驗(yàn)結(jié)果

表4為以生物量為響應(yīng)的L18(37)營養(yǎng)鹽正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,表5為正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析。

表5　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析

注:*表示具有顯著影響。

由表4中5個(gè)因素的極差R值可知,在城市生活廢水中5種營養(yǎng)鹽對(duì)斜生柵藻生物量積累的影響程度大小:NaNO3>FeCl3·6H2O>K2HPO4·3H2O>MgSO4·7H2O>Na2CO3。由表5方差分析可知,NaNO3、FeCl3·6H2O、K2HPO4·3H2O質(zhì)量濃度水平對(duì)斜生柵藻生長影響顯著,MgSO4·7H2O和Na2CO3對(duì)其影響不顯著。此外,由5個(gè)因素的均值可知,營養(yǎng)鹽的最優(yōu)水平組合為:NaNO3的質(zhì)量濃度為2.25 g/L,K2HPO4·3H2O質(zhì)量濃度為40 mg/L,MgSO4·7H2O質(zhì)量濃度為56.25 mg/L,FeCl3·6H2O質(zhì)量濃度為9 mg/L,Na2CO3質(zhì)量濃度為15 mg/L。在正交實(shí)驗(yàn)中,5種營養(yǎng)鹽中Na2CO3的最適質(zhì)量濃度較單因素實(shí)驗(yàn)中的生物量最高的Na2CO3質(zhì)量濃度要大,這可能是由于各因素間的交互作用所致。以正交實(shí)驗(yàn)分析所得的最適優(yōu)化組合培養(yǎng)基對(duì)斜生柵藻進(jìn)行培養(yǎng),可以獲得最高的生物量積累。

2.3優(yōu)化前后的生長對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證在城市生活廢水中,補(bǔ)加營養(yǎng)鹽最佳濃度條件下斜生柵藻的生長狀況,將經(jīng)正交試驗(yàn)所得的營養(yǎng)鹽條件與BG-11基礎(chǔ)培養(yǎng)條件以及廢水原液分別進(jìn)行微藻整個(gè)生長周期的培養(yǎng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　斜生柵藻在不同培養(yǎng)條件的生長情況

由圖6可知,斜生柵藻均能在3種不同培養(yǎng)條件下生長,各組間生物量差異顯著(P<0.05)。其中優(yōu)化后的廢水培養(yǎng)基與BG-11培養(yǎng)基生長趨勢相當(dāng)。在未經(jīng)處理的廢水原液中,斜生柵藻生物量最大僅為1.08 g/L,而優(yōu)化后的廢水培養(yǎng)體系下,斜生柵藻生長趨勢明顯好于其余兩組,且穩(wěn)定期收獲的生物量最大,可達(dá)3.04 g/L,是廢水原液條件下的2.8倍。因此,在城市生活廢水環(huán)境中,適當(dāng)?shù)难a(bǔ)加營養(yǎng)鹽可以很好地促進(jìn)斜生柵藻的生長,最大化利用廢水資源,降低微藻培養(yǎng)成本,對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

3結(jié)論

a. 在城市生活廢水中補(bǔ)加5種營養(yǎng)鹽,以生物量為響應(yīng)最佳補(bǔ)加質(zhì)量濃度為NaNO32.25 g/L,K2HPO4·3H2O40 mg/L,MgSO4·7H2O56.25 mg/L,FeCl3·6H2O9 mg/L,Na2CO315 mg/L,在此條件下斜生柵藻長勢良好,生物量可達(dá)3.04 g/L,遠(yuǎn)高于廢水原液條件。

b. 城市生活廢水中自身含有的磷、碳基本滿足微藻正常的生長和油脂代謝,適量添加可以更好地促進(jìn)其生長,在缺氮或低氮條件下更有利于微藻油脂的積累,較高濃度的Fe3+也可以在一定程度上促進(jìn)微藻油脂的積累。

利用城市生活廢水來培養(yǎng)富油的微藻,可以實(shí)現(xiàn)廢水的資源化利用與微藻的低成本培養(yǎng)。后續(xù)對(duì)藻類生物質(zhì)的多用途開發(fā)和利用可以充分實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益,具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

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Resource utilization of urban sewage water based on cultivation ofScenedesmusobliquas

ZHAO Xinyu, LIAO Limin, CHENG Jie, ZHANG Kaikai, JI Xiang, GONG Donghui, CAI Lu

(SchoolofLifeScienceandTechnology,InnerMongoliaUniversityofScience&Technology,Baotou014010,China)

Abstract：Characteristics of growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquas were investigated under the condition of adding different concentrations of NaNO3, K2HPO4·3H2O, MgSO4·7H2O, FeCl3·6H2O, and Na2CO3 in urban sewage water for reducing the cost of microalgae cultivation and resource utilization of urban sewage water. Results show that phosphorus and carbon in urban sewage water can meet the needs of nature growth and lipid metabolism of microalgae and low nitrogen and high concentrations are conductive to the accumulation of lipid. In addition, under the condition of adding NaNO3 of 2.25 g/L, K2HPO4·3H2O of 40 mg/L, MgSO4·7H2O of 56.25 mg/L, FeCl3·6H2O of 9 mg/L, and Na2CO3 of 15 mg/L in urban sewage water, Scenedesmus obliquas grows well and the biomass is 3.04 g/L, which is 2.8 times of the biomass under the condition of original wastewater. Using urban sewage water in the cultivation of microalgae can achieve the purposes of resource utilization of wastewater and lowcost cultivation of microalgae, which is of great significance for industrial production.

Key words：urban sewage water; Scenedesmus obliquas; biomass; lipid accumulation; cost of cultivation

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.008

基金項(xiàng)目:內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015MS0335);內(nèi)蒙古教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)(NJZZ14162);包頭市應(yīng)用研發(fā)資金科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015Z2010-3);內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(S20151012709)

作者簡介:趙昕宇(1991—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槲⒃迳镔|(zhì)能。E-mail: 429675908@qq.com 通信作者:蔡祿,教授。E-mail:nmcailu@163.com

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)03-0044-06

(收稿日期：2015-05-26編輯：王芳)