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不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控

魏琳, 刘祥, 杨浩, 祝孔松, 吴慎独. 不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
引用本文: 魏琳, 刘祥, 杨浩, 祝孔松, 吴慎独. 不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
WEI Lin, LIU Xiang, YANG Hao, ZHU Kongsong, WU Shendu. Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
Citation: WEI Lin, LIU Xiang, YANG Hao, ZHU Kongsong, WU Shendu. Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202

不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控

    通讯作者: Tel:15105272715,E-mail:gclx_2007@126.com
  • 基金项目:
    江苏省自然科学基金( BK20200527 )和中央高校基本科研业务费项目(B200201026)资助.

Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio

    Corresponding author: LIU Xiang, gclx_2007@126.com
  • Fund Project: the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20200527) and Fundamental Research Funds for the Central Universities of China(B200201026).
  • 摘要: 为探究不同C/N污水下下硫对微藻生长、水体净化与油脂积累的调控作用,以斜生栅藻为研究对象,通过改变NH+4-N浓度配制了4种不同C/N的实验用水,对比研究了斜生栅藻在无硫和含硫条件下经5 d培养后的生长、碳氮利用与油脂合成情况。结果表明,外源硫添加可有效促进微藻的生长,当C/N为15时,藻细胞密度达到最大,为1.23×107 cells·mL−1,较无硫条件提高了90%;同时,外源硫也有助于提升藻细胞对碳氮的利用效率,微藻对有机物的利用效率随着C/N的降低而升高,并在C/N为7.5时最大,为80.33%,较无硫条件提升了63%;当C/N为7.5时NH+4-N去除率为73.6%,较无硫条件提升了149%,其余实验组别NH+4-N去除率均达100%;此外,在含硫条件下,油脂产率和油脂含量均随着C/N升高而降低,均在C/N为7.5时达到最大,油脂产率为5.04 mg·(L·d)−1,相较于无硫条件提升了50.51%,油脂含量为15.4%,较无硫条件下降了33.3%,表明硫加入可有效提升油脂产率但不利于油脂积累,在低C/N条件下促进作用更强。综合来看,当C/N在7.5—15时,外源硫加入取得的综合效益最佳。通过探究微藻生长、碳氮利用、油脂积累的适宜条件,可为微藻的精细化培养提供参考。
  • 人工湿地技术是通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收和生物降解等过程,实现对城市生活污水的高效处理,其建设成本和能耗较低,环境美化效果好[1]。人工湿地中所含大量的养分负荷会刺激微生物生长代谢。与天然湿地相比,温室气体CH4[2]、N2O和CO2[3]的排放通量更高,因此,亟需探究如何规模化实现该工艺的温室气体减排。

    人工湿地实现污染物去除的主要部分为基质填料。填料材料通过物理、化学和生物的作用完成对污染物的去除。由于单一基质类型的人工湿地无法同时达到高效脱氮、除碳的目的[4]。组合填料所发挥的协同作用可高效去除污水中的多种污染物质[5],已被越来越多地运用到人工湿地中。然而,在实际运用中,组合填料的种类、填充方式、孔径和含碳量等条件均会影响湿地系统的复氧能力及微生物的代谢活动,从而间接影响系统污染物的去除能力[5]

    SHEN等[6]研究铁碳微电解填料时发现,以铁为阳极、碳为阴极会形成大量微观原电池,可将NO3/NO2直接还原为N2,因此,铁碳含量改变会影响NO3/NO2还原为N2过程的进行,进而影响N2O的排放。 WANG[7]等发现沸石具备良好的吸附功能,具有与普通材料相似的均一孔隙,故其性质与分子筛类物质相似,选择吸附性能优异。该材料可有效吸附系统产生的CH4,当沸石占比增大时,可能更加有利于减少CH4的减排。赵仲婧等[1]发现,采用铁碳和沸石作为基质组合填料的间歇曝气人工湿地系统可明显提高污水处理效率和温室气体减排效果。铁碳微电解材料与沸石的粒径、孔隙度均不相同,因此,当二者间填充顺序不同时,可通过影响溶解氧 (dissolved oxygen,DO) 环境来构成不同微生物群落结构,优化硝化、反硝化过程,以降低温室气体排放量。

    基于此,本研究以铁碳和沸石组合填料为研究对象,通过改变二者的填充顺序和填充配比,探究基质填充方式对人工湿地对污染物去除过程中温室气体减排效果的影响,以期为实现人工湿地技术的减污降碳目标提供参考。

    实实验装置位于西南大学某玻璃温室大棚。该装置具备良好的通风性,且自然照射充足。图1 为实验用到的仿真垂直潜流式人工湿地系统,采用 PVC材质制作的筒状容器,其底部直径30 cm,高60 cm,上部边缘设有3 cm的矩形水密封凹槽。中心有3个4 cm宽,60 cm长的 PVC穿孔管,最中间一根用于进水、虹吸排水和收集水样本,两侧2根内部装有和人工湿地系统相同且等高的填料,用于提取湿地基质及微生物。距装置底部5 cm处设置微孔曝气管。

    图 1  间歇曝气人工湿地装置
    Figure 1.  Schematic diagram of intermittent aeration constructed wetland

    装置中种植的植物为野生菖蒲 (Acorus calamus L.) ,取自北碚区某水库。菖蒲采回后,先将其根部清洗干净,放入有培养液的装置中,置于光照培养箱中进行驯化培养。培养温度为 (25±2) ℃,光照强度为 (3 000±300) lux,光暗时间比为12 h:12 h,每隔2 d更换一次进水,经过30 d的人工培育,将生长状况好、体形相似的植物移植到人工湿地设备中,栽种密度为每平方米30株。

    实验所选用的沸石是从河南景盈建材有限责任公司采购的斜发沸石,沸石颗粒的直径为5~10 mm。使用纯水清洗干净,经风干、称重后填入湿地装置之中。铁碳微电解填料主要由废铁屑和活性炭制成,粒径为10~30 mm,均由郑州众邦水处理有限公司提供。

    培养微生物所需接种的活性污泥取自北碚区污水处理厂二沉池,采用人工配制的污水进行驯化。驯化3周后将活性污泥接种到人工湿地系统中,接种污泥的质量浓度为1 000 mg·L−1

    实验装置按铁碳和沸石的填充方式分为2组。湿地组1铁碳填充在表层,沸石在底层;湿地组2沸石填充在表层,铁碳在底层。以添加100%沸石的人工湿地作为对照组。沸石、铁碳分别用F、T表示,且用xy表示沸石和铁碳的占比。每组设置3个装置,组1分别添加20%铁碳+80%沸石 (T2F8) 、40%铁碳+60%沸石 (T4F6) 、60%铁碳+40%沸石 (T6F4) ;组2分别添加20%沸石+80%铁碳 (F2T8) 、40%沸石+60%铁碳 (F4T6) 、60%沸石+40%铁碳 (T6F4) 。

    实验人工湿地系统设置水力停留时间 (hydraulic retention time,HRT) 为2 d,进水采用人工配置的模拟污水,固定进水的碳氮比 (COD/N) 为5:1,具体成分参照文献[7]。向模拟污水中投入蔗糖、NH4Cl 和KNO3提供碳源和氮源。模拟污水的 COD、NH4+-N和NO3-N分别为300、40和20 mg·L−1。其他盐类或物质(每升水中添加的量)为 :KH2PO4 (22.50 mg) 、MgSO4·7H2O (97.56 mg) 、CaCl2 (58.28 mg) 、蛋白胨 (10.00 mg) ,以及微量元素溶液1 mL。其中,微量元素溶液(每升中添加的量)中又包含盐类有:H3BO3 (0.17 mg) 、MnCl2·4H2O (0.11 mg) 、ZnSO4·7H2O (0.13 mg) 、CuSO4·5H2O (0.04 mg) 和H2MoO4·4H2O (0.004 9 mg) 。微量元素溶液的pH为 (7.09±0.01) 。

    该系统每天曝气2 h,采用机械式间歇曝气方式进行。时间段为每天00:00—01:00及12:00—13:00[8]进行。该系统中的DO控制为约3 mg·L−1。 湿地系统于2021年5月开始运行,并在5月进行第一次气体测定,运行180 d,在2021年11月停止运行。本研究选取5月、6月、7月这3个月的数据进行计算分析。

    (1) 水样的采集与测定。在系统正常运行后,每2 d进行一次常规水样收集并检测。取样时间为09:00—10:00。根据饮用水及污水的国家标准分析方法,对COD、NH4+-N、NO3-N、NO2-N和TN等指标进行测定。水样的原位指标包括DO、氧化还原电位 (oxidation-reduction potential,ORP) Eh、水温和pH,均利用多参数测定仪 (SG98型梅特勒-托利多,瑞士) 进行测定。

    (2) 气样的采集与测定。本研究中主要对CH4和N2O这两种气体进行采集分析。气体采样箱 (见图1上半部分) 是PVC材质的圆柱体,由顶箱 (直径30 cm,高50 cm) 和延长箱 (直径30 cm,高70 cm) 组成,延长箱可在植物生长高度超过50 cm时使用。采样箱内有2个轴流风扇。在人工湿地系统稳定运行期间,每月采气3~4次,采样时间为上午9:00—11:00。在每个周期内进行温室气体的采样,并分析其排放规律。在1个典型周期中,设定13个不同停留时间,分别为0、2、6、12、14、18、24、26、3、36、38、42和48 h。其中,在典型水力停留期间,对人工湿地的排放进行了模拟,并对其进行了采集与分析。

    气体样品的采集方式分3种:非曝气段采样、曝气段采样和溶解态CH4和 N2O的采集3种情况。其中,非曝气段的气体排放通量计算式[9]为式 (1) 。该公式是以气体样品中温室气体质量浓度随时间变化的速率计。

    F=H×273273+T×PP0×ρ×dcdt (1)

    曝气段的气体排放通量计算式[10]为式 (2) 。

    F=Q×ϕMPRTS (2)

    利用计算所得的气体排放通量根据内插累加法求得CH4和 N2O的累积排放量,计算式见式 (3)。

    A=n1i=1(Fi+Fi+12×d×24+Fj×24)+Fn×24 (3)

    溶解态温室气体的浓度计算式见式 (4) 。

    cdis=(K0RT+β)ωWPRT (4)

    式中:F为气体 (CH4和N2O) 排放通量,μg·(m2h)−1H为箱内高度,m;T为采样箱内平均气温,K;P即采样时的大气压力,Pa;P0是校准条件下的大气压力,Pa;ρ为某一被测气体的密度 (摩尔质量/标准状态下的气体摩尔体积,g·L−1) ;dc/dt为采样期间采样箱内某一被测气体的浓度变化速率,其中CH4的浓度变化速率单位为cm3·(m3h)−1;N2O体积浓度变化速率单位为mm3·(m3h)−1Q为人工湿地曝气量,L·min−1ϕ为测得气样中的气体体积分数,%;R表示理想气体常数,即8 308.65 L Pa·(mol·K)−1;M为气体摩尔质量,g·mol−1S为采气箱覆盖面积,m2cdis为单位体积水样中溶解的气体质量浓度,μg·L−1K0为 CH4或N2O的亨利常数,mol·(L1Pa)−1; β为取样瓶上部空间与水样的体积比;ω为测得的上部空间气体体积分数。

    基于全球增温潜能值 (Global Warming Potential,GWP) 的概念,通过比较各种人工湿地的温室气体排放情况,将CH4和N2O的排放量换算成CO2当量 (CO2-eq) 。各组人工湿地的综合GWP计算式[11]见 (5) 。

    GWP=28×CH4累积排放量+298×N2O累积排放量 (5)

    利用 Origin 8.5绘制数据图;显著性检验分析及相关性分析采用SPSS19.0软件;显著性检验采用One-way ANOVA方法 (P<0.05、P<0.01表示达到显著水平) 。

    每月对不同人造湿地的CH4排放情况进行统计,结果见表1。在系统稳定的工作状态下,对照组中F的CH4平均排放通量为 (0.33±0.02) g·(m2·h)−1。湿地组1中,T4F6和T6F4的CH4排放通量在添加铁碳后增加,仅有T2F8有减排效果,其CH4的排放通量相较于F减少了5.16% (P<0.05) 。湿地组2中,相较于对照组,F8T2、F6T4的CH4排放量分别减少了22.59%~42.86%、0~40% (P<0.05),而F4T6并无CH4减排效果。通过比较两组湿地的CH4月排放通量发现,沸石在上、铁碳在下填充基质的湿地组2更有利于CH4减排;且适当添加铁碳有利于CH4的减排作用,但铁碳的占比不宜超过沸石,沸石/铁碳为8:2的湿地对CH4减排效果会更加明显。

    表 1  不同湿地组各月份的CH4平均排放通量
    Table 1.  Average CH4 emission fluxes of constructed wetlands in different treatments by month mg·(m2·h)−1
    湿地组别填充方式5月6月7月月平均值
    1T2F80.362±0.0280.298±0.0310.277±0.0420.31±0.03
    1T4F60.647±0.0150.454±0.0280.203±0.0410.44±0.03
    1T6F40.917±0.0150.873±0.0240.570±0.0180.79±0.02
    2F8T20.154±0.0140.257±0.0210.251±0.0350.22±0.02
    2F6T40.242±0.1160.366±0.0250.181±0.0130.26±0.05
    2F4T60.613±0.0210.537±0.0510.396±0.0450.52±0.04
    对照组F0.407±0.0180.260±0.0240.320±0.0160.33±0.02
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    以上现象表明,表面分子筛的孔隙结构可以对CH4进行吸收和储存,从而提高了装置内的氧气浓度,促使CH4氧化[12-13]。当系统中添加铁碳填料时,铁屑和活性炭颗粒充当电极材料,产生明显微电场,使系统更易形成微电解系统[14]。而这个铁碳微电解系统置于底部时,更加接近植物根系。在电解过程中,阳极产生的Fe2+、Fe3+会参与微生物生命活动的电子传递过程,从而提升根系微生物活力,进而使根系微生物与产甲烷菌竞争加剧,产甲烷菌将无法获得足够碳源与电子[15],从而活性受到抑制。另外,铁氧化物在根部厌氧体系中可能存在异化铁还原过程[16],异化铁还原菌和产甲烷菌之间存在底物竞争与热力学反应的优先顺序[17],当Fe3+质量浓度上升时,有利于体系中异化铁还原过程的进行,使产甲烷菌活性被抑制。

    两组人工湿地中N2O平均排放通量如表2所示。在系统稳定运行期间,对照组F的N2O平均排放通量为 (651.51±88.53) μg·(m2h)−1。在湿地组1中,,与F相比,湿地组1中的T2F8、T4F6的N2O排放量分别减少了26.22%~70.62%、26.32%~56.62%、8.49%~42.30% (P<0.05) 。在湿地组2中,湿地组2中的F8T2、F6T4和F4T6相较于F分别减少了61.33%~84.29%、52.98%~75.61%、0~16.87% (P<0.05) 。以上结果表明,添加铁碳有利于N2O的减排。两组湿地的N2O月排放通量均随着铁碳占比的降低而明显减少;当铁碳-沸石体积比为2:8时减排效果最佳。通过进一步对湿地组1和2的N2O月平均排放通量进行比较,湿地组2的N2O减排效果优于湿地组1。

    表 2  不同湿地组各月份的NO2平均排放通量
    Table 2.  Average NO2 emission fluxes of artificial wetlands in different treatments for each month μg·(m2·h)−1
    湿地组别填充方式5月6月7月月平均值
    1T2F8467.26±66.43216.95±104.5264.67±126.3316.29±99.08
    1T4F673.41±13.2226.10±53.2154.18±74.2367.90±46.87
    1T6F4931.50±65.7293.18±53.2365.01±95.2529.90±71.37
    2F8T2215.69±105187.03±32.498.08±14.6166.93±50.67
    2F6T4412.80±65.4133.12±33.4121.67±27.3222.53±42.03
    2F4T6898.87±47.3265.36±125.4355.37±153.2506.53±108.63
    对照组F1047.48±68.2508.14±107.9398.91±89.5651.51±88.53
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    分析其原因可能是,N2O既是硝化反应副产物,亦为反硝化反应的中间体[18]。随着铁碳填料增多,铁碳微电解填料中存在的高水平Fe3+可能会抑制N2O还原酶的活性,使得N2O 作为中间产物逸出。另外,铁碳的存在会改变系统溶解氧环境,铁碳占比更少的湿地系统DO更高,氨氧化细菌 (ammonia-oxidizing bacteria,AOB) 的好氧反硝化过程被抑制,会进一步减少N2O的释放[1],且有利于N2O还原为N2;铁碳的加入会导致环境中氧化还原电位Eh升高,且随着铁碳占比减少Eh升高 (如图6) ,可能会降低硝酸还原酶的活性,从而减弱反硝化作用[19],减少N2O释放。当把铁碳填料置于底部时,能有效改善底层微生物的反应环境、促进其对碳源的利用,进而强化异养脱氮反应的效果,使得反硝化反应更顺利地进行;且将铁碳填料置于底层,会更加接近植物根系,能有效促进植物根系泌氧[20],为N2O还原酶提供好氧环境,使得一些细菌在一定氧浓度下能还原N2O[21]。此外,铁作为电子供体实现了微生物的自养反硝化[22],能减少N2O产生。

    图2展现了典型周期内两组人工湿地CH4瞬时排放通量。以48 h为一个典型周期,各湿地中的CH4排放通量在曝气阶段迅速升高,曝气结束后又迅速下降,且每一曝气时段CH4最低瞬时排放通量都出现在铁碳-沸石体积比为2:8的实验组。另外,当沸石/铁碳体积比相同、而沸石、铁碳的填充顺序不同时,湿地组2的CH4瞬时排放量明显低于湿地组1。

    图 2  典型周期内不同人工湿地CH4瞬时排放通量
    Figure 2.  Transient CH4 emission fluxes from different constructed wetlands in a typical cycle

    图3为典型周期内曝气段和非曝气段末端溶解态CH4的质量浓度,不同于CH4的排放通量,溶解态CH4质量浓度在非曝气条件下,要明显高于曝气段。在曝气阶段,CH4的质量浓度分别为14.53、23.26、30.68 μg·L−1,而在非曝气阶段,CH4的质量浓度分别达到了40.96、59.51、30.68 μg·L−1。然而,CH4的生成大多发生在厌氧段,该反应段的Eh通常低于−150 mV。此时,产甲烷菌的活力会显著提升,进而使得CH4的生成量增加。当湿地的Eh高于50 mV时,会停止产生CH4[23]。结合图4可知,两组湿地非曝气段最低Eh均低于−20 mV,曝气段Eh峰值均超过100 mV,在非曝气阶段时,随着湿地Eh降低,平均CH4排放通量会升高。湿地组1中的非曝气段最低Eh分别为−27.5、−36.3、−61.7 mV,曝气段Eh均超过100 mV;湿地组2中的非曝气段最低Eh分别为−26.5、−32.81、−40.9 mV,曝气段Eh均超过100 mV。

    图 3  典型周期内不同人工湿地溶解态CH4质量浓度的变化
    Figure 3.  Changes in CH4 fluxes and dissolved CH4 content in different constructed wetlands during the typical period
    图 4  不同周期内各人工湿地 中Eh和DO的变化
    Figure 4.  Changes in Eh and DO in each artificial wetland in different cycles

    上述结果表明,CH4的生成多发生在曝气段以外,曝气段会以曝气方式将CH4吹出[24]。在曝气段,湿地系统本身是不会产生CH4的,而是将之前积累的CH4排入大气,从而使系统出现CH4排放通量迅速增大,并达到高峰,最后在曝气段结束后又出现显著下降的现象。另外,使用不同孔隙率的人工湿地填料可改变其溶解氧供应,从而改善湿地溶解氧条件。铁碳微电解填充物主要对CH4的生成和CH4催化起主要作用。随着Fe3+的加入,系统中原有的大量铁氧体,即铁还原菌,会参与产甲烷菌的反应,从而会与其共同竞争有机酸或氢气等底物,最终对CH4产生起到阻碍的作用。沸石的添加则直接减少了产甲烷古菌的数量,阻碍了CH4产生[25-26]。此外,极高的氧化还原电位,使CH4更易实现厌氧氧化,做为唯一的电子供体且有合适的电子受体,CH4被氧化为CO2[27-29]。但铁碳/沸石比例过高时,过量铁屑可能会将Fe3+还原为Fe2+。CH4的电子受体减少使CH4转化为CO2过程受阻,导致CH4减排效果变差。

    图5 (a) 为典型周期内不同人工湿地N2O瞬时排放通量。以48 h为一个典型周期,湿地F在此周期内的N2O的累积排放量为 (100.04±18.84) μg·m−2。由表3可知与湿地F相比,湿地组1和湿地组2的N2O累积排放量均有下降,且湿地组2的N2O累计排放量低于湿地组1。当沸石/铁碳体积比相同但二者填充顺序不同时,铁碳在底层湿地组2比湿地组1的N2O减排效果更为明显。从铁碳-沸石填充体积比来看,铁碳占比越少,N2O减排效果越好。曝气段N2O排放通量明显高于非曝气段,各人工湿地系统中N2O排放通量和溶解态N2O均随着曝气次数的增加而逐渐降低。一方面,由于曝气吹脱作用把溶解态N2O排入大气环境中[1];同时,曝气段DO迅速上升会影响氧化亚氮还原酶(Nos)的活力,进而促使N2O生成并大量排放[30]

    表 3  典型周期内不同湿地组 累计排放量
    Table 3.  Cumulative NO2 emissions from different wetland groups in a typical cycle μg·m−2
    湿地组别填充方式NO2累计排放量
    1T2F857.70±5.38
    1T4F659.89±7.55
    1T6F467.39±12.17
    2F8T232.45±2.71
    2F6T440.22±3.69
    2F4T638.85±4.31
    对照组F100.04±18.84
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    图 5  典型周期内不同人工湿地N2O排放通量和溶解态N2O浓度的变化
    Figure 5.  Changes in N2O fluxes and dissolved N2O content in different constructed wetlands during the typical period

    图5 (b) 为一个典型周期内的曝气和非曝气两阶段中N2O 的最终浓度变化。在循环初期和非曝气段,N2O的质量浓度均很高,但在反应进行8 h后,N2O的质量浓度出现明显降低。在4个人工湿地系统中,每个周期的前24 h,其溶解态N2O质量浓度均为(4.01-3.27)~(16.11-22.96)μg·L−1。而反应进行24 h后,N2O质量浓度则出现明显降低,仅为(0.84+0.18) ~(2.10+1.18)μg·L−1。总体来说,在曝气段N2O的质量浓度比非曝气段要低。这是因为在反应前期,微生物会发生好氧降解有机质的反应,该过程使系统内DO迅速降低,而NO3在此时被还原,从而导致NO2的累积,促进了溶解态N2O生成。由于系统内硝化与反硝化反应不断进行,从而使得底物的TN指标降低,曝气段N2O最高值和溶解态N2O质量浓度也不断降低。[1]

    全球增温潜能值 (GWP) 可反映温室气体对温室效应的强化能力[27]。如表4所示,从铁碳-沸石不同填充顺序来看,铁碳填充在底层湿地组2的GWP均明显低于铁碳填充在表层湿地1;从铁碳-沸石不同填充体积比来看,铁碳占比越少GWP越低。其中,GWP最低的是F8T2,比起对照组F的综合GWP降低了79.51% (P<0.05) ;而GWP最高的T6F4相较于F也下降了13.86% (P<0.05) 。N2O对综合GWP贡献显著大于CH4,达到了69.71%~88.92%,而CH4贡献率仅为11.08%~30.29%。由此可见,典型周期内铁碳在底层的湿地F8T2所排放的CH4和N2O均最少 (P<0.05) ,且综合GWP仅为 (16.94±1.45) g·m−2 (以CO2-eq计) ,其综合减排效果最好。

    表 4  典型周期内人工湿地CH4及N2O的排放量及综合GWP
    Table 4.  CH4 and N2O emissions and integrated GWP in the typical cycle
    湿地组名称填充方式CH4/(mg·m−2)GWP-CH4/(g·m−2)N2O/(mg·m−2)GWP-N2O/(g·m−2)GWP (CH4+N2O) /(g·m−2)
    1T2F8155.44±0.76d5.28±0.0399.05±3.27d29.52±0.0934.80±2.71
    2F8T2101.95±0.53f3.47±0.0245.21±1.35f13.47±0.0416.94±1.45f
    1T4F6164.73±0.87d5.60±0.03150.88±3.68c44.96±0.1150.56±3.04c
    2F6T4150.06±0.85ed5.10±0.0367.11±2.93e20.00±0.0825.10±2.14ed
    1T6F4440.05±0.97b14.96±0.04188.81±6.37b55.87±0.1971.23±2.46b
    2F4T6271.25±0.75c9.22±0.0271.20±4.83e21.22±0.1430.44±2.95d
    对照F559.41±1.09a19.02±0.04213.66±7.21a63.67±0.2182.69±3.17a
      注:各种温室气体的GWP以CO2当量 (CO2−eq) 计。
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    在铁碳-沸石为基质的人工湿地中,铁碳在底层,沸石在顶层的填充顺序下,CH4和N2O减排效果均优于铁碳在表层,沸石在底层的湿地系统。在填充顺序一定的情况下,基质中沸石/铁碳的填充体积比对CH4和N2O减排有一定影响。当沸石与铁碳体积比为8:2时,综合GWP最低,湿地在水质净化与温室气体减排方面均有明显效果,为本实验中最佳组合人工湿地。

  • 图 1  不同C/N下无硫(a)和含硫(b)条件对微藻生长的影响

    Figure 1.  Effects of sulfur-free(a) and sulfur-containing(b) on the growth of microalgae under different C/N ratio

    图 2  不同C/N下无硫(a)和含硫(b)条件对微藻生长系统pH变化的影响

    Figure 2.  Effects of sulfur-free (a)and sulfur-containing (b)on pH changes of microalgae growth system under different C/N ratio

    图 3  不同C/N下无硫(a)和含硫(b)条件对微藻去除NH+4-N能力的影响

    Figure 3.  Effects of sulfur-free(a)and sulfur-containing(b)on the ability of microalgae to remove NH+4-N under different C/N ratio

    图 4  不同C/N下无硫、含硫条件对系统COD值的影响

    Figure 4.  Effects of sulfur-free and sulfur-containing conditions on the COD value of the system under different C/N ratio

    图 5  不同C/N下无硫、含硫条件对油脂含量(a)和油脂产率(b)的影响

    Figure 5.  Effects of sulfur-free and sulfur-containing conditions on lipid content(a) and lipid yield(b) under different C/N ratio

    表 1  不同C/N下无硫、含硫条件对斜生栅藻脂肪酸组成及相对含量的影响(%)

    Table 1.  Effects of sulfur-free and sulfur-containing conditions on the composition and relative content of fatty acids in Scenedesmus obliquus under different C/N ratio

    组别GroupsC/NC16:0C16:1C18:0C18:1C18:2C18:3Others
    无硫组Sulfur-free group030.400.155.2950.824.793.704.85
    7.532.060.342.5641.928.4412.582.10
    1538.160.223.0839.217.189.332.82
    3029.380.202.8445.627.9311.542.49
    6029.140.183.4947.118.249.212.63
    含硫组Sulfur-containing group025.520.153.9955.725.616.022.99
    7.524.700.530.6618.4813.3139.432.89
    1526.780.603.1947.148.1611.802.33
    3026.150.512.5743.0610.0215.322.37
    6022.860.610.9023.9015.5833.382.77
    组别GroupsC/NC16:0C16:1C18:0C18:1C18:2C18:3Others
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    6022.860.610.9023.9015.5833.382.77
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  • [1] MICHAL B, GRAHAM J E, ANNA K, et al. Transcriptome analysis of the sulfate deficiency response in the marine microalgae Emiliania huxleyi [J]. New Phytologist, 2013, 199(3): 650-662. doi: 10.1111/nph.12303
    [2] ABOMOHRA A E F, ELADEL H, EL-ESAWI M, et al. Effect of lipid-free microalgal biomass and waste glycerol on growth and lipid production of Scenedesmus obliquus: Innovative waste recycling for extraordinary lipid production [J]. Bioresource Technology, 2018, 249: 992-999. doi: 10.1016/j.biortech.2017.10.102
    [3] YIN Z H, ZHU L D, LI S X, et al. A comprehensive review on cultivation and harvesting of microalgae for biodiesel production: Environmental pollution control and future directions [J]. Bioresource Technology, 2020, 301: 122804. doi: 10.1016/j.biortech.2020.122804
    [4] 谢雅清, 郁彬琦, 靳翠丽, 等. 微藻规模化培养与生物能源开发 [J]. 现代化工, 2019, 39(8): 27-32.

    XIE Y Q, YU B Q, JIN C L, et al. Large-scale cultivation of microalgae for bio-energy utilization [J]. Modern Chemical Industry, 2019, 39(8): 27-32(in Chinese).

    [5] RAN W Y, WANG H T, LIU Y H, et al. Storage of starch and lipids in microalgae: Biosynthesis and manipulation by nutrients [J]. Bioresource Technology, 2019, 291: 121894. doi: 10.1016/j.biortech.2019.121894
    [6] QIU R H, GAO S, LOPEZ P A, et al. Effects of pH on cell growth, lipid production and CO2 addition of microalgae Chlorella sorokiniana [J]. Algal Research, 2017, 28: 192-199. doi: 10.1016/j.algal.2017.11.004
    [7] GAO F, YANG H L, LI C, et al. Effect of organic carbon to nitrogen ratio in wastewater on growth, nutrient uptake and lipid accumulation of a mixotrophic microalgae Chlorella sp. [J]. Bioresource Technology, 2019, 282: 118-124. doi: 10.1016/j.biortech.2019.03.011
    [8] BASHIR K M I, MANSOOR S, KIM N R, et al. Effect of organic carbon sources and environmental factors on cell growth and lipid content of Pavlova lutheri [J]. Annals of Microbiology, 2019, 69(4): 353-368. doi: 10.1007/s13213-018-1423-2
    [9] ANAND J, ARUMUGAM M. Enhanced lipid accumulation and biomass yield of Scenedesmus quadricauda under nitrogen starved condition [J]. Bioresource Technology, 2015, 188: 190-194. doi: 10.1016/j.biortech.2014.12.097
    [10] ZHENG H L, LIU M Z, LU Q, et al. Balancing carbon/nitrogen ratio to improve nutrients removal and algal biomass production in piggery and brewery wastewaters [J]. Bioresource Technology, 2018, 249: 479-486. doi: 10.1016/j.biortech.2017.10.057
    [11] LV J, GUO J Y, FENG J, et al. Effect of sulfate ions on growth and pollutants removal of self-flocculating microalga Chlorococcum sp. GD in synthetic municipal wastewater [J]. Bioresource Technology, 2017, 234: 289-296. doi: 10.1016/j.biortech.2017.03.061
    [12] 王倩雅, 张莹, 李爱芬, 等. 硫素营养水平对产油尖状栅藻光合生理及生化组成的影响 [J]. 水生生物学报, 2017, 41(4): 904-913. doi: 10.7541/2017.113

    WANG Q Y, ZHANG Y, LI A F, et al. Effects of sulfur concentration on the photosynthetic physiology and biochemical composition of Scenedesmus acuminatus [J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2017, 41(4): 904-913(in Chinese). doi: 10.7541/2017.113

    [13] ZHANG T Y, WU Y H, ZHU S F, et al. Isolation and heterotrophic cultivation of mixotrophic microalgae strains for domestic wastewater treatment and lipid production under dark condition [J]. Bioresource Technology, 2013, 149: 586-589. doi: 10.1016/j.biortech.2013.09.106
    [14] 余亚岑, 钱领, 刘广发, 等. 碳源对巴氏杜氏藻生长及其脂类含量的影响 [J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2015, 54(6): 812-818.

    YU Y C, QIAN L, LIU G F, et al. The influence of carbon resources on the growth and lipid content of Dunaliella bardawil [J]. Journal of Xiamen University (Natural Science), 2015, 54(6): 812-818(in Chinese).

    [15] 刘祥, 杨美娟, 散而复, 等. 不同营养模式下固定化斜生栅藻和普通小球藻氨氮去除能力对比分析 [J]. 环境科学研究, 2020, 33(8): 1869-1876.

    LIU X, YANG M J, SAN E F, et al. Comparative analysis of ammonia nitrogen removal capacity of immobilized Scenedesmus obliquus and Chlorella vulgaris under different trophic modes [J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(8): 1869-1876(in Chinese).

    [16] SHEN Y, GAO J Q, LI L S. Municipal wastewater treatment via co-immobilized microalgal-bacterial symbiosis: Microorganism growth and nutrients removal [J]. Bioresource Technology, 2017, 243: 905-913. doi: 10.1016/j.biortech.2017.07.041
    [17] MA C, WEN H Q, XING D F, et al. Molasses wastewater treatment and lipid production at low temperature conditions by a microalgal mutant Scenedesmus sp. Z-4 [J]. Biotechnology for Biofuels, 2017, 10: 111. doi: 10.1186/s13068-017-0797-x
    [18] ZHANG Y, HUANG Z Z, ZHENG H L, et al. Growth, biochemical composition and photosynthetic performance of Scenedesmus acuminatus under different initial sulfur supplies [J]. Algal Research, 2020, 45: 101728. doi: 10.1016/j.algal.2019.101728
    [19] CHENG J, WANG Z Y, LU H X, et al. Hydrogen sulfide improves lipid accumulation in Nannochloropsis oceanica through metabolic regulation of carbon allocation and energy supply [J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(6): 2481-2489.
    [20] 许海, 陈丹, 陈洁, 等. 氮磷形态与浓度对铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的影响 [J]. 中国环境科学, 2019, 39(6): 2560-2567. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2019.06.039

    XU H, CHEN D, CHEN J, et al. Effects of nitrogen and phosphorus forms and concentrations on the growth of Microcystis aeruginosa and Scenedesmus obliquus [J]. China Environmental Science, 2019, 39(6): 2560-2567(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2019.06.039

    [21] 尚常花, 王忠铭, 袁振宏, 等. 氮限制对产油杜氏藻转录组的影响 [J]. 中国油料作物学报, 2016, 38(4): 524-528. doi: 10.7505/j.issn.1007-9084.2016.04.018

    SHANG C H, WANG Z M, YUAN Z H, et al. Effect of nitrogen limitation on transcriptome of oleaginous Dunaliella parva [J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2016, 38(4): 524-528(in Chinese). doi: 10.7505/j.issn.1007-9084.2016.04.018

    [22] 周涛, 李正魁, 冯露露. 氨氮和硝氮在太湖水华自维持中的不同作用 [J]. 中国环境科学, 2013, 33(2): 305-311. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2013.02.017

    ZHOU T, LI Z K, FENG L L. The different roles of ammonium and nitrate in the bloom self-maintenance of Lake Taihu [J]. China Environmental Science, 2013, 33(2): 305-311(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2013.02.017

    [23] 王蒙, 李纯厚, 戴明, 等. C/N对牟氏角毛藻生长速率和总脂含量的影响[J]. 水产学报, 2010, 34(10): 1518-1524.

    WANG M, LI C H, DAI M, et al. The effect of C/N on the growth and total lipid content of Chaetoceros muelleri[J]. Journal of Fisheries of China, 2010, 34(10): 1518-1524(in Chinese).

    [24] ADAMS C, GODFREY V, WAHLEN B, et al. Understanding precision nitrogen stress to optimize the growth and lipid content tradeoff in oleaginous green microalgae [J]. Bioresource Technology, 2013, 131: 188-194. doi: 10.1016/j.biortech.2012.12.143
    [25] TAKESHITA T, OTA S, YAMAZAKI T, et al. Starch and lipid accumulation in eight strains of six Chlorella species under comparatively high light intensity and aeration culture conditions [J]. Bioresource Technology, 2014, 158: 127-134. doi: 10.1016/j.biortech.2014.01.135
    [26] PAL D, KHOZIN-GOLDBERG I, COHEN Z, et al. The effect of light, salinity, and nitrogen availability on lipid production by Nannochloropsis sp [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2011, 90(4): 1429-1441. doi: 10.1007/s00253-011-3170-1
    [27] 黄怡, 高保燕, 王飞飞, 等. 不同磷、硫及二氧化碳浓度对标志链带藻生长和碳水化合物积累的影响 [J]. 微生物学报, 2019, 59(10): 1915-1926.

    HUANG Y, GAO B Y, WANG F F, et al. Effects of phosphorus, sulfur and carbon dioxide concentrations on growth and carbohydrate accumulation of Desmodesmus insignis [J]. Acta Microbiologica Sinica, 2019, 59(10): 1915-1926(in Chinese).

    [28] THUNYARATCHATANON C, LUENGNARUEMITCHAI A, JITJAMNONG J, et al. Influence of alkaline and alkaline earth metal promoters on the catalytic performance of Pd-M/SiO2 (M = na, ca, or Ba) catalysts in the partial hydrogenation of soybean oil-derived biodiesel for oxidative stability improvement [J]. Energy & Fuels, 2018, 32(9): 9744-9755.
    [29] MIAO X L, WU Q Y. Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil [J]. Bioresource Technology, 2006, 97(6): 841-846. doi: 10.1016/j.biortech.2005.04.008
    [30] 韩松芳, 金文标, 涂仁杰, 等. 细菌对城市污水中斜生栅藻生长与产脂的影响 [J]. 中国环境科学, 2017, 37(10): 3867-3872. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.10.031

    HAN S F, JIN W B, TU R J, et al. Effects of bacteria on growth and lipid production of Scenedesmus obliquus cultivated in municipal wastewater [J]. China Environmental Science, 2017, 37(10): 3867-3872(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.10.031

    [31] HOEKMAN S K, BROCH A, ROBBINS C, et al. Review of biodiesel composition, properties, and specifications [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(1): 143-169. doi: 10.1016/j.rser.2011.07.143
    [32] HOEKMAN S K, BROCH A, ROBBINS C, et al.Review of biodiesel composition, properties, and specifications[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(1): 143-169.
  • 期刊类型引用(2)

    1. 王佳康,冯民权,何秋玫. 铁碳投加量对人工湿地温室气体排放的影响. 环境科学与技术. 2025(03): 169-176 . 百度学术
    2. 康得军,张芳,宋广清,刘勇丽,刘希平,夏训峰. 人工湿地温室气体排放影响因素及相关作用机制研究进展. 环境污染与防治. 2024(10): 1508-1514 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-02
  • 录用日期:  2022-02-14
  • 刊出日期:  2022-03-27
魏琳, 刘祥, 杨浩, 祝孔松, 吴慎独. 不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
引用本文: 魏琳, 刘祥, 杨浩, 祝孔松, 吴慎独. 不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
WEI Lin, LIU Xiang, YANG Hao, ZHU Kongsong, WU Shendu. Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202
Citation: WEI Lin, LIU Xiang, YANG Hao, ZHU Kongsong, WU Shendu. Regulation of sulfur on growth and lipid accumulation of Scenedesmus obliquus under different C/N ratio[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 900-908. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021110202

不同C/N下硫对斜生栅藻生长与油脂积累的调控

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基金项目:
江苏省自然科学基金( BK20200527 )和中央高校基本科研业务费项目(B200201026)资助.

摘要: 为探究不同C/N污水下下硫对微藻生长、水体净化与油脂积累的调控作用,以斜生栅藻为研究对象,通过改变NH+4-N浓度配制了4种不同C/N的实验用水,对比研究了斜生栅藻在无硫和含硫条件下经5 d培养后的生长、碳氮利用与油脂合成情况。结果表明,外源硫添加可有效促进微藻的生长,当C/N为15时,藻细胞密度达到最大,为1.23×107 cells·mL−1,较无硫条件提高了90%;同时,外源硫也有助于提升藻细胞对碳氮的利用效率,微藻对有机物的利用效率随着C/N的降低而升高,并在C/N为7.5时最大,为80.33%,较无硫条件提升了63%;当C/N为7.5时NH+4-N去除率为73.6%,较无硫条件提升了149%,其余实验组别NH+4-N去除率均达100%;此外,在含硫条件下,油脂产率和油脂含量均随着C/N升高而降低,均在C/N为7.5时达到最大,油脂产率为5.04 mg·(L·d)−1,相较于无硫条件提升了50.51%,油脂含量为15.4%,较无硫条件下降了33.3%,表明硫加入可有效提升油脂产率但不利于油脂积累,在低C/N条件下促进作用更强。综合来看,当C/N在7.5—15时,外源硫加入取得的综合效益最佳。通过探究微藻生长、碳氮利用、油脂积累的适宜条件,可为微藻的精细化培养提供参考。

English Abstract

  • 随着社会经济的高速发展,人类正面临着能源匮乏和水环境污染的双重危机,亟需开发环境友好、可重复再生的清洁能源。相较于化石能源,生物质能源因具有可再生性、原料丰富和环境友好等优点[1],被认为是环境可持续发展框架下新能源的重要发展方向[2]。在众多生物质原料中,微藻具有生长周期短、光合效率高、适应污水生长以及“不与人争粮和不与粮争地”的优势,被认为是一种极具潜力的生物柴油生产原料[3]。当前,利用微藻制备生物柴油,已成为新型可再生清洁能源开发的研究热点,但高成本问题始终制约着微藻生物柴油的产业化进程[4]。因此,如何提升油脂产率,提高微藻工艺的综合效益已成为促进微藻生物燃料实现低成本、规模化生产的关键。

    截止目前,营养盐调控仍是提高微藻产量及油脂含量的可靠方法[5],通常情况下,培养体系中营养成分如碳、氮、硫等的变化会影响微藻生长与内部物质的积累[6]。碳是微藻生长必不可少的营养元素[7],约占藻细胞干质量的50%,是藻细胞的主要组成部分。KHAWAJA等[8]研究表明,不同碳源对促进微藻生长存在较大差异,在异养情况下,小分子碳源更有利于微藻生长。氮是蛋白质合成的重要元素,对促进碳源代谢至关重要。ANAND等[9]研究表明,贫氮条件更利于微藻积累油脂,富氮条件更利于促进微藻生长,存在兼顾微藻生长与油脂积累的氮浓度。碳、氮的耦合作用对微藻生长的促进作用也不容忽视。ZHENG等[10]指出,C/N过低会抑制微藻生长,过高不利于释放微藻生长潜力,存在适宜微藻生长的最适C/N。此外,硫是微藻碳氮代谢的关键偶联元素,调控着微藻生长和细胞代谢过程。LV等[11]研究表明,硫酸盐缺乏会削弱微藻生长与污水净化的能力;王倩雅等[12]也指出,硫限制会导致藻细胞碳氮代谢途径重新调整。当前,针对营养元素影响微藻生长、油脂积累的研究主要集中于单一碳源、单一氮源方面,而对不同C/N条件下硫元素的影响研究较少,而从硫元素出发研究微藻的生长、胞内组分动态变化,对全面了解微藻光合产油机制具有重要意义。

    因此,本研究以斜生栅藻为研究对象,探究了微藻生长、碳氮去除、油脂积累与脂肪酸分布对水体C/N变化的响应规律以及硫在其中的调控作用,旨在了解不同C/N条件下硫对微藻光合作用、碳氮利用和油脂积累的影响,以期为探究微藻碳流趋向油脂积累的光合营养机制提供参考。

    • 本实验选用由中科院淡水藻种库提供的斜生栅藻(Scenedesmus obliquus,FACHB-12)作为受试藻种。斜生栅藻属于绿藻门,适应污水环境且对营养盐具有较高的吸收转化能力,是生产生物柴油的优势藻种[13]。实验前先将藻种在无菌条件下转接至装有BG11培养基的锥形瓶中,于(25±1) ℃、光照度4800 Lx,光暗比12 h:12 h的恒温培养箱(PGX-350B,宁波赛福实验仪器有限公司)中进行扩大培养,培养期间应每天随机变换锥形瓶位置以保证受光均匀,并按时摇动锥形瓶3次确保藻水混合均匀。实验中所用玻璃制品、培养基等均经高温高压灭菌后使用(温度121 ℃,时间20 min)。

    • 乙酸钠、氯化铵是促进微藻生长的优质营养盐[14-15],因此,本实验选用乙酸钠和氯化铵分别作为实验用碳源、氮源,并结合前人已有研究配制实验用水[16],即1 L实验用水中包含385 mg NaAc(300 mg·L−1 COD);115 mg NH4Cl(30 mg·L−1 NH+4-N);13 mg KH2PO4;0.55 mg FeCl2·4H2O;6 mg CaCl2;66 mg MgCl2·6H2O;1 mL A5溶液 (A5溶液为微量金属的混合液,1 L的A5溶液包括:0.08 g·L−1 CuCl2·2H2O、1.86 g·L−1 MnCl2·4H2O、0.22 g·L−1 ZnCl2、0.39 g·L−1 Na2MoO4·2H2O、0.05 g·L−1 Co(NO3)2·6H2O、2.86 g·L−1 H3BO3)。其中,根据调整配方中NH4Cl的质量配制氮元素浓度分别为0、5、10、20、40 mg·L−1的实验用水。此外,将配方中的FeCl2·4H2O、MgCl2·6H2O替换成等质量的FeSO4·7H2O、MgSO4·7H2O,用于配制含硫实验用水。上述实验用水配制完毕随即置于高压灭菌锅(SN310C,日本雅马拓公司)中灭菌,隔夜冷却后使用。

    • 本实验在已有研究基础上设置4种不同C/N水平[17](C/N水平为:7.5,15,30,60)及缺硫、含硫两种条件,对照组中不含NH4+-N,每组设置3个平行实验。首先,将藻液置于BG11培养基中培养10 d至对数生长期,再将对数生长期藻液置于高速冷冻离心机(TGL168,长沙湘智离心机有限公司),在3500 r·min−1、4 ℃条件下离心8 min,舍弃上清液,用15 mg·L−1的NaHCO3溶液冲洗藻体并离心2次,以去除藻细胞表面吸附的营养盐;随后用无菌水冲洗、离心2次再将其转入无氮培养基培养3 d以耗尽藻细胞内营养盐并离心获取藻细胞;最后用无菌水冲洗、离心3次后用无菌水再悬浮,测定藻细胞密度后供实验使用。实验开始时,在已灭菌的锥形瓶里加入500 mL实验用水,再加入一定量上述实验藻液,保证初始接种密度为1×106 cells mL−1,实验周期设置为5 d。每天定时取样。在培养结束后,离心收集各平行实验微藻生物量并富集于50 mL离心管中,经冲洗和真空冷冻干燥(DZF-6020,上海煜南仪器有限公司)用于油脂与脂肪酸测定。

    • 取混匀的藻浓液1 mL于15 mL离心管中,用无菌水稀释至10 mL并摇匀,用滴管取适量藻液注入血球计数板(25×16)并利用显微镜(CX33,南京奥力科学仪器有限公司)计数3次,若3次误差大于10%,则重新计数直至符合实验标准。同时,保证每个计数格中的藻细胞数为5—8个,以便精准计数,否则应调整藻液稀释倍数重新计数。

    • 取适量藻密度已知的藻浓液按5倍梯度稀释7个样品(每个梯度下的藻密度可根据计算得到),利用紫外可见分光光度计(DR 6000,美国哈希公司)在682 nm波长下进行测定,以得到的吸光度值为横坐标,藻密度为纵坐标绘制藻密度标准曲线(y=197.53xR2=0.9999)。

    • 水质参数:污水pH采用pH计(FE 28,美国梅特勒-托利多公司)测定;水体COD采用COD快速消解仪(DRB 200,美国哈希公司)测定;水体NH+4-N浓度采用纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009)测定。

      油脂含量及脂肪酸:取适量真空冷冻干燥后的微藻混合样于试管中,加入10 mL盐酸溶液,在70 —80 ℃下水浴,至试样消解完全;取出试管,加入10 mL乙醇并混匀,将试管中的水解液转移到分液漏斗中,用乙醚石油醚混合液冲洗试管和塞子,冲洗液并入分液漏斗中,加盖振摇后静置,将醚层提取液收集到250 mL烧瓶中,按上述步骤重复提取水解液3次,再用乙醚石油醚混合液冲洗漏斗,并收集到已恒重的烧瓶中,将烧瓶置水浴上蒸干,最后置于 (100 ± 5) ℃干燥至恒重,计算油脂含量。然后对脂肪进行皂化以及脂肪酸甲酯化处理,再利用气相色谱仪(Agilent 7890A,美国安捷伦公司)进行脂肪酸分析,色谱柱为HP-88 (100 m×0.25 mm×0.20 μm),检测器为FID,采用分流方式进样,分流比为0.8。

      其中,Mt为收获时藻的生物质浓度(mg·L−1),Lt为收获时总脂含量,t为培养时间。

    • 实验数据采用SPSS 25进行单因素方差分析,采用LSD法进行统计检验,P<0.05表示差异有统计学意义;采用Origin 2017进行绘图。

    • 图1为无硫和含硫条件下,水体的C/N对微藻生长的影响情况。培养到第5天,含硫条件下各组别藻细胞密度显著高于无硫组(P<0.05)。

      图1所示,在无硫条件下,斜生栅藻在培养初始阶段经过短暂的适应期后加速生长,藻细胞密度不断升高,随着C/N的增大,藻细胞密度也逐渐上升,培养到第5天,C/N为60的组别藻密度达到最大,为6.46×106 cells·mL−1;而在含硫条件下,藻细胞密度在C/N为15时达到最高,为1.23×107 cells·mL−1,较无硫条件提升了90%。无硫条件下藻细胞密度较低主要是因为藻细胞内加氧酶的酶活性降低,并诱导活性氧的产生,从而抑制了生长[18]。硫作为叶绿素合成的重要因子,加入后可有效促进藻细胞合成叶绿素,进而增强微藻光合作用,促进了藻细胞生长[19],使得含硫条件下藻细胞密度有了较大的提高。MICHAL等[1]通过实验也证实了这一点。此外,在高C/N条件下碳源充足,随着氮素的消耗,氮逐渐成为微藻生长的限制因子[20],而氮元素作为氨基酸的重要组成部分,需要以适当的形式进行合成或外部补充[21],培养环境中氮元素降低反而影响藻细胞利用碳源进行增殖,致使微藻生长受到限制。周涛等[22]通过实验还发现,NH+4-N不宜过高,否则会对藻细胞产生毒害作用,影响其正常生长。因此,在微藻精细化培养过程中应综合考虑碳氮硫等的影响。

      图2为不同C/N下无硫、含硫条件对微藻生长系统pH变化的影响情况。由图2可以看出,在无硫条件下,各组别pH均呈现先上升后下降的趋势,且均在第2天达到最大,随后趋于稳定。这主要是由于:在无硫条件下藻细胞利用营养物合成生命活动必要的蛋白质、叶绿素等过程受到抑制,生长潜力无法释放,且在低C/N条件下系统中的NH4+-N表现出毒害性,进一步抑制细胞生长,进而导致系统pH下降[3];在含硫条件下,各组别pH变化存在较大差异,C/N为30和60的实验组呈先升后降的趋势,C/N为7.5和15的实验组在培养周期内pH逐渐升高,表明这2组有较大的生长潜力。硫元素加入后,有效驱动藻细胞大量合成叶绿素等光合作用必要前体物,光合作用增强,光合作用产物增多,使得系统pH有一定提高。

    • 图3为不同C/N下无硫、含硫条件对微藻去除NH+4-N能力的影响情况。由图3(a)可知,在无硫条件下,微藻对NH+4-N的去除率随着C/N增大而升高;培养到第3天,C/N为60的实验组中微藻对NH+4-N的去除率高达100%,高于低C/N组别。而由图3(b)可知,在含硫条件下,当C/N为15、30、60时,微藻对NH+4-N的去除率均能达到100%,C/N为7.5的实验组微藻对NH+4-N的去除率为73.6%,较在无硫时提升了1.49倍。对比无硫、含硫条件下,C/N为60的实验组去除率差异不明显,含硫条件下C/N为7.5、15和30的实验组中斜生栅藻对NH+4-N去除能力显著优于无硫条件(P<0.05)。其原因是,硫元素加入后藻细胞生长加快,吸收利用NH+4-N的能力增强,相较于无硫条件,能更多的利用NH+4-N合成有机物质,从而提高NH+4-N去除效率。

      图4为不同C/N下无硫、含硫条件对系统COD值的影响。由图4可知,含硫条件下微藻对有机物的去除效率优于无硫条件,且在培养前期微藻对营养物的利用效率更高。整体看来,COD去除率随着C/N降低而升高。培养到第5天,含硫条件下各实验组中微藻对营养物的去除率均高于50%,在C/N为7.5时COD值较初始下降了82.29%,去除效率达到80.33%,较无硫条件提升了63%;而在C/N为15、30、60时,微藻对营养物的利用效率分别是无硫条件的1.43、1.48、1.37倍。硫元素加入有效提升了微藻对碳源的利用效率。这主要是由于微藻从无氮培养基中转入含硫实验污水后大量合成叶了绿素、蛋白质等物质,藻细胞大量吸收营养物质以满足自身生理需求。GALINA等[23]也指出,藻细胞在合成蛋白质、油脂等过程中需要提供能量进行支撑,进一步促进藻细胞吸收有机物。此外,本研究的结果表明,当C/N在7.5—15时,微藻生长与碳氮利用的综合效益较好,但适宜不同种类微藻生长的条件存在差异,兼顾不同微藻碳氮利用与生长的C/N可能会有一定区别[24]

    • 图5(a)为不同C/N下无硫、含硫条件对油脂含量的影响情况。由图5(a)可以看出,无硫条件下,实验组的油脂含量在11.8%—24.4%,且随着C/N的增大先升后降,在C/N为15时达到最大,为24.4%,低于无硫对照组的53.1%,在氮、硫双重限制下的油脂含量是单一硫限制的3.34倍。有研究表明,营养盐限制越多更有利于碳流趋向油脂积累[25]。而在含硫条件下,油脂含量在6.5%—15.4%,且随着C/N增大而减小,在C/N为7.5时最高,占细胞干质量的15.4%,但远低于无硫条件的23.1%。这说明硫元素加入反而不利于微藻积累油脂。其原因在于藻细胞受到营养盐限制等外界环境胁迫时更倾向于积累油脂[26],当硫元素限制或缺乏时影响了藻细胞正常生长,油脂作为一种持久性储能物质,对藻细胞应对营养胁迫和维持正常生命活动具有重要意义[27],因此,藻细胞在硫胁迫时油脂含量更高。此外,氮限制也有利于微藻积累油脂且较低的C/N更利于油脂合成,油脂含量最高可达15.9%。这主要是由于氮素缺乏降低微藻对氮的同化作用,引起藻细胞内部小分子前体物和还原力积累,更利于微藻细胞合成油脂。ANAND等[9]也指出,氮素限制会抑制蛋白质等物质的合成,驱使藻细胞趋向更多的油脂积累。

      不同C/N水体中微藻油脂产率对比情况如图5(b)所示。在无硫条件下,油脂产率随着C/N增大先下降后上升,在C/N为60时达到最大,为3.35 mg·(L·d)−1。而在含硫条件下,C/N为7.5、15和30的实验组油脂产率均高于无硫条件,且随着C/N增大产率降低,油脂产率在C/N为7.5时达到最大值,为5.04 mg·(L·d)−1,较无硫条件提升了50.51%。其原因在于硫限制虽然有效提升了油脂含量,但同时加剧了生长和脂质合成的矛盾,外源硫加入后刺激了藻细胞生长,释放了微藻生长潜力,以此来弥补油脂含量降低带来的损失,从而提高了油脂产率;且随着C/N的降低,藻细胞利用营养物质促进生长的效率更高,增殖速率更快,从而能进一步弥补损失。黄怡等[28]通过研究发现,高硫条件更利于提升油脂产率,而本实验结果表明,高硫条件提升油脂产率不仅受硫浓度影响,还与培养体系的C/N息息相关。当C/N较高时,外源硫加入未能有效提升油脂产率,而随着C/N的降低,油脂产率才逐渐升高。因此,在进行微藻精细化培养时,既要关注硫浓度,也应综合考虑不同C/N的影响。

      表1为不同C/N下无硫、含硫条件对斜生栅藻脂肪酸组成及相对含量的影响情况。由表1可知,十六烷酸(C16:0)、十八烷酸(C18:0)、十八碳烯酸(C18:1)、十八碳二烯酸(C18:2)、十八碳三烯酸(C18:3)占据脂肪酸的绝大多数。在无硫条件下,各实验组中C18:1相对含量较高,但均小于对照组,且随C/N增大先下降后上升,在C/N为60时最大,为47.11%。对含硫条件而言,C/N为7.5、15、30、60的组别培养5 d后C16—C18的脂肪酸对总脂肪酸的占比分别为97.11%、97.67%、97.63%和97.23%。单不饱和脂肪酸含量随C/N增大先升高后降低,在C/N为15时达到最大,为48.45%。有研究表明,生物柴油的理化性质与脂肪酸组分密切相关[29],C16—C18的脂肪酸更适宜生产生物柴油[30],并且高品位的生物柴油应尽量多地含有单不饱和脂肪酸且尽量减少饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸含量[31],而单不饱和脂肪酸更有利于提升生物柴油的低温流动性、氧化安定性等性能[32]。因此,C/N为15时得到的油脂产物更利于生产高品质柴油。

    • (1)外源硫加入有利于释放微藻生长潜力,且C/N较低时硫促进生长的效果更好。培养到第5天,C/N为15的达到最大,藻密度为1.23×107 cells·mL−1,较无硫条件提升了90%。

      (2)外源硫加入可有效提升微藻对碳、氮源的利用效率。C/N为7.5时微藻对有机物的利用效率最高,为80.33%,较无硫条件提升了63%;C/N为7.5时,水体NH+4-N的去除率为73.6%,较无硫条件提高了149%,其余各组NH+4-N均能完全去除。

      (3)外源硫加入有利于提高油脂产率但不利于油脂积累。油脂产率随着C/N升高而降低且在C/N为7.5时达到最大,为5.04 mg·(L·d)−1,较无硫条件提升了50.51%;低C/N条件下油脂含量更高,C/N为7.5时油脂含量为15.4%,较无硫条件下降了33.3%;C/N为15时单不饱和脂肪酸含量最高,更适宜生产高品质生物柴油。

    参考文献 (32)

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