【摘要】：微藻具有生長周期短、光合效率高、環(huán)境適應(yīng)性強和不占用農(nóng)業(yè)耕地等特點,被認(rèn)為是第三代生物質(zhì)能源原料,引起了廣泛的關(guān)注和研究。但是,微藻生物能源由于生產(chǎn)成本高以及對淡水資源的需求,大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用受到了限制。針對該問題,使用廢水作為廉價替代培養(yǎng)基,減少淡水資源和營養(yǎng)物質(zhì)投入,是研究熱點,但是廢水環(huán)境復(fù)雜多變,培養(yǎng)過程中會影響藻細胞活性和胞內(nèi)油脂的合成,造成油脂產(chǎn)量降低,因此如何提高微藻在廢水中的細胞活性和生長能力,是提高最終油脂產(chǎn)率的關(guān)鍵。本論文以低成本和高產(chǎn)油率為立足點,從廢水培養(yǎng)微藻入手,首先對廢水預(yù)處理方式進行了優(yōu)化,考察了其對微藻生物質(zhì)濃度、油脂含量及產(chǎn)率的影響,揭示了廢水中抑制藻細胞活性的主要因素。其次,揭示了植物激素處理下,微藻細胞的變化規(guī)律以及對廢水環(huán)境的適應(yīng)能力,闡明兩株微藻對植物激素的響應(yīng)機制,以期實現(xiàn)廢水中微藻快速生長和高效積累油脂的有機耦合,降低微藻培養(yǎng)成本的同時提高油脂產(chǎn)量。主要研究結(jié)論如下:1.鹽澤螺旋藻(S.susbasal)在稀釋后的味精發(fā)酵母液(monosodium glutamate residue,MSGR)中生長良好,葉綠素合成速率和最終生物質(zhì)濃度與標(biāo)準(zhǔn)螺旋藻培養(yǎng)基SP不相上下或者更高。油脂積累方面,淡水稀釋的MSGR中藻細胞的總脂含量和產(chǎn)率有所下降,海水稀釋的MSGR中S.subsalsa的脂質(zhì)和產(chǎn)率是SP培養(yǎng)基中的1.8倍和2.5 倍。與發(fā)酵母液相比,味精廠綜合廢水CW中所含的營養(yǎng)物濃度不足以支持S.subsalsa生長所需。CW作為改良螺旋藻培養(yǎng)基mZM的替代培養(yǎng)基減緩了S.subsalsa的生長速度,削弱了S.積累生物質(zhì)的能力。從當(dāng)?shù)睾粗泻Y選并經(jīng)味精廠綜合廢水馴化的單針藻Monoraphidium sp.SDEC-17是耐受CW環(huán)境的優(yōu)勢藻株,可以在純CW中高效低成本地積累生物質(zhì),產(chǎn)量高達1.29 g·L-1與BG11中的1.31 g·L-1沒有顯著性差異;不過油脂含量和產(chǎn)率有所下降。餐廚垃圾厭氧消化液(effluent from anaerobic digestion of kitchen waste,ADE-KW)也需要進行一定的稀釋才可用于微藻培養(yǎng),稀釋后的消化液仍然存在一定的不利因素,會破壞葉綠體、細胞核等細胞結(jié)構(gòu),使光合色素積累下降70%以上,導(dǎo)致生長速率、生物質(zhì)濃度和油脂產(chǎn)率的減少。不同來源的微藻在不同廢水中的生長及油脂積累特性表明:直接利用廢水低成本培養(yǎng)微藻快速生產(chǎn)生物質(zhì)的可行性不高,需要經(jīng)過稀釋、補充營養(yǎng)物質(zhì)、篩選馴化藻種或去除大顆粒等預(yù)處理來減輕高濃度的有害成分(氨氮、有機物等)、不平衡的營養(yǎng)物質(zhì)組成(氮磷比值)、內(nèi)源細菌以及色素顆粒等不利因素帶來的抑制作用。盡管如此,廢水中微藻的生長速率和油脂產(chǎn)率相對于常規(guī)培養(yǎng)基還有一定的差距,需要進一步提高細胞活性和生產(chǎn)效率。2.細胞激動素(kinetin,KT)可以刺激微藻(Chlorella ellipsoidea SDEC-1 1和Scenedesmus quadricauda SDEC-13)快速地進入細胞分裂期。不過從整個生長周期來看,高濃度KT投加時,兩株微藻的生長均受到抑制,在短暫的生長后快速凋亡。低劑量KT則可以刺激小球藻SDEC-11的生物質(zhì)積累和兩株微藻的營養(yǎng)元素利用效率。植物激素對微藻的作用有藻株特異性,KT作用下,小球藻SDEC-1 1的生物質(zhì)濃度升高、葉綠素含量無明顯變化,柵藻SDEC-13的生物質(zhì)干重略有下降、葉綠素含量增多;在磷限制環(huán)境中,通過添加植物激素提高微藻的磷利用效率或可以成為提高微藻生長和生物質(zhì)產(chǎn)出的有效手段,KT作用下,微藻的磷利用效率提高了 21%-34%。微量的新型植物生長調(diào)節(jié)劑己酸二乙氨基乙醇酯(diethyl aminoethyl hexanoate,DA-6)即可提高微藻的生物質(zhì)積累,刺激藻細胞增大。在對數(shù)生長期中期追加DA-6可延長微藻的對數(shù)生長期,保持較高的比生長速率。盡管該植物激素沒有顯著改變胞內(nèi)脂質(zhì)、蛋白和多糖的組成,但是因為生物質(zhì)產(chǎn)率的提高,三大代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)效率均有所增長,尤其是油脂產(chǎn)率,小球藻SDEC-1 1被提高至39 mg·L-1d-1,柵藻SDEC-13被提高至33 mg·L-1d-1而在對照組中兩株微藻的產(chǎn)率分別是30 mg·L-1d-1和28 mg·L-1d-1。植物激素也提升了脂肪酸組成,使兩株微藻更適宜作生物柴油的原材料,刺激了柵藻SDEC-13中多不飽和脂肪酸的合成,拓寬了微藻生物質(zhì)在食品和生物制藥領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。不同投加方式下農(nóng)用混合植物激素GIB均可刺激小球藻SDEC-11和柵藻SDEC-13 的葉綠素合成、細胞分裂和蛋白質(zhì)積累,同時細胞形態(tài)和單細胞質(zhì)量也有所變化。在種子液培養(yǎng)階段加入GIB處理,柵藻SDEC-13的油脂產(chǎn)率被提高了 56%,脂肪酸飽和度以及多不飽和脂肪酸的比例均有所提高,說明GIB可以優(yōu)化生物質(zhì)的脂肪酸組成,提升微藻在生物柴油、動物飼料、食品和生物制藥等領(lǐng)域的發(fā)展前景和競爭力。3.從植物激素投加成本和性狀穩(wěn)定性考慮,價格低廉、水溶性好、作用穩(wěn)定,同時對兩株微藻也有一定影響的農(nóng)用混合植物激素GIB被用來刺激餐廚垃圾厭氧消化液中橢圓小球藻SDEC-11和四尾柵藻SDEC-13的生長和生物質(zhì)積累。在藻種制備過程中投加植物激素有利于提高微藻對不利環(huán)境的適應(yīng)能力。植物激素也減緩了消化液對微藻細胞分裂和葉綠體的抑制破壞作用,提高了油脂含量。批試培養(yǎng)初期添加植物激素使得小球藻獲得了最高的油脂產(chǎn)率,育種期添加植物激素使柵藻的油脂產(chǎn)率提高到了消化液對照的2.4倍。對于磷缺乏的消化液,磷元素的添加僅可以在一定程度上提高微藻的生長速率,對油脂積累無明顯影響;而植物激素作用下,微藻的生長速度和脂質(zhì)含量有了大幅提高,磷元素的利用效率也明顯增強。這表明了植物激素刺激相對營養(yǎng)鹽補充在提高廢水生產(chǎn)微藻生物質(zhì)方面的優(yōu)勢。植物激素對微藻活力、光合潛力及代謝能力的提升為應(yīng)用微藻進行污水無害化和資源化提供了新的方向;借助于植物激素對微藻活性的提升,耦合餐廚垃圾厭氧消化工藝可以建立起微藻培養(yǎng)、生物柴油生產(chǎn)、餐廚垃圾處理及藻渣處理等工藝在內(nèi)、幾乎沒有氮磷等化學(xué)物質(zhì)損失的生態(tài)圈。
【圖文】：

養(yǎng)基［５６］。因此，利用煙道氣及含氮磷的廢水培養(yǎng)微藻是降低微藻生物能源成本手段［５７］，也是利用生物技術(shù)處理廢水廢氣的優(yōu)選方案。逡逑１．３．１微藻在廢水中的生長機理逡逑污水主要包含三部分：有機物、水及無機物，其中污水中的“水”可以滿足養(yǎng)過程中９０％的水需要［５８］。藻類屬于自養(yǎng)生物，在生長過程中能夠利用細胞內(nèi)素進行光合作用，，以Ｃ０２或碳酸鹽為碳源并利用污水中的無機鹽等來合成細胞其中氮磷是主要的無機鹽元素，分別占生物質(zhì)干重的７％和１％［５７］。硝酸鹽、氨酸鹽、尿素以及微量元素使廢水中普遍存在的微藻生長所需的大量、少量和微元素，可作為支持微藻生長的低成本、易獲取的培養(yǎng)基０＂６１１，其中碳氮磷是三廢水作為微藻培養(yǎng)基可行性的主要元素，也是微藻能從廢水中大量吸收的元素［６２］

圖１－４本文研宄內(nèi)容及技術(shù)路線圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｃｏｎｔｅｎｔｓ邋ａｎｄ邋ｒｏａｄｍａｐ．逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X703


本文編號：2589568