微藻因其具有生長速率快、光合速率高、土地需求低和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),近年來被視為生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)質(zhì)候選者,代替了大豆、棕櫚等作物成為第三代生物燃料。然而,淡水消耗大和能量需求高等問題導(dǎo)致微藻生物質(zhì)生產(chǎn)成本居高不下,嚴(yán)重限制了微藻生物質(zhì)規(guī)�；a(chǎn)。針對(duì)這一系列問題,研究人員利用各種廢水作為廉價(jià)培養(yǎng)基以減少淡水資源消耗,但是由于廢水中的各種極端環(huán)境限制了微藻的生長和油脂積累,造成微藻生物質(zhì)和油脂產(chǎn)率不理想,因此尋求在不利環(huán)境中提高微藻生物質(zhì)和油脂產(chǎn)率的便捷策略尤為關(guān)鍵。此外,由于傳統(tǒng)懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)中微藻生物質(zhì)濃度低和收獲成本高等問題,微藻生物膜附著系統(tǒng)成為微藻培養(yǎng)的新趨勢(shì),并在微藻培養(yǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用,因此對(duì)微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的選擇也同樣重要。本課題以降低微藻生物質(zhì)生產(chǎn)成本以及提高微藻在不利環(huán)境中的油脂合成為出發(fā)點(diǎn),首先利用餐廚垃圾厭氧消化液(Anaerobically digested effluent from kitchen waste,KWADE)從實(shí)驗(yàn)室保有的十株微藻中篩選出四株耐受性優(yōu)質(zhì)能源微藻:柵藻 Scenedesmus SDEC-8、柵藻 Scenedesmus SDEC-13、單針藻Monoraphidium SDEC-17 和小球藻Chlorella SDEC-18,其生物質(zhì)濃度分別為 0.52、0.39、0.29 和 0.54mg/L,油脂含量分別達(dá)到 33.85%、24.16%、23.88%和 34.72%。KWADE中低磷條件促進(jìn)了光合作用固定的碳更多地流向甘油三酯(TAG)生物合成途徑,提高了微藻細(xì)胞的油脂含量。SDEC-18表現(xiàn)出了較出色的脫氮能力,氮平均產(chǎn)率系數(shù)(N-AYC)達(dá)到53.1 mg/g,明顯高于其余藻株。依據(jù)脂肪酸組分評(píng)價(jià)生物柴油性質(zhì)發(fā)現(xiàn)在KWADE中SDEC-8和SDEC-18合成的生物柴油均符合中國、美國和歐盟的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)生物柴油性質(zhì)、細(xì)胞油脂含量和產(chǎn)率為準(zhǔn)則,利用PROMETHEE-GAIA分析法對(duì)這四株微藻進(jìn)一步排序,發(fā)現(xiàn)SDEC-8和SDEC-18是最適合用于生產(chǎn)生物柴油的藻株。其次,利用外源添加生長素的手段提高這兩株優(yōu)質(zhì)能源微藻的性能,發(fā)現(xiàn)農(nóng)用復(fù)合生長素(吲哚丁酸和萘乙酸)對(duì)微藻的生長和油脂積累的作用效果明顯。兩株藻的最佳生長素適用濃度均為20 mg/L,SDEC-8和SDEC-18的生物質(zhì)濃度分別較BG11對(duì)照組增加了約59.3%和76.6%,油脂含量分別是對(duì)照組的3.0倍和2.8倍。生長素促進(jìn)了碳水化合物向油脂的轉(zhuǎn)化,提高了細(xì)胞內(nèi)的油脂含量。在BG11培養(yǎng)基中生長素對(duì)光合色素的組成影響不明顯,其對(duì)光合作用的影響可能主要表現(xiàn)為對(duì)暗反應(yīng)階段的促進(jìn)作用。而生長素的添加提高了細(xì)胞內(nèi)的脫氫酶DHase活性,優(yōu)化了油脂合成的內(nèi)環(huán)境。同時(shí)微藻細(xì)胞膜的通透性增加,細(xì)胞膜上的質(zhì)子泵被激活,使細(xì)胞內(nèi)的H+外排,調(diào)節(jié)了培養(yǎng)基的pH,優(yōu)化了細(xì)胞生長的外環(huán)境。此外,生長素改變了細(xì)胞形態(tài),使細(xì)胞體積變大,有利于藻細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,SDEC-8和SDEC-18的氮磷平均產(chǎn)率系數(shù)之比(N-AYC/P-AYC)分別是對(duì)照組的1.8倍和2.4倍,說明微藻吸收同化氮的能力得到明顯提高。因此,生長素在促進(jìn)微藻處理廢水,尤其是對(duì)高氮濃度廢水的處理中,呈現(xiàn)出光明的前景。再次,將生長素應(yīng)用于懸浮系統(tǒng)中,建立了生長素-氮缺乏微藻懸浮培養(yǎng)系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)在氮缺乏不利環(huán)境下生長素對(duì)微藻性能的提升作用明顯。當(dāng)生長素濃度為20 mg/L時(shí),氮缺乏條件下SDEC-8和SDEC-18的生物質(zhì)濃度是未添加生長素實(shí)驗(yàn)組的1.4倍和1.5倍,油脂產(chǎn)率均分別是BG11對(duì)照組的2.4倍。在氮缺乏條件下,生長素刺激碳水化合物向油脂的轉(zhuǎn)化是增強(qiáng)油脂合成的關(guān)鍵因素之一,而極性脂和中性脂的相互轉(zhuǎn)化沒有受到明顯的影響。同時(shí)細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基(ROS)和丙二醛(MDA)的濃度降低,超氧化物歧化酶(SOD)能夠充分清除ROS的影響,減輕了氮缺乏脅迫條件對(duì)細(xì)胞帶來的氧化損傷,脫氫酶(DHase)活性提高,使微藻保持活性,維持了微藻生物質(zhì)濃度。通過脂肪酸組分分析和生物柴油性質(zhì)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)生長素-氮缺乏協(xié)同作用不會(huì)對(duì)生物柴油的理化性質(zhì)帶來不利影響。此外,通過觀察光合色素的變化發(fā)現(xiàn)生長素可以有效地防止葉綠素的分解,且氮缺乏條件下葉綠素不是細(xì)胞內(nèi)唯一的氮庫。最后,將生長素應(yīng)用于附著系統(tǒng)中,建立了基于生長素-海水稀釋KWADE的斜板式微藻生物膜附著系統(tǒng)(IABPBR),利用廉價(jià)易得、不易被分解和可重復(fù)利用的廢棄毛絨聚酯布料作為細(xì)胞載體,SDEC-8和SDEC-18的生物質(zhì)產(chǎn)率達(dá)到了 3.66和5.66 g/m2/d,分別是不含生長素對(duì)照組的1.4倍和1.3倍,而油脂產(chǎn)率達(dá)到了 2.81和3.98g/m2/d,是對(duì)照組的1.4倍和1.2倍。在IABPBR系統(tǒng)中生長素調(diào)節(jié)了光合色素的合成以提高細(xì)胞在海水稀釋KWADE中的光合作用效率,降低了 MDA含量,使得SOD能夠充分消除ROS的影響,減輕了不利環(huán)境對(duì)細(xì)胞造成的氧化損傷,提高了 DHase活性,使細(xì)胞活性增強(qiáng)從而確保微藻細(xì)胞在面對(duì)海水稀釋KWADE的生存能力。在附著系統(tǒng)中,生長素對(duì)SDEC-18生物膜吸收營養(yǎng)物質(zhì)能力的提升效果最明顯,TN和NH4+-N的去除能力分別提高到651.70和579.99 mg/m2/d,明顯高于不添加生長素對(duì)照組的495.70和431.14 mg/m2/d,對(duì)COD的去除效率和去除能力分別達(dá)到了 97.0%和3.31 g/m2/d。綜上所述,本課題從餐廚垃圾厭氧消化液中篩選出了兩株耐受能力較強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)能源微藻SDEC-8和SDEC-18,并研究了這兩株優(yōu)質(zhì)能源微藻對(duì)生長素的響應(yīng)機(jī)制,分別在懸浮系統(tǒng)和附著系統(tǒng)中建立了兩種基于生長素促進(jìn)優(yōu)質(zhì)能源微藻生長和油脂積累的工藝并研究了其中的相關(guān)機(jī)制,提高了規(guī)�；a(chǎn)微藻生物質(zhì)的可行性,尤其是本文自主開發(fā)的基于生長素-海水稀釋餐廚垃圾厭氧消化液的IABPBR附著系統(tǒng)有效地克服了傳統(tǒng)懸浮系統(tǒng)培養(yǎng)過程中淡水資源消耗大和收獲過程中能源需求高等種種難題,對(duì)于實(shí)現(xiàn)高有機(jī)物、高氨氮廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)回收以及低成本微藻生物柴油的生產(chǎn)具有重要意義。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

?山東大學(xué)博士學(xué)位論文???是完全暴露于空氣中的，因此水分蒸發(fā)會(huì)引起大量的水分流失；（３）陽光只能滲??透到藻類塘的一定深度內(nèi)，因此光照分布的不均勻會(huì)影響微藻的生長；（４）開放??式系統(tǒng)容易受到微藻捕食者的異源生物（如原生動(dòng)物等）污染。由于這些天然存??在的各種缺陷，這種開放式藻類塘懸浮系統(tǒng)僅對(duì)能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件的微藻藻株??具有可行性［９６］。??密閉式微藻光生物反應(yīng)器（ＰＢＲ）??由于開放式藻類塘系統(tǒng)的各種缺點(diǎn)，研究人員開發(fā)了各種密閉的光生物反應(yīng)??器來培養(yǎng)微藻以保證微藻在充足光照下進(jìn)行光合作用，因此生物質(zhì)產(chǎn)率往往較高。??在各類ＰＢＲ中，管式和平板式反應(yīng)器（如圖１－３）在規(guī)�；a(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，??因?yàn)樗鼈兛梢源_保最佳的光能利用效率和氣體交換效率，根據(jù)太陽的方向改變反??應(yīng)器的布置方位，也可以使陽光捕獲效率最大化。與其他反應(yīng)器相比，近年來受??到廣泛研究的平板式反應(yīng)器的比表面積更高，使得反應(yīng)器內(nèi)部微藻受到的光照強(qiáng)??度更高，分布更均勻，因此生物質(zhì)產(chǎn)率更高，能夠達(dá)到其他反應(yīng)器的５－２０倍［１０４］。??圖１－３各種形式的微薄光生物反應(yīng)器［１０２，１０５】??Ｆｉｇ．?１－３?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｋｉｎｄｓ?ｏｆ?ａｌｇａｌ?ＰＢＲｓ?ｉｎ?ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ?［１０２，１０５］??１２??

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ?？?ＦＡＭＥ?ｐｒｏｆｉｌｅｓ?．??等?．?■??？?ＰＲＯＭＥＴＨＥＥ－ＧＡＩＡ??＊?Ｍａｔｅｒｉａｌ?ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ?？?Ｂｉｏｍａｓ：?ｐｉｇｍｅｎｔｓ?？?Ｉｍａｇｅ－Ｊ??Ｇｒｏｗｔｈ?？?Ｌｉｐｉｄ?ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ??－?？?Ｍｅｔａｂｏｌｉｔｅｓ?？?ＤＨａｓｅ；?ＲＯＳ；?ＳＯＤ；?ＭＤＡ?？?ＳＰＳＳ?Ｓｏｆｔｗａｒｅ??ｎ－Ｐ－Ｖ?１?：＾ｒｅｍ〇ｖ８，?：Ｓ；ＮＳ；＾＇Ｎ?Ｉ－?ＺＥＩＳＳ－Ｚｅｎ??圖１－７本課題的技術(shù)略線圖??Ｆｉｇ．?１－７?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｒｏａｄｍａｐ?ｏｆ?ｔｈｉｓ?ｔｈｅｓｉｓ??２８??

?山東大學(xué)博士學(xué)位論文???２．２．３．７?Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)性分析??通過Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)性分析研究了微藻生長與實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間的相關(guān)性。其中，??微藻的生物質(zhì)濃度代表微藻生長，ｐＨ、營養(yǎng)物質(zhì)濃度和氮磷比代表實(shí)驗(yàn)參數(shù)。??２．３結(jié)果與討論??２．３．１藻類生長分析??圖２－１展示了?ＫＷＡＤＥ中十株微藻的生長趨勢(shì)。在所選的十株微藻中，柵藻??＆６批辦５？７�。�?ＳＤＥＣ－８、柵藻?ＳＥＤＣ－１３、單針藻?丨ＳＤＥＣ－??１７和小球藻〇７／ｏｒｅ〃ａ?ＳＤＥＣ－１８可以在ＫＷＡＤＥ中存活，但是ＳＤＥＣ－１３和ＳＤＥＣ－??１７的長勢(shì)明顯不如ＳＤＥＣ－８和ＳＤＥＣ－１８。??小球藻ＳＤＥＣ－１８在ＫＷＡＤＥ中沒有明顯的生長適應(yīng)期，這一結(jié)果與Ｗａｎｇ??等人［７０］的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)小球藻在經(jīng)厭氧消化后的牛糞中可以很好地??生長，沒有觀察到明顯的適應(yīng)期。藻細(xì)胞在第５天達(dá)到最大生物質(zhì)濃度（０．５３?ｇ／Ｌ），??最大比生長速率為０．６２／ｄ。柵藻ＳＤＥＣ－８最大生物質(zhì)濃度也在第５天達(dá)到最大值??０．５１?ｇ／Ｌ�？梢钥闯鲈诒菊轮懈邼舛劝钡獙�(duì)ＳＤＥＣ－８和ＳＤＥＣ－１８的抑制作用并不??明顯，因此可以證明用ＫＷＡＤＥ來培養(yǎng)這兩株藻是可行的。對(duì)于ＳＤＥＣ－１３和??ＳＤＥＣ－１７來說，接種到ＫＷＡＤＥ后均有１至２天的生長適應(yīng)期，而在２天后長??勢(shì)相對(duì)較好，最大生物質(zhì)濃度分別達(dá)到０．３９?ｇ／Ｌ和０．２９?ｇ／Ｌ。而其余藻株均不能??適應(yīng)ＫＷＡＤＥ。該結(jié)果表明不同微藻對(duì)ＫＷＡＤＥ的適應(yīng)能力具有明顯的種間差??異，而ＫＷＡＤＥ中高濃度的氨氮可能是限制微藻生長的主要因素之一。??－？－ＳＤＥＣ－１８?－？－ＳＤＥＣ
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