CO₂对可沉微藻油脂含量的影响
编者按：往期内容中对微藻及可沉藻相关研究进行了综述。其中，微藻可用于实现生物柴油等生物质资源与能源回收。通过“冲淘”压力则可以筛选出沉淀性能优异（SVI=17 mL/g）的可沉藻，以解决微藻分离难题。然而，从前期实验看来，高油脂含量与“可沉降”难以兼得。为此，研究旨在采用通入CO2（5%）方式刺激藻类生长，并试图获得较高的藻细胞油脂含量。结果表明，此举可有效提高产油微藻稳定性，延长微藻增长时间（35 d→56 d），获得较高叶绿素a含量（5.3 mg/L→6.4 mg/L），强化污水脱氮除磷效率，增加藻细胞油脂（11.21%）、多糖（7.20%）含量。本文发表于《中国给水排水》（2018年6月）。
文章亮点
1、在实验室条件下，通过“冲淘”压力可筛选出沉淀性能非常好的可沉藻，并且在前期富集培养出可沉藻基础上，采用通入CO2方式刺激藻类生长；
2、通入CO2可提高产油微藻稳定性，延长微藻增长时间，还可以增加细胞叶绿素a含量，提升脱氮除磷效率，提高细胞组分中油脂、多糖、蛋白质含量；
3、通过富集培养出富含油脂和多糖可沉微藻，可以为利用微藻处理污水并实现资源化、能源化目标带来了一线曙光。
通过“冲淘”压力富集可沉藻能够解决微藻分离难题，进而提升其资源回收（生物柴油）潜力。然而，前期实验中所得可沉藻油脂含量低（10%藻细胞干重）。为此，本研究试图通过通入CO2方式培养可沉状态下含油微藻，探究其对微藻生物量、沉降性能、种属特征、油脂/多糖含量等的影响。
01材料与方法
1.1 水样与藻种
试验以北京某污水处理厂出水作为水样（pH=7.24±0.3），水质如表1所示。试验前人工投加SiO2至20 mg/L。接种藻液源于同一处理厂的二沉池池壁并藉所取出水自然生长2个月（SVI=303.125 mL/g）。
表1 原水水质
1.2 试验装置
试验采用2 L烧杯作为SBR反应器（见图1），每个运行周期为1 d（进水5 min、光反应1 420 min、静置5 min、排水10 min），体积交换比（VER）为70%。其中，1#用作对比，2#反应器全程以5% CO2间歇曝气（曝3 min、停2 min，流量=6 mL/min），除此之外两反应器运行条件均相同（光照强度=3000 lx，连续搅拌转速200~300 r/min，HRT为1.43 d）。
图1 试验装置示意图
02结果与分析
2.1 种属特性
反应器前20个运行周期为可沉藻筛选阶段。此时系统内微藻生物量较低，进水中的无机碳（DIC）足以满足微生物需要，补充CO2对优势微藻种属影响较小。即，阶段末时，1#反应器富集大量硅藻（舟形硅藻和直链硅藻）；2#反应器除硅藻外仅出现部分颤藻（蓝藻）。
至第50个周期时，1#反应器出现微囊藻（蓝藻），长链硅藻断裂，残存少部分短链硅藻；2#反应器已富集出大量长链微胞藻（绿藻）和舟形硅藻，蓝藻全部被淘汰。至第100个周期时，1#反应器仍以微囊藻为主，2#反应器则出现大量直链硅藻，说明此时1#反应器中碳源明显不足，产能硅藻较难富集；而2#反应器因持续通入CO2，产能硅藻成为优势微藻。
其中，蓝藻作为一种几乎不含油脂的低能微藻， DIC浓度并非其生长的主要限制因素，致使后期生物量高而DIC匮乏时，蓝藻与长链藻竞争并占据优势。而2#反应器存在稳定DIC，能够富集出更多长链硅藻。
2.2 细胞产率与沉降性能
1#反应器中微藻生长可分为三个阶段：①线性增长阶段（0～35 d）；②生物量下降阶段（35～60 d）；③生物量回升阶段（60～100 d）（见图2）。在2#反应器中，由于营养物质与DIC充足，藻细胞大量繁殖，第1阶段时间明显延长（0～56 d）；但由于藻细胞及其密度增长迅速，遮光效果明显，致藻细胞大量死亡，导致第2阶段持续时间缩短。第3阶段时，2#反应器则处于动态平衡过程，即，光限制导致的藻细胞死亡下降与该部分藻死亡后提供给其他微藻富余生存空间而继续增长形成稳定平衡。
图2（a）显示，2#反应器的线性增长早于1#反应器，前者从第6个周期开始，后者则从第8个周期才开始。要说明的是，1#反应器由于不通CO2导致后期pH值升高到9～11，系统TSS虽然有所回升，但更多的是大量无机颗粒（VSS/TSS=54%），且其叶绿素a含量也低（与微藻细胞生长及光合速率情况呈正相关）。以上反映出CO2对2#系统生物量的刺激增长作用。到第80个周期，两系统的沉降性能均趋于稳定，沉降率保持在90%以上，似乎CO2对沉降性能并没有明显影响。
图2（b）显示，两反应器的叶绿素a变化趋势相似，但2#反应器显然具有更高的叶绿素a含量，显示出更高的光合速率。至第100个周期结束时，两反应器中叶绿素a浓度分别为5.3和6.4 mg/L，通入CO2使得叶绿素a浓度提升了20.8%。
试验后期由于生物量增长，细胞密度增加，光遮蔽现象严重导致大量微藻细胞死亡，并向水中释放出有机物，使出水TOC明显高于原水。
图2 生物量、沉降效率与叶绿素 a浓度的变化
2.3 净化效果
前期1#系统不稳定，氮去除效率即使到后期也只维持在20%左右。2#系统虽然也出现一定波动，但最终氮去除率稳定在37%左右。即，通入CO2使氮去除率提高了约17%。
对于磷，两系统的磷去除率波动较大。除微藻细胞吸收外，还存在化学沉淀作用（1#系统的pH=9~11，化学除磷严重，出水中几乎检测不出Ca2+、Mg2+；2#反应器的pH=7.5，主要为藻细胞吸磷）。在试验水质下，2#出水水质可以达到一级A标准。
2.4 细胞组分
对在30～40个周期内的藻样进行细胞组分分析，结果如图3所示。通入CO2使藻细胞油脂、多糖、蛋白质含量分别提高了11.21%、7.20%和0.29%。两反应器的细胞产率分别为33和46 mg/(L·d)，据此计算1#与2#反应器的油脂产率分别为4.0和10.7 mg/(L·d)。
图3 微藻细胞组分含量
通过尼罗红染色法可直观观测微藻细胞内油脂含量，如图4。显微图像中金黄色亮点即为油脂，揭示出硅藻（1#）和绿藻（2#）均具有产油潜能。2#系统中的绿藻也富含油脂较为新奇，揭示出通常前期只富集淀粉的绿藻，在CO2的作用下可促进微藻体内储存的淀粉向油脂转化。
图4 两种生物炭综合能耗与成本比较
总之，系统中通入CO2可提高产能微藻（硅藻、绿藻）的稳定性，延长其增长期持续时间（35 d→56 d）、获得到更高的叶绿素a含量（5.3 mg/L→6.4 mg/L）。与此同时，通入CO2后反应器的除磷效果并未出现下降，反而持续上升。更重要的是CO2的存在使微藻细胞油脂含量提升了11.21%，意味着CO2可刺激油脂增加。
03结论
通入CO2对可沉微藻培养系统微藻生物量、叶绿素a含量、净化效果及油脂含量影响很大。可沉微藻培养系统通入CO2后可增加20.8%的细胞叶绿素a含量，提升脱氮（17%）除磷（26%）效率，使细胞组分中油脂、多糖、蛋白质含量分别提高了11.21%、7.20%和0.29%。研究表明，微藻在净化污水的同时，可以富集培养出富含油脂和多糖的可沉微藻，这为利用微藻处理污水并实现资源化、能源化目标带来了一线曙光。
