餐厨垃圾厌氧消化液耐受性能源微藻在悬浮和附着系统中生长和油脂积累的促进工艺及机制

发布时间：2020-10-31 23:41

　　 微藻因其具有生长速率快、光合速率高、土地需求低和适应能力强等优势,近年来被视为生产生物柴油的优质候选者,代替了大豆、棕榈等作物成为第三代生物燃料。然而,淡水消耗大和能量需求高等问题导致微藻生物质生产成本居高不下,严重限制了微藻生物质规模化生产。针对这一系列问题,研究人员利用各种废水作为廉价培养基以减少淡水资源消耗,但是由于废水中的各种极端环境限制了微藻的生长和油脂积累,造成微藻生物质和油脂产率不理想,因此寻求在不利环境中提高微藻生物质和油脂产率的便捷策略尤为关键。此外,由于传统悬浮培养系统中微藻生物质浓度低和收获成本高等问题,微藻生物膜附着系统成为微藻培养的新趋势,并在微藻培养中发挥着越来越重要的作用,因此对微藻培养系统的选择也同样重要。本课题以降低微藻生物质生产成本以及提高微藻在不利环境中的油脂合成为出发点,首先利用餐厨垃圾厌氧消化液(Anaerobically digested effluent from kitchen waste,KWADE)从实验室保有的十株微藻中筛选出四株耐受性优质能源微藻:栅藻 Scenedesmus SDEC-8、栅藻 Scenedesmus SDEC-13、单针藻Monoraphidium SDEC-17 和小球藻Chlorella SDEC-18,其生物质浓度分别为 0.52、0.39、0.29 和 0.54mg/L,油脂含量分别达到 33.85%、24.16%、23.88%和 34.72%。KWADE中低磷条件促进了光合作用固定的碳更多地流向甘油三酯(TAG)生物合成途径,提高了微藻细胞的油脂含量。SDEC-18表现出了较出色的脱氮能力,氮平均产率系数(N-AYC)达到53.1 mg/g,明显高于其余藻株。依据脂肪酸组分评价生物柴油性质发现在KWADE中SDEC-8和SDEC-18合成的生物柴油均符合中国、美国和欧盟的标准。依据生物柴油性质、细胞油脂含量和产率为准则,利用PROMETHEE-GAIA分析法对这四株微藻进一步排序,发现SDEC-8和SDEC-18是最适合用于生产生物柴油的藻株。其次,利用外源添加生长素的手段提高这两株优质能源微藻的性能,发现农用复合生长素(吲哚丁酸和萘乙酸)对微藻的生长和油脂积累的作用效果明显。两株藻的最佳生长素适用浓度均为20 mg/L,SDEC-8和SDEC-18的生物质浓度分别较BG11对照组增加了约59.3%和76.6%,油脂含量分别是对照组的3.0倍和2.8倍。生长素促进了碳水化合物向油脂的转化,提高了细胞内的油脂含量。在BG11培养基中生长素对光合色素的组成影响不明显,其对光合作用的影响可能主要表现为对暗反应阶段的促进作用。而生长素的添加提高了细胞内的脱氢酶DHase活性,优化了油脂合成的内环境。同时微藻细胞膜的通透性增加,细胞膜上的质子泵被激活,使细胞内的H+外排,调节了培养基的pH,优化了细胞生长的外环境。此外,生长素改变了细胞形态,使细胞体积变大,有利于藻细胞对营养物质的吸收,SDEC-8和SDEC-18的氮磷平均产率系数之比(N-AYC/P-AYC)分别是对照组的1.8倍和2.4倍,说明微藻吸收同化氮的能力得到明显提高。因此,生长素在促进微藻处理废水,尤其是对高氮浓度废水的处理中,呈现出光明的前景。再次,将生长素应用于悬浮系统中,建立了生长素-氮缺乏微藻悬浮培养系统,发现在氮缺乏不利环境下生长素对微藻性能的提升作用明显。当生长素浓度为20 mg/L时,氮缺乏条件下SDEC-8和SDEC-18的生物质浓度是未添加生长素实验组的1.4倍和1.5倍,油脂产率均分别是BG11对照组的2.4倍。在氮缺乏条件下,生长素刺激碳水化合物向油脂的转化是增强油脂合成的关键因素之一,而极性脂和中性脂的相互转化没有受到明显的影响。同时细胞内活性氧自由基(ROS)和丙二醛(MDA)的浓度降低,超氧化物歧化酶(SOD)能够充分清除ROS的影响,减轻了氮缺乏胁迫条件对细胞带来的氧化损伤,脱氢酶(DHase)活性提高,使微藻保持活性,维持了微藻生物质浓度。通过脂肪酸组分分析和生物柴油性质评价发现生长素-氮缺乏协同作用不会对生物柴油的理化性质带来不利影响。此外,通过观察光合色素的变化发现生长素可以有效地防止叶绿素的分解,且氮缺乏条件下叶绿素不是细胞内唯一的氮库。最后,将生长素应用于附着系统中,建立了基于生长素-海水稀释KWADE的斜板式微藻生物膜附着系统(IABPBR),利用廉价易得、不易被分解和可重复利用的废弃毛绒聚酯布料作为细胞载体,SDEC-8和SDEC-18的生物质产率达到了 3.66和5.66 g/m2/d,分别是不含生长素对照组的1.4倍和1.3倍,而油脂产率达到了 2.81和3.98g/m2/d,是对照组的1.4倍和1.2倍。在IABPBR系统中生长素调节了光合色素的合成以提高细胞在海水稀释KWADE中的光合作用效率,降低了 MDA含量,使得SOD能够充分消除ROS的影响,减轻了不利环境对细胞造成的氧化损伤,提高了 DHase活性,使细胞活性增强从而确保微藻细胞在面对海水稀释KWADE的生存能力。在附着系统中,生长素对SDEC-18生物膜吸收营养物质能力的提升效果最明显,TN和NH4+-N的去除能力分别提高到651.70和579.99 mg/m2/d,明显高于不添加生长素对照组的495.70和431.14 mg/m2/d,对COD的去除效率和去除能力分别达到了 97.0%和3.31 g/m2/d。综上所述,本课题从餐厨垃圾厌氧消化液中筛选出了两株耐受能力较强的优质能源微藻SDEC-8和SDEC-18,并研究了这两株优质能源微藻对生长素的响应机制,分别在悬浮系统和附着系统中建立了两种基于生长素促进优质能源微藻生长和油脂积累的工艺并研究了其中的相关机制,提高了规模化生产微藻生物质的可行性,尤其是本文自主开发的基于生长素-海水稀释餐厨垃圾厌氧消化液的IABPBR附着系统有效地克服了传统悬浮系统培养过程中淡水资源消耗大和收获过程中能源需求高等种种难题,对于实现高有机物、高氨氮废水中的营养物质回收以及低成本微藻生物柴油的生产具有重要意义。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X703
【部分图文】：

?山东大学博士学位论文???是完全暴露于空气中的，因此水分蒸发会引起大量的水分流失；（３）阳光只能渗??透到藻类塘的一定深度内，因此光照分布的不均匀会影响微藻的生长；（４）开放??式系统容易受到微藻捕食者的异源生物（如原生动物等）污染。由于这些天然存??在的各种缺陷，这种开放式藻类塘悬浮系统仅对能适应恶劣环境条件的微藻藻株??具有可行性［９６］。??密闭式微藻光生物反应器（ＰＢＲ）??由于开放式藻类塘系统的各种缺点，研究人员开发了各种密闭的光生物反应??器来培养微藻以保证微藻在充足光照下进行光合作用，因此生物质产率往往较高。??在各类ＰＢＲ中，管式和平板式反应器（如图１－３）在规模化生产中应用较为广泛，??因为它们可以确保最佳的光能利用效率和气体交换效率，根据太阳的方向改变反??应器的布置方位，也可以使阳光捕获效率最大化。与其他反应器相比，近年来受??到广泛研究的平板式反应器的比表面积更高，使得反应器内部微藻受到的光照强??度更高，分布更均匀，因此生物质产率更高，能够达到其他反应器的５－２０倍［１０４］。??图１－３各种形式的微薄光生物反应器［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??图１－７本课题的技术略线图??Ｆｉｇ．?１－７?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｒｏａｄｍａｐ?ｏｆ?ｔｈｉｓ?ｔｈｅｓｉｓ??２８??

?山东大学博士学位论文???２．２．３．７?Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析??通过Ｐｅａｒｓｏｎ相关性分析研究了微藻生长与实验参数之间的相关性。其中，??微藻的生物质浓度代表微藻生长，ｐＨ、营养物质浓度和氮磷比代表实验参数。??２．３结果与讨论??２．３．１藻类生长分析??图２－１展示了?ＫＷＡＤＥ中十株微藻的生长趋势。在所选的十株微藻中，栅藻??＆６批办５？７！／５?ＳＤＥＣ－８、栅藻?ＳＥＤＣ－１３、单针藻?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的长势明显不如ＳＤＥＣ－８和ＳＤＥＣ－１８。??小球藻ＳＤＥＣ－１８在ＫＷＡＤＥ中没有明显的生长适应期，这一结果与Ｗａｎｇ??等人［７０］的研究结果一致，他们发现小球藻在经厌氧消化后的牛粪中可以很好地??生长，没有观察到明显的适应期。藻细胞在第５天达到最大生物质浓度（０．５３?ｇ／Ｌ），??最大比生长速率为０．６２／ｄ。栅藻ＳＤＥＣ－８最大生物质浓度也在第５天达到最大值??０．５１?ｇ／Ｌ。可以看出在本章中高浓度氨氮对ＳＤＥＣ－８和ＳＤＥＣ－１８的抑制作用并不??明显，因此可以证明用ＫＷＡＤＥ来培养这两株藻是可行的。对于ＳＤＥＣ－１３和??ＳＤＥＣ－１７来说，接种到ＫＷＡＤＥ后均有１至２天的生长适应期，而在２天后长??势相对较好，最大生物质浓度分别达到０．３９?ｇ／Ｌ和０．２９?ｇ／Ｌ。而其余藻株均不能??适应ＫＷＡＤＥ。该结果表明不同微藻对ＫＷＡＤＥ的适应能力具有明显的种间差??异，而ＫＷＡＤＥ中高浓度的氨氮可能是限制微藻生长的主要因素之一。??－？－ＳＤＥＣ－１８?－？－ＳＤＥＣ
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本文编号：2864683