微藻利用不同无机碳途径的定量方法

以莱茵衣藻和蛋白核小球藻为实验材料,通过向培养液中添加两种标记δ13 C的碳酸氢钠来培养微藻。根据获得的微藻藻体的稳定碳同位素组成,运用双同位素示踪模型,成功计算出了微藻利用不同碳源的份额。并通过添加胞外碳酸酐酶特异性抑制剂(AZ),进一步获得了微藻利用不同无机碳途径的份额。本研究建立的双同位素示踪模型是一种快速定量碳源利用途径的实用方法。     

微藻利用不同无机碳途径的定量方法

以莱茵衣藻和蛋白核小球藻为实验材料,通过向培养液中添加两种标记δ¹³C的碳酸氢钠来培养微藻。根据获得的微藻藻体的稳定碳同位素组成,运用双同位素示踪模型,成功计算出了微藻利用不同碳源的份额。并通过添加胞外碳酸酐酶特异性抑制剂(AZ),进一步获得了微藻利用不同无机碳途径的份额。本研究建立的双同位素示踪模型是一种快速定量碳源利用途径的实用方法。     

营养条件对污水中小球藻生长及产能效应的影响

以过滤的富营养化的鱼塘废水为培养液,添加外源的碳、氮、磷元素,考察污水中不同的外源无机碳浓度、总氮浓度、总磷浓度对小球藻(Chlorella vulgaris)的生长、油脂含量和烃类含量的影响。在25℃、光照强度为4 500 Lux、光暗比为12L:12D的条件下培养10 d。单因子方差分析和多重比较结果表明:(1)以Na2CO3做碳源,小球藻生物量和烃类含量在外源无机碳浓度为6 mg/L时最高,油脂含量在外源无机碳浓度为12 mg/L最高。(2)以KNO3做氮源,小球藻生物量在总氮浓度为25 mg/L时最高,油脂含量在总氮浓度为15 mg/L时最高,烃含量在总氮浓度为20 mg/L时最高。(3)以KH2PO4做磷源,小球藻生物量和烃类含量在总磷浓度为2 mg/L时最高,油脂含量在总磷浓度为1.5 mg/L时最高。     

微藻无机氮利用过程中的稳定氮同位素分馏

选用两种δ15N差异显著的铵态氮和硝态氮,分别设置不同浓度的铵态氮和硝态氮来处理莱茵衣藻和蛋白核小球藻,通过分析微藻的稳定氮同位素组成变化,来研究微藻利用不同浓度、不同形态无机氮过程中的稳定氮同位素分馏特征。结果显示,在未添加无机氮的条件下,微藻利用有机氮时,生长缓慢,稳定氮同位素基本上不存在分馏;在添加低浓度无机氮(≤20 mmol/L)时,微藻的生长和稳定氮同位素分馏都随着无机氮浓度的增加而增加;而添加高浓度无机氮(20 mmol/L)时,微藻的生长趋于稳定,铵态氮条件下的微藻稳定氮同位素分馏继续加大,而硝态氮条件下的微藻稳定氮同位素分馏反而减小,可能与此时微藻硝酸还原酶的活力减小有关。     

无机碳源对Chlorella sp. TCCC45058生长的影响

自然界中无机碳主要以CO2、HCO3-、CO32-三种形式存在,不同形式的无机碳源对微藻生长影响显著。实验结果显示,Chlorella sp.TCCC45058难以利用CO32-,却能够以CO2、HCO3-作为碳源,其最适浓度分别为12.83 mmol/L和16.51 mmol/L,实验中最高生物量达到0.95 g/L。CO32-浓度过高会显著抑制该藻的光合作用速率,而适当提高HCO3-浓度会使光合作用速率得到一定程度的提高,以CO2作碳源时该藻的光合作用速率最高,而且该速率不会因CO2浓度改变而发生明显变化。以CO32-为碳源时细胞叶绿素a含量很低,仅为9 mg/g;当HCO3-、CO2作碳源时无论浓度如何变化,细胞叶绿素a含量均无明显差异,约为14~17 mg/g。     

繁茂膜海绵间接清除养殖海水中营养盐的研究

以研究清除养殖海水中营养盐的技术方法为目的,借助微藻吸收海水中无机盐的属性和海绵泵入海水从中阻留消化微藻的能力,设计了潮间带海绵间接清除海水中营养盐的方法,即先用小球藻吸收海水中无机N、P营养盐,然后放入海绵用于阻留消化海水中的微藻,接着取出海绵以保持小球藻继续吸收无机N、P营养盐。在灭菌海水和养殖海水的体系(5 L)中,微藻初始密度分别为81×104/mL和77×104/mL、放入海绵的生物量约40 g(鲜重),在保持水体中小球藻密度与接种密度相同水平条件下,海水中无机N、P营养盐浓度分别减少约60%和90%,海绵生物量增加约5%~7%。繁茂膜海绵间接清除海水中无机N、P营养盐的技术方法在封闭海水养殖体系和工厂化海水养殖体系中具有很好的应用前景。     

小球藻捕集高浓度CO_2培养工艺的初步研究

利用自组装工艺流程对驯化后的小球藻进行CO2捕集实验和相应培养工艺条件的初步研究。由于抑制小球藻生长的主要影响因素是高浓度的CO2气体和由于CO2溶解于培养液中导致的溶液p H值的降低,为了能够优化培养工艺,在实验中设计了2种培养体系分别考察这些影响因素对藻生长的影响。实验发现高密度藻细胞培养体系对高浓度CO2和低p H环境的耐受能力要大于低密度细胞培养体系,并且生长速度和固碳能力也相应提高。这是由于高密度细胞培养体系有更好的p H缓冲能力和吸收CO2的能力。这样的培养特性为进一步优化微藻培养体系,分段培养小球藻进行大规模CO2的捕集和利用提供了有力的实验数据。     

新型微藻组合工艺去除典型抗生素的方法研究

以蛋白核小球藻和普通小球藻为实验材料,探讨了通过微藻与微藻或藻液之间的组合方案,考察去除头孢拉定、头孢他啶及阿莫西林3种抗生素的效果。结果表明微藻与微藻组合方案对于头孢拉定去除效果优于微藻与微藻培养液组合方案;抗生素浓度与微藻比生长速率呈负相关,且抗生素浓度越高,微藻比生长速率越低;等浓度混合的抗生素对于微藻生长抑制作用与单一浓度抗生素并无明显区别;"普通小球藻+蛋白核小球藻"的组合方案对与抗生素处理效果最好,头孢拉定、头孢他啶及阿莫西林在12 h内总去除率最高,分别达到了80.85%、57.98%和82.82%;头孢拉定、头孢他啶及阿莫西林等3种抗生素同时存在的条件下,微藻对于它们的处理能力在不同区段内明显不同,但同种抗生素在不同微藻中最高去除区段却相同。     

不同无机氮源对微藻HCO3-同化的影响——以蛋白核小球藻为例

碳循环和氮循环一直是全球变化领域的研究焦点,水生生物作为水环境物质循环的主要驱动者,在水生生态系统中发挥着重要的作用。微藻作为水环境中重要的光合作用单元,其对无机碳的利用机制,无机碳利用途径的定量方法均有报道,但其HCO₃^-同化对不同比例氮源的响应尚不清楚。因此,本研究通过实验室特定营养体系培养实验,模拟重碳酸盐体系,结合双向同位素标记方法研究了不同无机氮源下蛋白核小球藻(模式藻)HCO₃^-同化的影响。结果表明：在氮素营养条件一定(18 mmol/L)的情况下,不同比例无机氮对蛋白核小球藻的生长有不同的影响,当硝态氮∶铵态氮为16∶2(少量铵态氮)时,促进了蛋白核小球藻的生长繁殖,但当铵态氮占比增大时,则会抑制蛋白核小球藻的生长繁殖;不同比例的无机氮对蛋白核小球藻HCO₃^-同化也具有不同的影响,随着铵态氮占比的不断增大,蛋白核小球藻藻体的碳氮比会不断下降且趋于稳定,同时蛋白核小球藻对添加的HCO₃^-的利用份额也不...     

内置LED光源平板型光生物反应器用于微藻培养——普通小球藻在反应器中的固碳产油性能探究

为降低光生物反应器(PBR)的光照能耗和提高微藻对光能的利用效率,自制了内置LED光源的平板型光生物反应器,用于绿藻普通小球藻(Chlorella vulgaris)的培养和CO2生物固定.评价了这种新型反应器的进气CO2浓度对生物质产率(BP)、CO2固定速率(2COF)和油脂产率(LP)的影响.经过10d连续培养后,与通入空气的对照组相比,浓度1%~10%的CO2均明显促进微藻生长,BP[0.258和0.263g/(L d)]、最大2COF[1.18、1.00g CO2/(L d)]和指数生长期平均2COF[0.57、0.62g CO2/(L d)]的高值均出现在CO2 1%、2.5%处理组中.较高浓度(5%、10%)CO2在培养初期造成酸化现象,导致藻细胞密度和生物量较低.CO2浓度变化对微藻总脂含量(17.81%~23.13%)影响较小,以CO2 2.5%条件下得到微藻油脂产率最大[60.71mg/(L d)].本研究证明,所设计的平板型PBR能够高效培养用于CO2固定和生物柴油原料生产的微藻.     

氮磷比对蛋白核小球藻和塔玛亚历山大藻种间竞争的影响

通过单独培养和共同培养的方法,以Na NO3和KH2PO3为氮源和磷源,研究了氮磷比(4、6、9、10、13、16、22、36和91)对蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)和塔玛亚历山大藻(Alexandrium tamarense)生长和种间竞争的影响,并对其作用机制进行了探讨.结果表明:在单独培养模式下,蛋白核小球藻在N/P为4~22时生长适宜,N/P22时生长受抑制,而塔玛亚历山大藻在N/P为4和6时生长适宜,N/P6时生长受抑制;在共同培养模式下,蛋白核小球藻具有竞争优势,而塔玛亚历山大藻的生长受抑制,且N/P为13和16时蛋白核小球藻种群竞争优势最明显;蛋白核小球藻和塔玛亚历山大藻的培养滤液对彼此生长均未产生抑制作用,由此推测,两种微藻的种间竞争主要以资源利用性竞争为主.结果可为开发利用饵料藻进行赤潮生物防控提供一些理论依据.     

生物膜贴壁培养小球藻净化猪粪沼液废水的效果

微藻处理猪粪沼液废水是一项污水资源化生物技术.本文以小球藻为研究对象,通过贴壁培养方式,对稀释不同倍数的猪粪沼液废水进行净化处理同时提取藻细胞油脂,旨在探究小球藻贴壁培养处理猪粪沼液废水的效果,分析小球藻耐受猪粪沼液废水的氨氮浓度.将猪粪沼液废水分别稀释1倍(原水)、2倍、5倍、10倍制成培养基.测定贴壁培养小球藻对各处理组猪粪沼液废水中COD、氨氮、总氮、总磷的去除效率及对重金属铜、锌、铁的富集效果,同时探究小球藻的油脂合成情况.结果表明,当猪粪沼液废水稀释5倍时,贴壁小球藻对COD、氨氮、总氮、总磷的净化效果最佳,其去除效率分别为:86.8%、94.1%、85.2%、84.3%;油脂含量高达32.7%;对重金属铜、锌、铁的去除效率分别为:72.9%、70.0%、73.0%;培养一个周期结束时生物产率达到4.21 g·(m~2·d)~(-1).该研究将微藻与难处理的猪粪沼液废水深度净化进行了有效的结合,为实现藻类生物燃料工艺生产及降低废水处理成本提供理论基础.     

基于城市污水资源化的微藻筛选与污水预处理

利用城市污水培养微藻,可在实现污水无害化处理的同时,培养微藻回收生物质能源.污水为微藻的培养提供氮、磷等营养组分和所需水源.由于城市污水含有大量的微生物,成分复杂,且不同藻种对污水的适应性与耐受性不同,因此,需要筛选出适宜于城市污水培养和高效产脂的藻种,并研究城市污水预处理方式,以使预处理后的城市污水更适于微藻的生长与产脂.本文根据课题组前期获得的藻种在城市污水中的生长与产脂情况以及对污水的净化能力筛选出适宜于城市污水培养的藻种.其中斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)原始株与蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)离子诱变藻株生物质与油脂产量较高,经污水培养后油脂产量分别可达0.43 g·L~(-1)、0.33 g·L~(-1),且含有较多的C16~C18脂肪酸,适宜于生物柴油的制备,同时可使培养后污水中COD、NH_4~+-N、TN、TP的去除率分别达到86.4%、100%、94.3%、93.4%和81.8%、100%、94.9%、94.2%.对可规模化扩大的污水预处理方式进行研究,发现不同藻种所最适的污水预处理方式不同.对于耐污性能较强的斜生栅藻原始株,除去粗大悬浮物后的城市污水即可用于其培养.对于蛋白核小球藻诱变株,城市污水经沉淀、过滤联合预处理后适宜于其培养.     

Biomineralization in plants as a long-term carbon sink

Carbon sequestration in the global carbon cycle is almost always attributed to organic carbon storage alone, while soil mineral carbon is generally neglected. However, due to the longer residence time of mineral carbon in soils (10²–10⁶ years), if stored in large quantities it represents a potentially more efficient sink. The aim of this study is to estimate the mineral carbon accumulation due to the tropical iroko tree (Milicia excelsa) in Ivory Coast. The iroko tree has the ability to accumulate mineral carbon as calcium carbonate (CaCO₃) in ferralitic soils, where CaCO₃ is not expected to precipitate. An estimate of this accumulation was made by titrating carbonate from two characteristic soil profiles in the iroko environment and by identifying calcium (Ca) sources. The system is considered as a net carbon sink because carbonate accumulation involves only atmospheric CO₂ and Ca from Ca-carbonate-free sources. Around one ton of mineral carbon was found in and around an 80-year-old iroko stump, proving the existence of a mineral carbon sink related to the iroko ecosystem. Conservation of iroko trees and the many other biomineralizing plant species is crucial to the maintenance of this mineral carbon sink.     

利用卷枝毛霉成球特性高效收获微藻

利用卷枝毛霉孢子悬液与小球藻共培养,用过滤含藻菌球的方式来收获微藻.以人工配水为培养基,收获效率为指标,通过单因子试验和正交试验得到最佳收获条件为:pH=6.0,葡萄糖质量浓度为1.25 g·L~(-1),菌藻比为1∶250,收获效率为91.08%.对培养前后培养液中多糖质量浓度进行测定,发现小球藻在培养48 h后多糖质量浓度较培养前增加了约0.047g·L~(-1),而菌藻共培养后的混合液中多糖质量浓度为0.019 g·L~(-1).由此可知在菌藻共培养过程中,小球藻会向外分泌某些水溶性多糖物质供卷枝毛霉利用,二者有一定的共生作用.对小球藻和卷枝毛霉细胞表面Zeta电位进行测量发现,小球藻细胞表面的Zeta电位值随着藻液pH值变化波动不大;而卷枝毛霉细胞表面的Zeta电位值,随着pH值的变小,电位值可由原先最低的-37.7 m V升至-9.87 m V.由此推定菌藻相互吸附的主要机制为电中和吸附.     

细菌对城市污水中小球藻生长和油脂积累的影响

利用城市污水培养微藻,可在实现污水无害化处理的同时,培养微藻回收生物质能源.污水为微藻的培养提供氮、磷等营养组分和所需水源,同时污水中的细菌可分解污水中的有机物产生CO_2,为微藻提供生长所需碳源.菌藻混合培养既可以收获藻类,又可以净化污水,由于城市污水含有大量的原生菌类,且微藻与细菌之间存在着互生、拮抗等复杂的相互关系,因此,需要筛选出既能够适应于城市污水又能促进微藻生长和油脂积累的优势菌种.本文从不同来源的13种细菌中筛选出2种能够显著促进蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)生长和油脂积累细菌,并分析了微藻培养结束后城市污水的菌群结构.结果表明:污水中光合细菌初始吸光度D600为0.01,W4菌初始吸光度D_(600)为0.02时,对小球藻的干重和油脂产量促进作用最显著,油脂产量分别可达0.114 g·L~(-1)、0.113 g·L~(-1),油脂产量比空白对照组分别提高了22.58%、21.50%.通过对生成的脂肪酸甲酯进行气相色谱分析,结果显示光合细菌和W4菌的添加并未改变小球藻脂肪酸成分,但提升了单不饱和脂肪酸的含量,有利于提升所得生物柴油的品位.培养结束后污水的菌群结构分析显示投加细菌会降低污水中菌群的丰富度和多样性,初步判断是投加的菌在藻液中能够成为优势菌群,且实验组中丛毛单胞菌属(Comamonas)和假单胞菌属(Pseudomonas)的丰度大于对照组.     

芦苇抑藻化感物质的分离及其抑制蛋白核小球藻效果研究

采用乙醇提取、溶剂萃取法从芦苇中分离出2组能抑制蛋白核小球藻生长的化感物质. 该2组化感物质对蛋白核小球藻的半效应浓度(EC₅₀)分别为0.68mg/L和2.65mg/L. 将前者用碱性氧化铝层析柱分离得到一组抑藻活性更强的化感物质和一组能够促进蛋白核小球藻生长的化感物质: 前者对蛋白核小球藻的EC₅₀为0.50mg/L, 是目前报道的抑藻能力最强的化感物质; 后者在浓度为0.63mg/L时能显著促进蛋白核小球藻的生长. 芦苇化感物质可以用来控制淡水中有害藻类.     

蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa-15的异养培养条件优化及污水养殖

为了提高微藻的生物量及油脂产量以降低微藻生物柴油的生产成本,采用光异养培养模式对蛋白核小球藻进行培养,确定其最适生长的碳源为葡萄糖,氮源为大豆蛋白胨.采用响应面设计的方法对蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa-15光异养培养过程中的最佳碳氮源浓度进行了优化,在葡萄糖含量为17.53 g.L-1,大豆蛋白胨含量为8.67 g.L-1时,生物量最大产量为0.63 g.(L.d)-1,与模型预测结果[0.62 g.(L.d)-1]基本吻合,此时其油脂含量为19.25%,油脂产量达到121.3mg.(L.d)-1.污水养殖结果显示,在以北京市城市生活污水为培养基的情况下,微藻Chlorella pyrenoidosa-15对污水具有良好的净化能力,COD的去除率达到80.9%,总氮的去除率达到69%,同时其也具有较好的产油效率,生物量和油脂含量分别可达到1.00 g.L-1和24.12%,具有进一步研究的理论及应用价值.     

岩溶生态系统中的碳循环特征与碳汇效应

碳酸盐岩是岩溶生态系统的物质基础,而碳酸盐岩的形成过程对大气CO2浓度的降低产生重要的作用,目前地球上99.5%的碳被封存在碳酸盐岩中;岩溶生态系统具有富钙、偏碱性的地球化学背景,制约其碳循环特征:碳酸盐岩是在清洁海洋环境中、以生物化学沉积为特征形成的沉积岩,其酸不溶物含量低,通常小于10%,意味着岩溶区土壤资源短缺,土壤总碳库量偏小,同时石灰土的富钙性导致石灰土缓效性碳库和惰性碳库大,土壤碳库的稳定性提高;土壤资源短缺,植被生长发育受到养分、水分的胁迫,使植被的地上、地下生物量的比例发生变化,岩溶区植被地上/地下生物量的比例可占30%～50%,高于非岩溶区的;岩溶水中的高HCO3-浓度,刺激水生植物的光合作用,并将无机碳转化为有机碳,提高碳迁移过程中的稳定性;本文的目的是根据最近的研究成果,揭示岩溶生态系统中碳酸盐岩-土壤-植被-水中碳赋存的状态和转化过程,提出促进岩溶碳汇效应的技术途径。     

土地利用变化对喀斯特水体溶解无机碳、总氮和总磷输出的影响——以贵州普定沙湾模拟试验场为例

耦联水生光合作用的碳酸盐岩风化碳汇是全球碳循环研究的关键问题,生物碳泵效应不仅能够稳定碳酸盐风化碳汇,也有利于改善水环境,而过量输入氮、磷会导致水环境变差。土地利用变化作为全球变化重要内容之一,对流域碳氮磷的输出具有重要影响,但关于土地利用变化对喀斯特水体溶解无机碳、总氮和总磷输出影响的研究有待进一步加强。本研究以贵州普定沙湾喀斯特试验场为研究对象,以研究土地利用变化对水文、水化学、溶解无机碳汇通量、总氮通量和总磷通量的影响。结果表明,流量、径流深、土壤CO₂浓度、pCO₂、HCO₃^-浓度和电导率呈现出夏秋季节高、春冬季节低的变化特征,与pH变化相反。样地间,土壤CO₂浓度、pCO₂、HCO₃^-浓度和电导率表现为草地>灌丛地>农耕地>裸土地>裸岩地,与pH变化相反。参与岩溶作用的土壤CO₂是造成水化学变化的主要原因。溶解无机碳汇通量和总氮通量呈现出夏秋季节高、春冬季节低的变化特征,总磷通量秋季最高、春季最低。样地间,草地溶解无机碳汇通量最大,HCO₃^-浓度是决定溶解无机碳汇通量大小的主导因素。有植被覆盖的土地利用方式的总氮、总磷浓度及其通量明显低于无植被生长的类型,总氮通量灌丛地最小,总氮浓度是决定总氮通量大小的主导因素,总磷通量草地最小,而流量是决定总磷通量大小的主导因素。综上,我们认为可以通过调整土地利用方式来达到增加岩溶碳汇和改善水环境双赢的目标。