微藻在废水处理和生物质回收再利用方面的研究进展

随着经济的发展和人口的增加,环境污染和水资源短缺已经成为不可避免的全球性问题。基于微藻的废水处理技术不仅可以净化废水、解决环境污染问题,还可以利用废水中的营养元素合成生物质,现如今这种技术已经受到越来越多的关注。为了进一步提高废水处理效果、降低废水处理成本,有必要了解微藻去除废水中营养物质和污染物的机理,开发下游低成本收获技术,提升微藻高价值副产物的生产。本文综述了微藻去除碳、氮、磷、重金属、抗生素和有机物的机理和影响因素,总结了微藻的不同收获方式和微藻生物质在各个领域的应用。最后,分析了不同微藻共培养体系和微藻固定化技术的优缺点,并展望了微藻废水处理技术未来的发展方向。     

基于微藻培养处理畜禽养殖废水的研究进展

当前规模化畜禽养殖业排放含有大量氮磷、重金属和有机污染物的粪污废水,导致生态环境遭受严重的污染,治理畜禽废水的任务迫在眉睫。由于传统畜禽废水处理方式及应用存在较多不足,基于微藻生物技术处理废水的研究得到越来越多的关注。微藻是一种广泛存在于水体中的单细胞生物,具有高效的脱氮除磷及纳污能力,其主要利用同化作用吸附污水中的氮,通过磷酸化作用吸附、沉降磷,依靠细胞膜上的官能团对重金属进行富集。基于以上生理基础,大多数微藻的氮磷吸附率和重金属富集率可以高达80%。目前微藻对畜禽废水污染组分的处理的研究主要集中在氮磷、重金属,实际应用方式多为高效藻类塘、活性藻、固定化技术、光生物反应器等。但是微藻处理畜禽废水仍存在分子机理研究较少,生产实际经验不足等问题。基于微藻处理畜禽废水的机理,通过综述若干微藻去除氮磷、重金属等污染物的效率,总结国内外微藻废水处理技术的研究及存在问题,展望了微藻废水工程发展前景。     

城市生活废水用于产油微藻培养

将废水与产油微藻培养结合起来,可以实现废水的无害化处理,还可为微藻的培养提供营养组分和大量水源。利用高产油栅藻,以城市生活废水为水源,在气泡柱式光反应器中,考察了添加不同营养组分对栅藻细胞的生长、生物质产量、总脂含量以及氮磷的去除情况的影响。结果表明：生活废水非常适合于产油微藻的培养,利用生活废水进行微藻培养中,仅需补充添加无机氮、无机磷、柠檬酸铁铵以及微量元素。但这些营养组分的加入量对藻细胞的生长、生物量和油脂积累有重要影响。在优化的废水培养基中微藻细胞浓度可达8.0 g/L左右,远高于标准BG11培养基5.0 g/L的水平。微藻细胞对于无机氮与磷有着高的吸收能力,在废水中加入185.25 mg/L以下无机氮,16.1 mg/L以下无机磷的条件下培养3~4 d后,培养液水体中未检测到有氮磷残留。由此表明利用城市生活废水培养含油微藻可以在获得微藻油脂产品的同时实现水体的无害化处理。     

废水培养微藻藻种遴选及其组分积累的研究进展

利用废水培养微藻能够降低微藻的培养成本,同时削减污染.微藻的蛋白质、多糖和油脂等组分是影响其后续资源化利用的重要因素.本文重点综述了以废水为基质培养微藻的研究进展,从组分积累的角度,分析了微藻种类的选择依据,探讨了影响微藻生长的因素和提高产量的方法,并对藻体中组分的合成机制进行了讨论,提出未来废水培养微藻技术面临的挑战...     

微藻处理废水的研究进展

微藻可以高效利用废水中的部分小分子有机质、氮和磷等污染物合成生物质,并达到处理废水的目的。近年来,利用微藻进行农业废水、工业废水、城市废水和含农药以及抗生素等有害废水的处理等有了一些新的尝试。本文中,笔者重点分析了微藻处理废水中藻种选育、藻菌共培养、藻菌絮体、工艺集成和反应器设计以及可持续综合开发等关键技术问题。其中,藻菌共培养可以发挥微藻和菌的各自优势,提高废水处理效率。藻菌絮体技术还具有便于采收的特点,具备进一步研究的潜力。针对不同废水的处理需求,笔者提出合理构建绿色可持续发展路线,推动微藻处理废水的更广泛应用。     

三种微藻对城市二级出水脱氮除磷作用的研究

利用污水培养微藻可去除废水中的氮、磷污染物, 又可以实现生物质生产的耦合。以城市二级出水做为培养基, 选取了小球藻(Chlorella sp.)、栅藻( Scenedesmus sp.)、螺旋藻(Spirulina sp.)为实验藻种, 考察3种微藻的生长特性和脱氮除磷的能力。结果表明, 所选的藻种在模拟二级出水中都能较好生长, 其中栅藻的生物量高于小球藻和螺旋藻, 最大生物量分别为0.328 g·L-1、0.264 g·L-1、0.192 g·L-1, 比生长速率为0.226 d-1、0.213 d-1、0.197 d-1。栅藻的油脂产量达97.35 mg·L-1, 高于其他两种微藻。3种微藻对模拟二级出水都具有较好的脱氮除磷效能, TP的去除率达到90%以上, TN的去除率达到80%以上。实验结果表明利用3种微藻均可达到对二级出水的深度脱氮除磷和生物质的富集。     

微藻废水生物处理技术研究进展

微藻因生长速率快、细胞脂质含量高及具有生物隔离二氧化碳能力,已作为新一代生物质能源受到广泛关注.然而,投入大量淡水资源并需在生长期间持续提供营养物质已成为规模化培育微藻的主要障碍.将微藻培育系统与废水处理相结合是经济可行的污水资源化方案.基于微藻生长期间对氮磷等营养物质的利用机制,本文综述了微藻在各类废水生物处理过程中的应用情况,着重分析了其对废水中有机与无机化合物、重金属以及病原体的去除或抑制能力.同时,考察了废水初始营养物浓度、光照、温度、pH与盐度以及气体交换量等环境因素对微藻生长代谢的影响.此外,结合微藻规模化应用所面临的问题,对微藻废水处理技术的应用前景及发展方向进行了展望,旨在为水生态系统的建设与管理提供参考.     

岩黄连细胞生长与营养物质消耗的动态学研究

在岩黄连细胞悬浮培养过程中,对培养液pH值,碳源、氮源和磷酸盐含量,以及细胞生物量和生物碱含量进行测定,分析其动态变化过程。结果显示培养液pH值在培养初期降低,后逐渐升高;碳源在培养过程中逐渐被利用,磷酸盐和氮源在培养中期几乎耗尽,其中磷酸盐的消耗速率最快;悬浮细胞的生长周期为20 d左右,第18天细胞鲜重和干重达最大,而第21天脱氢卡维丁和小檗碱的含量最高,分别为8.22mg/L和4.31mg/L。结果表明营养物质(碳、氮和磷)的吸收与细胞生长以及生物碱的合成密切相关,营养元素的相对消耗速率为磷>氮>碳,推测氮和磷是影响岩黄连细胞培养的主要因素。     

磷对霍山石斛类原球茎悬浮培养细胞生长和多糖合成的影响

在确定了最适接种量和外植体细胞生理时间的基础上,研究了在不同起始磷浓度下,霍山石斛类原球茎生长、碳、氮消耗和多糖积累的动力学特性。以生长30d的类原球茎为材料,在接种量为100g/L时,类原球茎生长的最佳起始磷浓度为2.5mmol/L,培养36d时,类原球茎鲜重达496.5g/L。动力学分析表明,磷是霍山石斛类原球茎生长的限制性因素,胞内磷的积累水平与细胞生长具有相关性,2.5mmol/L的磷酸盐有利于碳、氮等营养物质的吸收;而多糖积累的最佳起始磷浓度为0.312mmol/L,培养36d时,其产量为2.22g/L。     

微藻降解废水污染物的研究进展

微藻在废水处理方面有着很好的开发潜能和极大的优势,在去除氮、磷、富集重金属和降解有毒有机物质的同时,还能作为食品添加原料和养殖饲料等。重点针对微藻的特点及类型、水处理体系的优缺点、废水中的应用及氮磷的去除、重金属离子的富集和难降解有机物的降解机理进行了介绍,并阐述了微藻处理废水中存在的问题及展望了该领域今后的研究方向。     

微藻-细菌共生体系在废水处理中的应用

在微藻-细菌协同共生的过程中,藻类光合作用释放的氧气被异养微生物利用来矿化水体中的污染物,细菌呼吸为藻类提供二氧化碳作为碳源。近年来,藻类-细菌协同共生体系在污水处理中的应用得到了广泛的研究。本文重点综述了菌藻协同共生体系中微藻与细菌之间的三种相互作用,以及菌藻协同共生体系在废水处理中的应用。菌藻协同共生体系中的微藻与细菌通过营养交换、信号转导及基因转移等相互作用实现共赢。该体系广泛用于处理富营养化、重金属、药物、多环芳烃(polycyclicaromatic hydrocarbons,PAHs)、石油烃化合物等难降解的有机污染的水体。对于氮、磷等营养物质的去除,其主要机理涉及同化作用、厌氧氨氧化作用、硝化与反硝化作用、磷酸化作用等。对重金属、药物、石油烃化合物及其他有机化合物的去除机制主要是生物吸附、生物富集及细胞内外的生物降解。     

微生物抑制剂对黑藻（Hydrilla verticillata）分解过程及水体碳、氮、磷的影响研究

为了解微生物抑制剂对沉水植物衰亡分解以及水体碳、氮、磷的影响,在实验室模拟条件下研究了有无微生物抑制剂 条件沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）的分解过程,以及对水体与底泥碳、氮、磷的影响,并将有微生物抑制剂作为实验组,无微生物抑制剂作为对照组。结果表明：实验组沉水植物分解损失量是对照组的2.09 倍。实验组释放的碳、氮、磷量分别是对照组的2.81、1.42、1.11 倍。实验组水体碳、氮、磷含量呈现先上升后下降的变化过程,而对照组水体碳、氮、磷达到最大值后,基本保持稳定。水体碳、氮、磷的最大值,实验组条件均大于对照组,微生物抑制剂对沉水植物的分解以及在沉水植物分解过程中,对水体营养物质产生了较大的影响。因此,在进行沉水植物模拟实验时需考虑微生物对沉水植物分解的影响。     

氮和磷浓度对中肋骨条藻和锥状斯氏藻种间竞争的影响

采用室内单养和混养方法, 设置不同的氮、磷营养条件, 研究了氮、磷对中肋骨条藻(Skeletonema costatum)和锥状斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)种间竞争的影响。结果表明: 混养时各氮和磷浓度下均呈现培养初期中肋骨条藻为优势种、培养后期锥状斯氏藻为优势种的变化趋势, 但随着氮、磷浓度的升高, 中肋骨条藻作为优势种的时间延长; 与单养时相比, 混养中两种微藻的最大密度受到不同程度的抑制, 表现出氮、磷浓度越高, 受抑制的程度越大的特征, 且与锥状斯氏藻相比, 中肋骨条藻的最大密度受到抑制的程度更大。混养时两种微藻均是在氮、磷浓度最高时, 抑制起始点出现时间最长, 随着氮、磷浓度的降低, 抑制起始点出现时间缩短; 各氮、磷浓度条件下, 锥状斯氏藻对中肋骨条藻的竞争抑制参数明显高于中肋骨条藻对锥状斯氏藻的竞争抑制参数, 当氮浓度为512 μmol·L^-1、磷浓度为2 μmol·L ^-1时, 竞争结果是锥状斯氏藻获胜; 其余氮、磷浓度条件下为两种微藻不稳定共存。     

荒漠微藻的碳氧转换与调控

为了提高微藻的生物燃料生产效率及其在密闭环境中的碳氧转换效率,以两株荒漠微藻BG18-3、BE6-2和一株淡水蓝藻7924为研究对象,对其进行逆境条件培养,发现荒漠微藻BG18-3在各种逆境中表现最佳。在静态培养中,荒漠微藻BG1-3也具有明显的优势,其生物量干重达到0.26 g/L,硝态氮和磷酸盐去除率分别为36%和99%。在荒漠微藻BG18-3的通气培养中,生物干重量最高（3% CO₂通气培养16天）达到2.63 g/L,生物量产率为164.0 mg/L·d,出口CO₂浓度最低降到0.04%,O₂净含量增加0.68%,这表明荒漠微藻BG18-3具有较高的碳氧转化效率,具有生产生物燃料的潜质。最后根据18s rDNA分析结果将荒漠微藻BG18-3鉴定为栅列藻Scenedesmus littoralis。     

生物稳定塘碳、氮、磷物质迁移转化模型的研究

本研究较系统地在试验基础上建立了生物稳定塘系统内碳、氮、磷营养物质转移规律的生态学模型,并对模型进行了全面参数估值和估值的灵敏度分析,用实地塘数据对模型进行了检验。结果表明:模型结构合理,总体上能够反映碳、氮、磷在稳定塘正常运转条件下的迁移转化规律及塘内生物和生物化学反应的特征。模型参数适用,解法成功,具有广泛的应用前景。     

洞庭湖区不同利用方式对土壤微生物生物量碳氮磷的影响

以湖南省沅江市典型湖垸为代表,通过密集取样分析,研究了洞庭湖区不同利用方式条件下农田土壤微生物生物量碳、氮、磷的变化及其和土壤碳、氮、磷的关系,发现水田土壤碳、氮和微生物生物量碳、氮明显高于旱地,水田土壤中双季稻高于一季稻;土壤磷的含量旱地稍高于水田,但土壤微生物生物量磷水田稍高于旱地.尽管在水田土壤中微生物生物量碳、氮有明显的不同,但水田土壤微生物生物量磷维持在相对稳定的水平.典型样区土壤微生物生物量碳占有机碳的比例为0.65%～7.24%,平均3.00%;土壤微生物生物量氮占全氮的比例为0.98%～7.41%,平均3.81%;土壤微生物生物量磷占全磷的比例为0.16%～7.54%,平均2.80%.土壤C/N为3.87～17.31,平均9.15;BC/BN为4.06～9.29,平均7.26.土壤微生物生物量碳、氮与土壤碳、氮之间存在极其显著的线性相关关系,但土壤微生物生物量磷占全磷之间相关关系不显著.土壤微生物生物量碳、氮、磷之间的相关关系达到了极显著水平.不同的利用方式和耕作制度导致了土壤碳、氮和微生物生物量碳、氮的差异,土壤微生物生物量碳、氮能够很好地反映洞庭湖区农田土壤碳、氮水平.     

雪被去除对川西高山森林冬季土壤温度及碳、氮、磷动态的影响

气候变暖导致的雪被动态格局变化可能深刻影响高山森林生态过程.为了解气候变暖背景下雪被的减少对川西高山森林土壤生态过程的影响,2009年10月19日-2010年5月18日,采用遮雪方法,研究了雪被去除对该区冷杉原始林土壤温度和碳、氮、磷的影响.结果表明:雪被去除加大了土温日变化幅度和冻融循环频次,使土壤冻结和融化时间提前.雪被去除使土壤可溶性碳和可溶性氮、有效磷、铵态氮和硝态氮冬季含量高峰提前到雪被覆盖期;雪被覆盖期至融化期的可溶性碳和氮及硝态氮含量增加,但有效磷和铵态氮含量降低,改变了其组分比例.气候变暖引起的川西高山森林雪被减少将改变土壤外部环境条件,进而影响土壤碳、氮和磷过程.     

利用烟道气培养微藻的机制与应用

微藻生物柴油是唯一有潜力代替传统化石燃料解决交通用油问题的可再生生物能源,但其产业化主要受到微藻培养高成本的制约。工业废气(烟道气)不仅含有大量CO2,还含有硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)。因此,利用烟道气培养产油微藻既可以降低微藻生物柴油的生产成本,又可以减少温室气体和污染气体的排放。综述了微藻液体悬浮培养系统吸收、转化CO2、SOX和NOx的机理和利用烟道气培养微藻的研究与实践,基于微藻细胞具有高效吸收、转化CO2、SO2和NOx的能力,提出了建立微藻产油、固碳、脱硫、除硝一体化模式来帮助解决当前能源和环境问题的设想。     

入侵植物曼陀罗对本地植物功能性状和土壤碳、氮、磷化学计量特征的影响

为探讨不同入侵压力下入侵植物对本地植物功能性状土壤碳、氮、磷化学计量特征的影响,以入侵植物曼陀罗（Datura stramonium）及共存本地植物为研究对象,调查了无入侵区、轻度入侵区和重度入侵区（按入侵种盖度比例划分）的植物种类、株数、株高及本地植物群落的物种多样性,分析了各区入侵植物和本地植物叶片的比叶面积、碳含量、氮含量、碳氮比、叶片建成成本以及不同土层的碳、氮、磷化学计量特征。结果显示：随曼陀罗入侵压力的增加,本地植物种类及株数逐渐减少;曼陀罗株高和叶片氮含量在不同入侵压力下均显著高于本地植物,且随入侵压力的增加具有升高趋势;叶片碳氮比显著低于无入侵区本地植物;比叶面积、叶片碳含量和叶片建成成本等与入侵区本地植物相比不具有显著差异。随曼陀罗入侵压力的增加,土壤全氮含量、全碳含量、氮磷比与碳磷比显著增加,而全磷含量与碳氮比显著下降;土壤碳氮化学计量特征呈现出一定的表聚效应。这些研究结果表明,曼陀罗具有较高的资源捕获能力,并且改变了入侵地土壤特性,进而增强自身竞争能力以提高入侵力,这些可能是曼陀罗成功入侵的原因之一。     

氮磷水平对龙须菜生长和光合特性的影响

研究不同营养盐条件对龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)的生理效应, 对深入了解龙须菜与近海环境的相互作用具有重要意义。在低氮低磷(LNLP)、低氮高磷(LNHP)、高氮低磷(HNLP)和高氮高磷(HNHP) 4种营养盐条件下培养龙须菜15 d, 以探讨不同氮、磷水平对龙须菜生长和光合特性的影响。结果表明: 1) LNHP、HNLP和HNHP处理促进了龙须菜的生长, 其中HNHP处理下龙须菜具有最大的相对生长速率和生物量; 2) LNHP、HNLP和HNHP处理提高了龙须菜的光合无机碳利用能力, 其中HNHP处理下龙须菜具有最大的无机碳饱和光合速率和表观半饱和常数, 比LNLP处理分别提高了118%倍和48.71%; 3) LNHP、HNLP和HNHP处理显著影响龙须菜的光化学效率, 与LNLP处理相比, LNHP处理提高了龙须菜的光化学效率, 而HNLP和HNHP处理降低了龙须菜的光化学效率。研究结果表明, HNHP处理条件下, 龙须菜的生长和光合无机碳利用能力最高, 光化学效率最低。