賀立燕 韓笑天 俞志明①

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

生物質(zhì)能源作為一種來(lái)源廣泛的可再生能源, 其開(kāi)發(fā)利用不僅有助于緩解化石燃料日益枯竭給全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的能源危機(jī), 還可以減少主要溫室氣體CO2的排放, 有利于維護(hù)生態(tài)平衡, 改善人類(lèi)生存環(huán)境。與生物質(zhì)能源的傳統(tǒng)原料農(nóng)作物相比, 微藻養(yǎng)殖具有節(jié)水、不占用耕地資源、能耗和CO2排放量低、養(yǎng)分需求低以及終產(chǎn)物應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)勢(shì)(Varfolomeev et al, 2011), 是產(chǎn)生物柴油的優(yōu)秀而有前景的原料來(lái)源(Chisti, 2007)。然而, 從微藻到生物柴油是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程(李元廣等, 2009; Gong et al,2011; Lam et al, 2012; Rawat et al, 2013), 其中涉及高含油藻種的篩選(Duong et al, 2012)、基因工程方式改造(Radakovits et al, 2010; Korkhovoy et al, 2013)、培養(yǎng)條件優(yōu)化(Wang et al, 2012)、收獲與油脂提取方式優(yōu)化(Halim et al, 2012; Kim et al, 2013)及戶(hù)外大規(guī)模培養(yǎng)(Li et al, 2013; Shurin et al, 2013)等方面的問(wèn)題。在此過(guò)程中, 選擇一個(gè)合適的評(píng)價(jià)方法來(lái)判定適宜規(guī)?；瘧?yīng)用的微藻藻種無(wú)疑是非常關(guān)鍵的。目前, 國(guó)際上仍沒(méi)有統(tǒng)一的分級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判別微藻產(chǎn)生物柴油的潛力。國(guó)內(nèi)學(xué)者引入了模糊綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的3株微藻產(chǎn)生物柴油的應(yīng)用潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)(張齊等, 2010), 為適宜應(yīng)用藻種的篩選提供了一種新的思路。然而該評(píng)價(jià)方法摻入了過(guò)多的主觀評(píng)判因素, 各指標(biāo)的權(quán)重皆由人為確定, 降低了該方法的客觀性。

權(quán)重的設(shè)計(jì)在模糊綜合評(píng)價(jià)中是一項(xiàng)重要內(nèi)容,對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有重要影響。熵權(quán)法以其賦權(quán)靈活性與客觀性的優(yōu)勢(shì), 已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用(宋保維等,2001; 謝赤等, 2002; 周文華等, 2005; 高長(zhǎng)波等, 2006;李萍等, 2007; 章穗等, 2010)。本研究將熵權(quán)法引入微藻生產(chǎn)生物柴油過(guò)程涉及的關(guān)鍵指標(biāo)的賦權(quán), 根據(jù)選定指標(biāo)的變異程度, 利用信息熵計(jì)算出各指標(biāo)的熵權(quán),再通過(guò)熵權(quán)對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正, 從而得到較為客觀的指標(biāo)權(quán)重, 以此評(píng)價(jià)產(chǎn)生物柴油微藻的開(kāi)發(fā)潛力。研究結(jié)合青島地區(qū)不同季節(jié)的溫度特點(diǎn), 擬選出能夠有效利用發(fā)電廠排出廢氣中的 CO2作為碳源, 適宜在戶(hù)外條件下進(jìn)行生物柴油生產(chǎn)的微藻藻種。

1 材料與方法

1.1 藻株、培養(yǎng)條件及指標(biāo)測(cè)定方法

本實(shí)驗(yàn)選用9株微藻, 其中包括3株低溫藻株: 微擬球藻(Nannochloropsis sp. ZL-12)、小球藻(Chlorella sp. ZL-33)和小球藻(Chlorella sp. ZL-45), 3株中溫藻株:球等鞭金藻(Isochrysis galbana C5001)、等鞭金藻(Isochrysis sp. C5002)和微擬球藻(Nannochloropsis sp.C7001), 3株高溫藻株: 微擬球藻(Nannochloropsis sp.JN1)、綠色巴夫藻(Pavlova viridis JN2)和小球藻(Chlorella sp. JN3)。文中所用到的指標(biāo)數(shù)據(jù)由國(guó)家海洋局第一海洋研究所鄭立研究員提供。

采用 f/2培養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)鹽配方, 培養(yǎng)用海水取自青島匯泉灣附近, 鹽度為 32±1, pH值為 7.9±0.1, 經(jīng)孔徑為0.45μm的混合纖維素膜過(guò)濾121°C高壓濕熱滅菌 30min, 室溫冷卻后備用, 光照為 4000lx, 光暗比(L/D)為 12h∶12h。

實(shí)驗(yàn)選取10、15、20、25、30和35°C六個(gè)溫度分別培養(yǎng)9株微藻, 從而確定適宜溫度。分別向9株培養(yǎng)的微藻通入不同濃度為 5%和 10%的 CO2, 觀察微藻的生物量積累情況, 確定CO2耐受性。破壁難易度以30Mp破壁率衡量(張齊等, 2010)。9株微藻生長(zhǎng)至平臺(tái)期后離心收集, 真空冷凍干燥后稱(chēng)取20mg左右的藻體, 采用改進(jìn)的 Bligh-Dyer法提取總脂(Bligh et al, 1959), 采用氣-質(zhì)聯(lián)用(5975 CMSD和7890 GC,安捷倫公司)法測(cè)定脂肪酸的組成。

1.2 用熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重的步驟

熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重包括以下三個(gè)步驟(邱宛華, 2002):

(1) 原始數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

(2) 定義熵H

在有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo), n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)估問(wèn)題中,第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為:

(3) 定義熵權(quán)w

定義了第i個(gè)指標(biāo)的熵之后, 第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)

2 結(jié)果與討論

2.1 各指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

對(duì) 9株微藻 ZL-12、ZL-33、ZL-45、C5001、C5002、C7001、JN1、JN2和 JN3各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果如表 1所示。其中, 油脂組成以適宜生產(chǎn)生物柴油的脂肪酸組成, 即C14—C18系脂肪酸的百分含量表示; 油脂產(chǎn)率及油脂組成范圍以不同微藻適宜溫度下測(cè)定結(jié)果表示。

2.2 評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)集

本研究中, 評(píng)價(jià)對(duì)象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45,C5001, C5002, C7001, JN1, JN2, JN3｝。張齊等(2010)將產(chǎn)生物柴油微藻藻種評(píng)價(jià)體系總結(jié)劃分為生理生化指標(biāo)(0.35)、培養(yǎng)工藝指標(biāo)(0.40)和后處理指標(biāo)(0.25)三個(gè)一級(jí)指標(biāo), 本研究從以上三個(gè)一級(jí)指標(biāo)中分別選取 1—2個(gè)權(quán)重高的二級(jí)指標(biāo)研究, 并將生理生化指標(biāo)中的生長(zhǎng)速率和含油率合并以油脂產(chǎn)率表示,總結(jié)出評(píng)價(jià)因子集 F=｛油脂產(chǎn)率, 油脂組成, CO2耐受性, 破壁難易度, 溫度適應(yīng)性｝。

2.3 單因子評(píng)判矩陣的確定及指標(biāo)賦權(quán)

定義原始矩陣:

其中對(duì)應(yīng)的對(duì)象及指標(biāo)如表2所示:

由于油脂產(chǎn)率和油脂組成兩項(xiàng)指標(biāo)的值為范圍,需要先將該范圍換算成定值, 初始化; 對(duì)于這兩項(xiàng)指標(biāo), 其評(píng)價(jià)對(duì)象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45, C5001,C5002, C7001, JN1, JN2, JN3｝; 對(duì)于油脂產(chǎn)率, 評(píng)價(jià)因子集 F=｛油脂產(chǎn)率低值, 油脂產(chǎn)率高值, 油脂產(chǎn)率浮動(dòng)差值｝; 其中前兩因子大者為優(yōu), 采用公式最后一因子小者為優(yōu), 采用公式類(lèi)似地, 對(duì)于油脂組成, 評(píng)價(jià)因子集 F=｛油脂組成低值, 油脂組成高值, 油脂組成浮動(dòng)差值｝; 其中前兩因子大者為優(yōu), 采用公式, 最后一因子小者為優(yōu), 采用公式

對(duì)于 CO2耐受性這一指標(biāo), 其評(píng)價(jià)對(duì)象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45, C5001, C5002, C7001, JN1,JN2, JN3｝; 評(píng)價(jià)因子集 F=｛CO2耐受性范圍｝, 該因子大者為優(yōu), 采用公式將本研究中破壁難易度按照容易與不易換算成定值, 容易定義為1, 不易定義為0.5。

表3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始值Tab.3 The original values of evaluation indices

表1 9株不同富油藻株關(guān)鍵指標(biāo)一覽表Tab.1 Key indexes and values of 9 oil- rich microalgae strains

表2 原始矩陣對(duì)應(yīng)的指標(biāo)Tab.2 The corresponding indexes of the original matrix表2 原始矩陣對(duì)應(yīng)的指標(biāo)Tab.2 The corresponding indexes of the original matrix

表2 原始矩陣對(duì)應(yīng)的指標(biāo)Tab.2 The corresponding indexes of the original matrix表2 原始矩陣對(duì)應(yīng)的指標(biāo)Tab.2 The corresponding indexes of the original matrix

青島地區(qū)夏秋季節(jié)溫度浮動(dòng)范圍為 18—24°C,評(píng)價(jià)對(duì)象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45, C5001, C5002,C7001, JN1, JN2, JN3｝; 評(píng)價(jià)因子集F=｛最適溫度與低值差值, 最適溫度與高值差值｝, 二因子皆小者為優(yōu), 采用公式類(lèi)似地, 春季溫度浮動(dòng)范圍為 3—10°C, 冬季溫度浮動(dòng)范圍為 1—7°C;評(píng)價(jià)對(duì)象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45, C5001, C5002,C7001, JN1, JN2, JN3｝; 評(píng)價(jià)因子集F=｛最適溫度與低值差值, 最適溫度與高值差值｝, 二因子皆小者為優(yōu), 采用公式。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始值如表3所示, 將原始數(shù)據(jù)計(jì)算并初始化得到表4結(jié)果。由于不同季節(jié)溫度變化范圍存在差異, 溫度適應(yīng)性指標(biāo)在不同季節(jié)的數(shù)值也有所區(qū)別。其中春季和冬季相同, 夏秋季相同。

2.4 權(quán)重計(jì)算

基于表4的數(shù)據(jù), 根據(jù)熵權(quán)計(jì)算公式得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)如表5所示。各指標(biāo)在不同季節(jié)權(quán)重由大到小的排序相同, 依次為溫度適應(yīng)性、油脂產(chǎn)率、破壁難易度、CO2耐受性和油脂組成, 但具體所占權(quán)重大小有差異。其中溫度適應(yīng)性一指標(biāo)在四個(gè)季節(jié)中的權(quán)重最大(春冬季為0.801, 夏秋季為0.467)。

2.5 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)不同季節(jié)各指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算, 得出春冬季開(kāi)發(fā)潛力由大到小為: ZL-12、ZL-33、ZL-45、C5001、C5002、C7001、JN2、JN3、JN1, 而夏秋季開(kāi)發(fā)潛力由大到小為: C5001、C5002、C7001、ZL-12、ZL-33、ZL-45、JN2、JN3、JN1。

表4 原始數(shù)據(jù)初始化結(jié)果Tab.4 Normalization of the original data

表5 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)Tab.5 Entropy weight of all evaluation indices

表6 各評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)值Tab.6 The evaluation values of all the objects

3 結(jié)論

用熵權(quán)法對(duì)各指標(biāo)計(jì)算賦權(quán)使研究結(jié)果更加客觀, 可有效地反映出藻種產(chǎn)生物柴油的性能, 在實(shí)踐中具有一定的實(shí)用性。在具體的評(píng)價(jià)過(guò)程中, 可以根據(jù)實(shí)際可獲得的數(shù)據(jù)豐富評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前, 張齊等(2010)結(jié)合已有的規(guī)范和研究結(jié)果總結(jié)出了產(chǎn)生物柴油的微藻藻種評(píng)價(jià)體系表, 其中包括3項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)和18項(xiàng)二級(jí)指標(biāo), 從系統(tǒng)工程角度上, 該評(píng)價(jià)體系較全面地指出了需考察的指標(biāo), 具有一定的指導(dǎo)性。然而在指標(biāo)的權(quán)重方面, 該體系采取了固定的權(quán)重, 在具體的實(shí)踐應(yīng)用中有一定的弊端, 針對(duì)性不強(qiáng)。

本研究運(yùn)用熵權(quán)法賦權(quán)計(jì)算得出了9株實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的微藻在不同季節(jié)的產(chǎn)生物柴油的開(kāi)發(fā)潛力,選取了生理生化指標(biāo)油脂產(chǎn)率和油脂組成、培養(yǎng)工藝指標(biāo) CO2耐受性和溫度適應(yīng)性以及后處理指標(biāo)破壁難易度為評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo), 有針對(duì)性地得出了不同季節(jié)下適宜開(kāi)發(fā)的藻種。結(jié)果表明不同季節(jié)適宜開(kāi)發(fā)的藻種存在差異, 在本研究選取的五項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算基礎(chǔ)上, 春冬季開(kāi)發(fā)潛力最大的為微擬球藻(Nannochloropsis sp. ZL-12), 而夏秋季開(kāi)發(fā)潛力最大的為球等鞭金藻(Isochrysis galbana C5001), 研究結(jié)果為實(shí)際的戶(hù)外應(yīng)用提供了理論依據(jù)。本研究初步選取了生物柴油生產(chǎn)過(guò)程中的幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)考察, 在實(shí)際的評(píng)價(jià)過(guò)程中多指標(biāo)的選取結(jié)合熵權(quán)法賦權(quán)會(huì)產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果, 從而為產(chǎn)生物柴油微藻藻種的選擇提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)。

李 萍, 魏朝富, 邱道持, 2007. 基于熵權(quán)法賦權(quán)的區(qū)域耕地整理潛力評(píng)價(jià). 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 23(6): 536—541

李元廣, 譚天偉, 黃英明, 2009. 微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化技術(shù)中的若干科學(xué)問(wèn)題及其分析. 中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué), 11(5): 64—70

邱宛華, 2002. 管理決策與應(yīng)用熵學(xué). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,193—196

宋保維, 潘 光, 胡欲立等, 2001. 基于熵權(quán)的魚(yú)雷系統(tǒng)模糊層次分析與評(píng)判. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐, 21(4): 129—132

張 齊, 鄭洪立, 唐小紅等, 2010. 基于模糊綜合評(píng)價(jià)的產(chǎn)生物柴油微藻藻種篩選. 中國(guó)生物工程雜志, 30(5): 69—75

周文華, 王如松, 2005. 基于熵權(quán)的北京城市生態(tài)系統(tǒng)健康模糊綜合評(píng)價(jià). 生態(tài)學(xué)報(bào), 25(12): 3244—3251

高長(zhǎng)波, 陳新庚, 韋朝海等, 2006. 熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)法在城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 17(10): 1923—1927

章 穗, 張 梅, 遲國(guó)泰, 2010. 基于熵權(quán)法的科學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)模型及其實(shí)證研究. 管理學(xué)報(bào), 7(1): 34—42

謝 赤, 鐘 贊, 2002. 熵權(quán)法在銀行經(jīng)營(yíng)績(jī)效綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用. 中國(guó)軟科學(xué), (9): 107—110

Bligh E G, Dyer W J, 1959. A rapid method of total lipid extraction and purification. Canadian Journal of Biochemistry and Physiology, 37(8): 911—917

Chisti Y, 2007. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, 25: 294—306

Duong V T, Li Y, Nowak E et al, 2012. Microalgae isolation and selection for prospective biodiesel production. Energies,5(6): 1835—1849

Gong Y M, Jiang M L, 2011. Biodiesel production with microalgae as feedstock: from strains to biodiesel.Biotechnology Letters, 33(7):1269—1284

Halim R, Danquah M K, Webley P A, 2012. Extraction of oil from microalgae for biodiesel production: A review.Biotechnology Advances, 30(3): 709—732

Kim J, Yoo G, Lee H et al, 2013. Methods of downstream processing for the production of biodiesel from microalgae.Biotechnology Advances, 31(6): 862—876

Korkhovoy V I, Blume Y B, 2013. Biodiesel from microalgae:Ways for increasing the effectiveness of lipid accumulation by genetic engineering methods. Cytology and Genetics,47(6): 349—358

Lam M K, Lee K T, 2012. Microalgae biofuels: A critical review of issues, problems and the way forward. Biotechnology Advances, 30(3): 673—690

Li S W, Luo S J, Guo R B, 2013. Efficiency of CO2fixation by microalgae in a closed raceway pond. Bioresource Technology, 136: 267—272

Radakovits R, Jinkerson R E, Darzins A et al, 2010. Genetic engineering of algae for enhanced biofuel production.Eukaryotic Cell, 9(4): 486—501

Rawat I, Kumar R R, Mutanda T et al, 2013. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Applied Energy, 103: 444—467

Shurin J B, Abbott R L, Deal M S et al, 2013. Industrial-strength ecology: trade-offs and opportunities in algal biofuel production. Ecology Letters, 16(11): 1393—1404

Varfolomeev S D, Wasserman L A, 2011. Microalgae as source of biofuel, food, fodder, and medicines. Applied Biochemistry and Microbiology, 47(9):789—807

Wang H Y, Xiong H R, Hui Z L et al, 2012. Mixotrophic cultivation of Chlorella pyrenoidosa with diluted primary piggery wastewater to produce lipids. Bioresource Technology, 104: 215—220