方潔瓊+孫詩清+沈棟+張宇潔+戚佳娣

摘要：利用人工藻菌共生體（小球藻與靈芝菌）在光生物反應器系統(tǒng)中對原始沼氣進行了生物提純處理，以紅光：藍光為5：5的光質(zhì)，在200 μmol/（m2·s）光照強度下，考察了不同光周期（8Light：16Dark，12Light：12Dark，16Light：8Dark），在不同處理時間下的沼氣提純效果。結果表明：藻菌共生體對沼氣中CO2的去除效果受處理時間影響顯著（P<0.05），試驗啟動3～5 d去除效果增加明顯。同時，當光周期為12Light：12Dark時，CO2的去除效果為最佳，其除率可達到86.72±2.53%。

關鍵詞：藻菌共生體；光暗比；沼氣提純

中圖分類號：X712.1

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）22010003

1 引言

能源問題一直是全世界關注的主要問題，尤其是世界各國工業(yè)化進程不斷加快，能源的危機直接關系著國家的生死存亡。當前，無論能源豐富的國家或能源短缺的國家，無論是發(fā)達國家或發(fā)展中國家，都在生物質(zhì)能源方面加大了研究力度，比如生物柴油、生物制氫等研究領域均取得了可喜的成果。沼氣作為一種取之不盡、用之不竭、造價低廉的可再生的生物質(zhì)能源也長期受到研究者的青睞[1，2]。沼氣是通過厭氧發(fā)酵獲得的，但是在該生物過程中，沼氣品位低下一直是限制沼氣事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素，其中主要是CO2含量高，因此開發(fā)一種高效固碳技術是目前研究的熱點和難點[3～5]。微藻是一種增殖速率較快的自養(yǎng)植物，其生長速度遠超其他植物，但是微藻在光合作用過程中會產(chǎn)生氧氣，為沼氣的安全使用帶來隱患，使得微藻在沼氣品質(zhì)提升上受到限制。目前研究人員將真菌加入到微藻體系中，形成人工藻菌共生體，從而使微藻產(chǎn)生的氧氣被好氧真菌所吸收，提高其應用的安全性并有利于微藻的回收再利用[6～8]。為此，筆者利用自制的光生物反應器，研究了三種光周期（8Light：16Dark，12Light：12Dark，16Light：8Dark）對藻菌共生體生長及沼氣品質(zhì)提升效果的影響，從而為沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中沼氣的高效利用提供理論參考。

2 試驗部分

2.1 微藻與真菌的培養(yǎng)

所用的小球藻（Chlorella vulgaris，F(xiàn)ACHB-8）購買于中國科學院水生生物研究所，培養(yǎng)基為BG11培養(yǎng)基[9]+2%麥芽糖+0.5%酵母膏，pH值為7.0。培養(yǎng)條件采用混合光質(zhì)，光照強度為200 μmol/（m2·s），培養(yǎng)溫度為25 ± 0.5 ℃，光照周期光暗比為12 h： 12 h，每天人工搖錐形瓶3次，培養(yǎng)至生長對數(shù)期。靈芝菌種Ganoderma lucidum （菌種編號：5.765）購自中國普通微生物菌種保藏中心，培養(yǎng)基為BG11培養(yǎng)基+2%麥芽糖+0.5%酵母膏，pH值為7.0。培養(yǎng)條件為溫度28 ±0.5 ℃，轉速160 r/min，培養(yǎng)時間為72 h。

2.2 藻菌共生體培養(yǎng)

按照小球藻的終濃度為4.0×108cell/mL與靈芝菌的終濃度為1×107spores/mL的比例接種于馴化BG11培養(yǎng)基中，pH值為7.0，以2.1節(jié)中微藻的培養(yǎng)條件進行藻菌共生體的培養(yǎng)，培養(yǎng)4 d。

2.3 沼氣的處理效果

2.3.1 光生物反應器系統(tǒng)

自制光生物反應器由一個恒溫震蕩培養(yǎng)箱、吸附玻璃柱、密閉的錐形瓶和內(nèi)置10盞LED燈管組成。試驗過程中，LED燈管通過控制器可隨意關閉開啟，控制不同的光照周期光暗比；沼氣通過氣體流量計控制通入吸附柱中流量，吸附柱上端安裝CO2傳感器；錐形瓶使用橡膠塞密閉并安裝pH值、溫度傳感器，根據(jù)需要可以從錐形瓶的密封口取出樣品。整個裝置如圖1所示。

2.3.2 沼氣的預處理

沼氣取自浙江省嘉興市某養(yǎng)豬場，首先利用玻璃纖維濾紙（GF/C； Whatman，USA）對原沼氣進行了過濾，隨后利用紫外線殺菌器對過濾后的沼氣進行滅菌10min處理。其預處理后沼氣通過沼氣分析儀測定其主要成分如表1所示。

2.3.3 沼氣的處理

原始沼氣以1.0 L/（d·L）的氣體通量通入到吸附柱中，吸附柱是以20%的接種量將2.2節(jié)的藻菌共生體接種滅菌過的1 L的錐形瓶培養(yǎng)3 d后的藻菌球培養(yǎng)液填充，在光周期分別為8 Light：16 Dark，12 Light：12 Dark，16 Light：8 Dark條件下，利用圖1的光生物反應器系統(tǒng)，在預先設定的培養(yǎng)時間內(nèi)測定培養(yǎng)體系中藻菌的比生長速率、日生長量和沼氣體系中CO2的去除率。

2.4 生物量的測定

玻璃纖維濾紙（GF/C； Whatman，USA）于105 ℃烘箱中處理24 h，后置于干燥器中冷卻至室溫，稱重備用。試驗期間，每天定時從光生物反應器中吸取50 mL培養(yǎng)液，用玻璃纖維濾紙過濾，將過濾后的濾餅與濾紙同時放在100 ℃條件下干燥至恒重，根據(jù)過濾前后的質(zhì)量差值得到其生物量。按照公式（1）和（2）分別可以計算得到生物質(zhì)日生產(chǎn)量與比生長速率[10]：

3 結果與討論

3.1 不同光周期條件下藻菌共生體的生長

在不同光周期條件下，藻菌共生體均能在自制的光照生物反應器中正常生長。但對比其不同光周期處理結果如表2，可以看出當12 Light：12 Dark時，藻菌共生體均達到了最大的比生長速率和日生產(chǎn)量，分別為0.349±0.07/d和0.148± 0.004 g/（L·d）。

3.2 光周期對沼氣中CO2去除率的影響

不同光周期處理條件下，藻菌共生體對沼氣中CO2的去除率結果見表3。從表3可以看出在不同光周期處理條件下，藻菌共生體對CO2的去除效果明顯。在三種光周期中，當光暗比為12Light：12Dark與8Light：16Dark時藻菌共生體對CO2的去除效果顯著優(yōu)于16Light：8Dark（P<0.05），此時藻菌共生體均達到了最大的CO2去除效率，分別達到86.72%±2.53%，84.38%±3.62%和78.53%±4.00%。

從圖2可以看出，在3種不同光周期處理條件下，CO2去除率的變化趨勢大致相似，都是先達到最大值后下降，其中8 Light：16 Dark和12 Light：12 Dark分別在第5 d和第4 d達到最高去除效果。但從增加幅度來看，16 Light：8 Dark對CO2的去除率變化最大，前3 d處于迅速上升期，但在3～7 d迅速下降，可能由于藻菌共生體受到光的抑制所導致處理效果變小。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果表明，沼氣中CO2的去除率受處理時間影響顯著（P<0.05），實驗啟動1～5 d藻菌共生體對CO2的去除效果顯著，而隨著處理時間的延長（6～7 d）CO2的去除率有所下降，但從處理效果與節(jié)約成本考慮，在12 Light：12 Dark的條件下，處理3～4 d為最佳的處理時間。

4 結論

在不同光周期的條件下，利用小球藻與靈芝菌共生體對預處理后的沼氣進行了品質(zhì)提升，結果發(fā)現(xiàn)在12Light：12Dark的光暗比條件下，處理4 d時，CO2去除效率最佳；其次是8Light：16Dark，在第5 d達到最高值；最差的是16Light：8Dark，這與L.Meier等[12]關于光周期對微藻生物提純甲烷的結論相一致。同時，發(fā)現(xiàn)藻菌共生體對沼氣中CO2的去除效果明顯好于單一微藻并受處理時間影響顯著，實驗啟動3～5 d CO2去除效果增加明顯，其最高的去除率分別達到84.38±3.62%，86.72±2.53%和78.53±4.00%。因此為進一步開發(fā)高效的光生物反應器提升沼氣品質(zhì)提供一定的參考數(shù)據(jù)。

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Abstract： In this work， the co-cultivation of Chlorella vulgaris with Ganoderma lucidum cultured in photobioreactor were carried out to upgrade the real biogas. The effect of light/dark photoperiod were researched under difference process time on the following conditions： the ration of red andblue light qualitiesis 5：5 andthe light intensity is 200 μmol/m2·s. The selected light/dark photoperiod were 8Light：16Dark，12Light：12Dark， 16Light：8Dark. The results showed that the artificial algal-fungal symbiont has significantly higher CO2 removal efficiency （P<0.05） by process time under its treatment.In the initial time 3-5 d， the CO2 removal efficiency were increased dramatically. The12Light：12Dark photoperiod achieved the highest CO2 removal efficiency（86.72±2.53%）by the artificial algal-fungal symbiont.

Key words： algal-fungal symbiont； light/dark photoperiod； biogas upgrading