光周期对人工藻菌共生体提纯沼气效果研究

方洁琼+孙诗清+沈栋+张宇洁+戚佳娣

摘要：利用人工藻菌共生体（小球藻与灵芝菌）在光生物反应器系统中对原始沼气进行了生物提纯处理，以红光：蓝光为5：5的光质，在200 μmol/（m2·s）光照强度下，考察了不同光周期（8Light：16Dark，12Light：12Dark，16Light：8Dark），在不同处理时间下的沼气提纯效果。结果表明：藻菌共生体对沼气中CO2的去除效果受处理时间影响显著（P<0.05），试验启动3～5 d去除效果增加明显。同时，当光周期为12Light：12Dark时，CO2的去除效果为最佳，其除率可达到86.72±2.53%。

关键词：藻菌共生体；光暗比；沼气提纯

中图分类号：X712.1

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22010003

1 引言

能源问题一直是全世界关注的主要问题，尤其是世界各国工业化进程不断加快，能源的危机直接关系着国家的生死存亡。当前，无论能源丰富的国家或能源短缺的国家，无论是发达国家或发展中国家，都在生物质能源方面加大了研究力度，比如生物柴油、生物制氢等研究领域均取得了可喜的成果。沼气作为一种取之不尽、用之不竭、造价低廉的可再生的生物質能源也长期受到研究者的青睐[1，2]。沼气是通过厌氧发酵获得的，但是在该生物过程中，沼气品位低下一直是限制沼气事业可持续发展的主要因素，其中主要是CO2含量高，因此开发一种高效固碳技术是目前研究的热点和难点[3～5]。微藻是一种增殖速率较快的自养植物，其生长速度远超其他植物，但是微藻在光合作用过程中会产生氧气，为沼气的安全使用带来隐患，使得微藻在沼气品质提升上受到限制。目前研究人员将真菌加入到微藻体系中，形成人工藻菌共生体，从而使微藻产生的氧气被好氧真菌所吸收，提高其应用的安全性并有利于微藻的回收再利用[6～8]。为此，笔者利用自制的光生物反应器，研究了三种光周期（8Light：16Dark，12Light：12Dark，16Light：8Dark）对藻菌共生体生长及沼气品质提升效果的影响，从而为沼气产业发展过程中沼气的高效利用提供理论参考。

2 试验部分

2.1 微藻与真菌的培养

所用的小球藻（Chlorella vulgaris，FACHB-8）购买于中国科学院水生生物研究所，培养基为BG11培养基[9]+2%麦芽糖+0.5%酵母膏，pH值为7.0。培养条件采用混合光质，光照强度为200 μmol/（m2·s），培养温度为25 ± 0.5 ℃，光照周期光暗比为12 h： 12 h，每天人工摇锥形瓶3次，培养至生长对数期。灵芝菌种Ganoderma lucidum （菌种编号：5.765）购自中国普通微生物菌种保藏中心，培养基为BG11培养基+2%麦芽糖+0.5%酵母膏，pH值为7.0。培养条件为温度28 ±0.5 ℃，转速160 r/min，培养时间为72 h。

2.2 藻菌共生体培养

按照小球藻的终浓度为4.0×108cell/mL与灵芝菌的终浓度为1×107spores/mL的比例接种于驯化BG11培养基中，pH值为7.0，以2.1节中微藻的培养条件进行藻菌共生体的培养，培养4 d。

2.3 沼气的处理效果

2.3.1 光生物反应器系统

自制光生物反应器由一个恒温震荡培养箱、吸附玻璃柱、密闭的锥形瓶和内置10盏LED灯管组成。试验过程中，LED灯管通过控制器可随意关闭开启，控制不同的光照周期光暗比；沼气通过气体流量计控制通入吸附柱中流量，吸附柱上端安装CO2传感器；锥形瓶使用橡胶塞密闭并安装pH值、温度传感器，根据需要可以从锥形瓶的密封口取出样品。整个装置如图1所示。

2.3.2 沼气的预处理

沼气取自浙江省嘉兴市某养猪场，首先利用玻璃纤维滤纸（GF/C； Whatman，USA）对原沼气进行了过滤，随后利用紫外线杀菌器对过滤后的沼气进行灭菌10min处理。其预处理后沼气通过沼气分析仪测定其主要成分如表1所示。

2.3.3 沼气的处理

原始沼气以1.0 L/（d·L）的气体通量通入到吸附柱中，吸附柱是以20%的接种量将2.2节的藻菌共生体接种灭菌过的1 L的锥形瓶培养3 d后的藻菌球培养液填充，在光周期分别为8 Light：16 Dark，12 Light：12 Dark，16 Light：8 Dark条件下，利用图1的光生物反应器系统，在预先设定的培养时间内测定培养体系中藻菌的比生长速率、日生长量和沼气体系中CO2的去除率。

2.4 生物量的测定

玻璃纤维滤纸（GF/C； Whatman，USA）于105 ℃烘箱中处理24 h，后置于干燥器中冷却至室温，称重备用。试验期间，每天定时从光生物反应器中吸取50 mL培养液，用玻璃纤维滤纸过滤，将过滤后的滤饼与滤纸同时放在100 ℃条件下干燥至恒重，根据过滤前后的质量差值得到其生物量。按照公式（1）和（2）分别可以计算得到生物质日生产量与比生长速率[10]：

3 结果与讨论

3.1 不同光周期条件下藻菌共生体的生长

在不同光周期条件下，藻菌共生体均能在自制的光照生物反应器中正常生长。但对比其不同光周期处理结果如表2，可以看出当12 Light：12 Dark时，藻菌共生体均达到了最大的比生长速率和日生产量，分别为0.349±0.07/d和0.148± 0.004 g/（L·d）。

3.2 光周期对沼气中CO2去除率的影响

不同光周期处理条件下，藻菌共生体对沼气中CO2的去除率结果见表3。从表3可以看出在不同光周期处理条件下，藻菌共生体对CO2的去除效果明显。在三种光周期中，当光暗比为12Light：12Dark与8Light：16Dark时藻菌共生体对CO2的去除效果显著优于16Light：8Dark（P<0.05），此时藻菌共生体均达到了最大的CO2去除效率，分别达到86.72%±2.53%，84.38%±3.62%和78.53%±4.00%。

從图2可以看出，在3种不同光周期处理条件下，CO2去除率的变化趋势大致相似，都是先达到最大值后下降，其中8 Light：16 Dark和12 Light：12 Dark分别在第5 d和第4 d达到最高去除效果。但从增加幅度来看，16 Light：8 Dark对CO2的去除率变化最大，前3 d处于迅速上升期，但在3～7 d迅速下降，可能由于藻菌共生体受到光的抑制所导致处理效果变小。数据统计结果表明，沼气中CO2的去除率受处理时间影响显著（P<0.05），实验启动1～5 d藻菌共生体对CO2的去除效果显著，而随着处理时间的延长（6～7 d）CO2的去除率有所下降，但从处理效果与节约成本考虑，在12 Light：12 Dark的条件下，处理3～4 d为最佳的处理时间。

4 结论

在不同光周期的条件下，利用小球藻与灵芝菌共生体对预处理后的沼气进行了品质提升，结果发现在12Light：12Dark的光暗比条件下，处理4 d时，CO2去除效率最佳；其次是8Light：16Dark，在第5 d达到最高值；最差的是16Light：8Dark，这与L.Meier等[12]关于光周期对微藻生物提纯甲烷的结论相一致。同时，发现藻菌共生体对沼气中CO2的去除效果明显好于单一微藻并受处理时间影响显著，实验启动3～5 d CO2去除效果增加明显，其最高的去除率分别达到84.38±3.62%，86.72±2.53%和78.53±4.00%。因此为进一步开发高效的光生物反应器提升沼气品质提供一定的参考数据。

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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