利用蚕粪水提液培养微藻的初步研究

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随着经济的发展以及科技的进步,人类所面对的威胁包括环境污染、水资源短缺、粮食短缺和资源危机,这推动了人们对于废物利用的思考。微藻作为地球的初级生产者,具有优秀的固碳能力,繁殖速度快,脂质含量高,不需要大面耕地等特点。微藻也被广泛应用于医药、食品、化妆品、饲料等方面。中国是一个农业大国,也是丝绸的主要生产国和出口国,蚕作为生产丝绸的生产者,在生产发育过程中,产生大量的蚕粪。蚕粪中含有较高的有机碳以及含氮物质,常被用作化肥,而微藻相较于陆生植物有更快对于营养物质的利用率,因此本文将蚕粪制成蚕粪水提液培养基,培养微藻以此降低微藻培养成本,提高对环境内能源的回收效率。本文先对蚕粪水提液中的总氮、总磷、COD(化学需氧量)满足微藻生长的营养元素溶解度进行测定制备一种适合微藻生长的优质培养基,再利用四种经济藻种为索罗金小球藻(Chlorella sorokiniana),斜生栅藻(Scenedesmus obliquus),普通小球藻(Chlorella vulgaris),蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)分析其在蚕粪水提液中的生长特性,然后利用目标藻种通过改变其初始接种密度,增加其对于蚕粪水提液的营养物质利用率以及提高最终生物产量。最后对于通过补磷的方式,观察微藻对于蚕粪水提液中各营养物质的利用情况以及影响,并通过半连续培养的方式进一步提高微藻对于蚕粪水提液中各营养物质的利用情况。主要成果如下:(1)根据box-Behnken模型给出的数据和图像分析,确定每克蚕粪水提物中各元素的最大溶解度参数为:液固比1.5131 g/m L,蒸煮时间为83 min,蒸煮温度80℃。在此工艺条件下,每克蚕粪中氮含量溶于水中的溶解度和每克蚕粪中磷含量溶于水中的溶解度分别为6.722 mg/g和0.377 mg/g。将蚕粪水提液中各营养物质(TN、TP、NH、COD)溶解度最大时的最佳工艺条件为液固比15 m L/g、蒸煮时间83 min、蒸煮温度80℃,以达到检验响应面法预测的最优过程的可靠性。经测试每克蚕粪中氮含量溶于水中的溶解度和每克蚕粪中磷含量溶于水中的溶解度分别为6.394 mg/g和0.316 mg/g。每克蚕粪中氮含量溶于水中的溶解度预测值的误差为4.87%。(<5%),与最终预测值的每克蚕粪中磷含量溶于水中的溶解度误差为16.3%(>5%),表明响应面法得到的每克蚕粪水提物中各营养物质的最大溶解度参数是可行的,但蚕粪水提液中磷含量与理论值存在一定差异。(2)其中索罗金小球藻(Chlorella sorokiniana)在光照处理下表现出优异的生长特性,经过7 d培养,比生长速率达到0.31 g/L,p H值为8.8,并且C.sorokiniana相较于其他藻种对于蚕粪水提液中营养物质利用率高,因此C.sorokiniana适宜在蚕粪水提液中生长。在初始细胞密度对利用蚕粪水提液培养微藻的影响,实验中,通过对于数据分析我们可以得出以下结论,随着初始细胞的增加,C.sorokiniana对于蚕粪水提液中的营养物质利用率增加,并且当初始藻密度大于0.4 g/L时,C.sorokiniana的迟滞期消失,经过计算可得出0.4 g/L时,C.sorokiniana的比生长速率最高,且最终生物产量最高的结论。(3)本次实验中使用的补磷剂磷酸和磷酸氢二钾可以被C.sorokiniana作为磷源利用吸收,两者相比较而言,磷酸氢二钾作为补磷剂,更能促进C.sorokiniana对于蚕粪水提液中各营养物质吸收,且在此情况下,C.sorokiniana在蚕粪水提液中最佳氮磷比为15:1。在半连续培养的条件下不同氮磷比的实验中,C.sorokiniana在蚕粪水提液中最佳氮磷比为10:1,且相较于不半连续培养下,C.sorokiniana对于蚕粪水提液中营养物质利用率上升,TN和COD利用分别为56.9-58.32%和67.81-70%。此外,对于C.sorokiniana的组分分析中可以看出,在富磷环境下C.sorokiniana内蛋白质含量较高,而在贫磷环境下C.sorokiniana的多糖含量较高。
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