Frequency of CO2 supply affects wastewater microalgal photosynthesis, productivity and nutrient removal efficiency in mesocosms: implications for full-scale high rate algal ponds

中型實驗系統(tǒng)中二氧化碳供給頻率對污水微藻光合作用、產(chǎn)率及營養(yǎng)鹽去除效率的影響：對規(guī)模化高效藻類塘的啟示

來源 Journal of Applied Phycology, Volume 26, Issue 5, October 2014

《應(yīng)用藻類學(xué)雜志》，第26卷，第5期，2014年10月

 

摘要

摘要闡述了研究旨在評估二氧化碳添加頻率對廢水微藻光合性能、生物量生產(chǎn)和營養(yǎng)鹽去除的影響。研究假設(shè)降低CO2添加頻率會降低廢水微藻的性能。實驗在室外高率藻類中宇宙中進(jìn)行。結(jié)果表明，高頻率CO2添加顯著提高了微藻生產(chǎn)力，有機(jī)生物量高出120%，總微藻生物體積高出157%。隨著CO2添加頻率的增加，光合效率提高，藻類光抑制減輕。而低頻率CO2添加的微藻與不添加CO2的對照組無顯著差異。結(jié)論是，低頻率CO2添加（例如在大型HRAP中可能出現(xiàn)的長時間循環(huán)和單點添加）不能提高微藻生產(chǎn)力。雖然CO2添加在白天良好控制pH的情況下能增強微藻光合作用和生產(chǎn)力，但本研究證明，由于微藻對CO2的同化迅速，在全尺寸HRAP中擁有有效的CO2添加系統(tǒng)對于實現(xiàn)CO2添加的益處至關(guān)重要。

 

研究目的

研究目的是測試降低CO2添加頻率是否會減少微藻的光合作用、生物量生產(chǎn)和營養(yǎng)鹽去除。在市政廢水處理HRAP中，微藻生產(chǎn)被認(rèn)為受到碳限制，而CO2添加是克服此限制的一種方法。然而，由于微藻生物量巨大導(dǎo)致的高碳需求，使得CO2供應(yīng)頻率可能對其成功至關(guān)重要。本研究旨在探究CO2添加頻率對微藻性能的影響，為全尺寸HRAP的設(shè)計和操作提供依據(jù)。

 

研究思路

研究思路是在室外建立高率藻類中宇宙系統(tǒng)，使用初級沉淀生活污水培養(yǎng)微藻。設(shè)置不同的CO2添加頻率處理組（每15、30、60、90分鐘添加一次），以及兩個對照組（不添加CO2和持續(xù)控制pH至8）。CO2以30%的濃度（模擬沼氣成分）在白天pH超過8時脈沖添加。通過連續(xù)監(jiān)測pH、溶解氧、溫度，以及定期測量溶解無機(jī)碳、營養(yǎng)鹽濃度、微藻生物量（生物體積、有機(jī)質(zhì)、葉綠素a和b）、光合潛力（通過脈沖振幅調(diào)制熒光測量技術(shù)測定電子傳遞速率）和光合作用產(chǎn)氧量（使用丹麥Unisense的Clark型快速響應(yīng)微傳感器），來評估不同CO2添加頻率對微藻系統(tǒng)性能的影響。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測量了白天不同時間點各處理組的pH變化，該數(shù)據(jù)來自圖2。研究意義在于直接反映CO2添加頻率對培養(yǎng)系統(tǒng)碳供應(yīng)和pH控制效果的影響，顯示高頻率添加（15分鐘和30分鐘）能更好地將pH維持在目標(biāo)值（~8）附近，而低頻率添加（60分鐘和90分鐘）則導(dǎo)致下午pH顯著升高。

 

2 測量了CO2添加前后pH的降低值（ΔpH）隨光照強度的日變化，該數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義在于表明在較高光照下，微藻對CO2的快速吸收導(dǎo)致每次添加后pH下降幅度減小，這凸顯了在強光期間維持充足碳供應(yīng)的挑戰(zhàn)。

 

3 測量了白天溶解無機(jī)碳濃度的變化，該數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義在于揭示DIC的日動態(tài)與pH變化緊密耦合，高頻率CO2添加能維持相對穩(wěn)定的DIC水平，而低頻率添加則導(dǎo)致DIC在下午嚴(yán)重消耗。

 

4 測量了出水中的銨氮、硝氮、溶解無機(jī)氮和溶解活性磷濃度，并計算了去除率和單位生物量的營養(yǎng)鹽去除效率，該數(shù)據(jù)來自表1。研究意義在于評估CO2添加頻率對營養(yǎng)鹽去除效果的影響，發(fā)現(xiàn)高頻率添加能維持較高的DIN去除效率，而低頻率添加則效率降低，同時區(qū)分了微藻吸收和物理化學(xué)過程（如氨揮發(fā)）對脫氮的貢獻(xiàn)。

 

5 測量了微藻總生物體積、有機(jī)質(zhì)（揮發(fā)性懸浮固體）、葉綠素a和b的濃度，該數(shù)據(jù)來自表2。研究意義在于量化CO2添加頻率對微藻生物量積累的影響，證實高頻率添加能顯著提高生物量產(chǎn)量，并且發(fā)現(xiàn)葉綠素a作為生物量指標(biāo)存在局限性，因為在良好碳供應(yīng)下單位細(xì)胞的葉綠素a會減少。

 

6 通過脈沖振幅調(diào)制熒光測量技術(shù)測定了不同時間點的快速光曲線，推導(dǎo)出最大電子傳遞速率、光利用效率和光飽和點，該數(shù)據(jù)來自表3和圖5。研究意義在于評估微藻的光合潛力，表明高頻率CO2添加能維持較高的ETRmax和ETRek，尤其在下午，而低頻率添加則導(dǎo)致光合潛力下降，接近不添加CO2的控制組。

 

 

7 使用丹麥Unisense的Clark型快速響應(yīng)微傳感器測量了沿pH梯度變化的光合作用產(chǎn)氧量，推導(dǎo)出最大光合速率、光利用效率和光飽和點，該數(shù)據(jù)來自表4和圖6。研究意義在于直接驗證pH升高（DIC減少）對微藻光合速率的抑制作用，顯示Pmax在pH 8至9之間減半，為觀測到的性能差異提供了生理機(jī)制解釋。

 

 

 

結(jié)論

1 降低CO2添加頻率會對廢水處理HRAP中微藻的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)CO2供應(yīng)頻率降低時，維持pH和供應(yīng)充足DIC的能力下降。

2 微藻的光生理響應(yīng)、生物量產(chǎn)量和營養(yǎng)鹽去除效率在pH控制不佳的條件下，隨著細(xì)胞光抑制加劇而在白天逐漸降低。

3 當(dāng)CO2添加間隔延長至90分鐘時，與不添加CO2的對照組相比，在微藻生物量或廢水處理效果方面沒有顯示出可測量的益處。

4 在添加間隔為60分鐘時，微藻生物量的增加可能無法抵消CO2添加系統(tǒng)的建設(shè)和運營成本。

5 盡管CO2添加已被證明可以增強廢水微藻的光合作用和生產(chǎn)力，但本研究證明了在全尺寸HRAP中擁有有效的CO2添加系統(tǒng)的重要性，否則將無法實現(xiàn)CO2添加的益處。提出了四種優(yōu)化全尺寸HRAP中CO2供應(yīng)的潛在方案。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense的Clark型快速響應(yīng)微傳感器測量光合作用產(chǎn)氧量數(shù)據(jù)在本研究中具有關(guān)鍵的生理生態(tài)學(xué)研究意義。該電極能夠快速響應(yīng)溶解氧濃度的變化，使得在相對短的時間內(nèi)（15分鐘）完成整個光合作用-光強響應(yīng)曲線的測量成為可能。這一點至關(guān)重要，因為初步測量表明，當(dāng)總培養(yǎng)時間超過15分鐘時，培養(yǎng)液中的pH會迅速上升，導(dǎo)致光合作用產(chǎn)氧速率下降。因此，Unisense電極的高時間分辨率使得研究人員能夠在微藻生理狀態(tài)發(fā)生顯著變化之前，準(zhǔn)確捕捉到在不同預(yù)設(shè)pH水平（8, 9, 10, 11）下的即時光合速率。通過測量獲得的P-E曲線數(shù)據(jù)（圖6）清晰地揭示了對數(shù)關(guān)系，證明最大光合速率隨pH升高（即DIC可用性降低）而呈指數(shù)下降，尤其在pH 8到9之間，Pmax下降了一半。這為解釋中宇宙實驗中觀察到的現(xiàn)象——即低頻率CO2添加導(dǎo)致下午pH升高、DIC耗竭，進(jìn)而引起微藻生物量產(chǎn)量和營養(yǎng)鹽去除效率下降——提供了直接的、定量的生理機(jī)制證據(jù)。此外，這些測量數(shù)據(jù)與通過脈沖振幅調(diào)制熒光測量技術(shù)獲得的電子傳遞速率參數(shù)相互補充和驗證，共同構(gòu)建了關(guān)于碳限制如何影響微藻光合性能的完整圖景。因此，Unisense電極的應(yīng)用是實現(xiàn)對CO2添加頻率效應(yīng)進(jìn)行深入機(jī)理探索的重要工具，其提供的可靠產(chǎn)氧數(shù)據(jù)增強了研究結(jié)論的說服力。