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《浙江大学》 2015年
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重金属影响微藻生长富集油脂的机理研究

孙晶  
【摘要】:微藻生长富集重金属获得生物质转化制生物柴油,是有望缓解环境污染和能源紧缺的国际前沿研究热点。本文深入剖析了微藻细胞富集重金属后的微观理化特性,研究了湿藻细胞破壁过程的动态结构变化,以及重金属和破壁方法对制生物柴油成分的影响规律。本文针对国标限制的四种重金属离子Pb2+、As3+、Cd2+和Hg2+,研究了微藻生长富集重金属的动力学特性,表明四种重金属抑制微藻生长的毒性为Hg2+ Cd2+As3+Pb2+。采用氮吸附仪、扫描电镜、透射电镜等分析表明:微藻吸附重金属后的细胞内油脂滴和淀粉粒含量增加,但是在细胞壁表面出现了沟槽和褶皱,表面颗粒状突起的直径由12-30nm增加到15-50nm。微藻细胞吸附重金属后的总比表面积由0.54m2/g增大到1.10-1.80m2/g,其中外表面积由0.10m2/g增大到0.92-1.98m2/g,但是内孔表面积由0.44m2/g减小到0.18m2/g,而且平均孔径由51.6nm减小到28.3~46.2nm,这是由于部分重金属吸附在细胞壁外表面导致粗糙度增大,而另一部分重金属扩散到细胞内孔造成一定堵塞。采用红外光谱仪、X射线能谱仪、基因扩增仪等对吸附重金属后的微藻细胞分析发现:四种重金属能够与含碳、氮、磷的官能团结合进而吸附在微藻细胞壁表面。重金属与含碳官能团结合存在两种机理,一是重金属与细胞壁表面的羧基(COO-)进行离子交换,二是重金属与细胞壁表面的醚键(-C-O-C-)结合形成络合物。在重金属离子Pb2+和Hg2+与醚键结合形成的络合单元中,C-C键和C-O键的含量比例为1.4:1和1.7:1;而在Cd+离子和As3+离子与醚键结合形成的络合单元中,C-C键和C-O键的含量比例仅为2.5:1和4:1。用Real-Time PCR测试,发现微藻富集重金属后细胞内磷酸甘油酸变位酶的表达水平降低,导致了富集重金属后微藻细胞中糖的累积。超声波空化效应形成空化泡的聚爆能够产生局部巨大的机械剪切压力和动荡,因而能够有效破坏湿藻细胞壁释放出油脂。超声波处理功率和时间增加时使得藻细胞破壁程度增强和表面粗糙度增加,当超声波功率由0增大到500W时,藻细胞的分形维数从初始1.24增大到1.51,细胞壁厚度减小为初始的3/5,细胞直径由2.75gm减少到1.69gm,这是由于微藻细胞膜比细胞壁的破坏程度更大,且在靠近液泡处最先出现裂口,导致细胞渗透压降低而收缩变小。微波极化效应导致纤维素分子的急速翻折而能够有效破坏纤维素分子结构,同时微波的“体积加热”使得细胞内大分子物质快速变性,因此微波处理能够更加有效消除微藻细胞壁的弹性和韧性而破坏湿藻细胞壁。当微波处理温度由80℃增加到120℃时,藻细胞的分形维数由1.61增加到1.91。当微波处理时间由0增加到20min时,藻细胞壁的厚度由O.11μm增加到0.59μm,同时孔径由0.005μm增加到0.18μm。微波使得藻细胞壁外层的果胶质层逐渐脱落,内层的纤维素层逐渐稀疏,当微波处理26min时在藻细胞的曲率最大点(≈1.01x107m-1)最先发生破壁释放出油脂。微藻富集重金属后的细胞油脂含量由22.30%提高到23.74%~25.41%,这是由于重金属抑制了细胞积累磷脂质而诱导促进积累油脂。色质联机分析表明:微藻富集重金属后的积累油脂中长链和单不饱和脂肪酸含量增加,而短链和多不饱和脂肪酸含量减少。微波比超声波能更加高效地萃取湿藻细胞油脂,萃取油脂效率可达91.7%。微波萃取藻油中的甘油三酸酯总含量增加,长链和不饱和脂肪酸断键分解成更多的短链和饱和脂肪酸,从而更有利于制备高品质的生物柴油。将一个燃煤电厂脱硫脱硝后的烟气CO2通入跑道池(面积1191m2),利用海水加入氮磷等营养盐养殖微藻,对微藻富集重金属的数量来源进行工业性实验,表明电厂烟气对微藻富集四种典型重金属(Pb、Cd、Hg和As)的贡献远远小于扬尘和海水。故利用电厂烟气CO2养殖微藻在技术上是可行的,并且节省了碳源营养盐从而显著降低了微藻生物质的生产成本。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TK6

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