水生所在能源微藻用于工業(yè)煙氣生物脫硝研究中取得系列進展

　　氮氧化物(NOx)是化石燃料燃燒煙氣中所含的重要環(huán)境污染物，主要以NO形式存在。傳統(tǒng)的煙氣脫硝方法能耗大，存在安全性問題并造成二次污染。微藻生物量中氮元素含量高達細胞干重的7-12%，其規(guī)?；囵B(yǎng)可利用工業(yè)煙道氣中高濃度的氮氧化物(NOx)。通過能源微藻的培養(yǎng)，不僅可以脫去工業(yè)煙氣中的NOx，降低環(huán)境污染，同時可以提供生物燃料的原料，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品（Zhang et al. 2014a；Chen et al. 2015；Zhu et al. 2016）。中國科學(xué)院水生生物研究所研究員王強學(xué)科組從2011年起與中國石化石油化工科學(xué)研究院合作，開展了“能源微藻應(yīng)用于工業(yè)煙氣生物脫硝”的研究，取得了一系列成果。

　　首先，基于工業(yè)煙氣生物脫硝中藻種對高濃度亞硝酸鹽耐受性及適應(yīng)性的需要，開展了NOx高耐受性藻種篩選。研究發(fā)現(xiàn)，不同微藻藻種對高濃度NOx的耐受性具有種間特異性，而大多數(shù)小球藻屬種類對高濃度亞硝酸鹽具有良好的耐受性，進一步的生理機制研究發(fā)現(xiàn)其適應(yīng)性通過脅迫、適應(yīng)和利用三個步驟實現(xiàn)（Li et al. 2016）。

　　隨后，通過利用自主發(fā)明的高效光生物反應(yīng)器（中國發(fā)明專利，授權(quán)號201410063589.X）對小球藻在工業(yè)NOx環(huán)境下的生物脫硝能力進行了驗證，在獲得高生物量和細胞油脂含量的同時，達到60%的煙氣脫硝率，證明了微藻在工業(yè)煙氣生物脫硝領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值（Zhang et al. 2014b）。提出了微藻生物脫硝、高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)與生物柴油制備的聯(lián)合生產(chǎn)工藝Ver1.0 (中國發(fā)明專利，授權(quán)號201410063243.X)。

　　針對微藻光自養(yǎng)生長相對的低效率和工業(yè)煙氣減排的高需求之間的不匹配問題，進一步開展了利用光合兼養(yǎng)培養(yǎng)方法進行煙氣生物脫硝的研究，通過逐步優(yōu)化培養(yǎng)工藝在獲得最大生物量產(chǎn)率9.87 g L−1 d−1，脫硝率96%以上的同時，獲得1.83 g L−1 d−1的油脂產(chǎn)率。研究表明，兼養(yǎng)培養(yǎng)過程中有機碳和無機碳的同步吸收有利于顯著降低有機碳原料的消耗成本，同時在進行微藻生物脫硝的兼養(yǎng)培養(yǎng)末期，培養(yǎng)液中僅有微量的營養(yǎng)元素特別是有機碳和碳元素殘留，實現(xiàn)了避免二次污染產(chǎn)生的綠色生產(chǎn)過程。該研究證明了能源微藻應(yīng)用于工業(yè)煙氣生物脫硝和能源生產(chǎn)的可行性，同時提供了一種土地有限的條件下進行煙氣減排的工業(yè)化策略（Chen et al. 2016）。在此基礎(chǔ)上，進一步對微藻生物脫硝、高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)與生物柴油制備的聯(lián)合生產(chǎn)工藝進行改進，提出了優(yōu)化的生產(chǎn)工藝Ver2.0。

　　上述兩項發(fā)表于Environmental science & technology（Zhang et al. 2014b；Chen et al. 2016）的研究成果，先后被可再生能源全球創(chuàng)新（Renewable Energy global innovations）網(wǎng)站作為關(guān)鍵科學(xué)論文（Key Scientific Article）進行了跟蹤報道。認為此項研究成果“首次證明了微藻用于工業(yè)污染物減排的同時生產(chǎn)高值產(chǎn)品的真正可行性和實用性”。

　　基于以上研究成果，研究人員分別受到Applied Energy 和Applied Microbiology and Biotechnology 的邀請撰寫了綜述性論文（Chen et al. 2015；Zhu et al. 2016）。

　　上述研究得到了“973”計劃、國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金重點項目、水生所知識創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前沿項目和中石化企業(yè)橫向項目的資助。

　　相關(guān)文章：

　　1. Li T., Xu G., Rong J., Chen H., He C., Giordano M., Wang Q. 2016. The acclimation of Chlorella to high-level nitrite for potential application in biological NOx removal from industrial flue gases. Journal of plant physiology, accepted.

　　2. Zhu X., Rong J., Chen H., He C., Hu W., Wang Q. 2016. An informatics-based analysis of developments to date and prospects for the application of microalgae in the biological sequestration of industrial flue gas. Applied Microbiology and Biotechnology, 100, 2073-2082.  DOI: 10.1007/s00253-015-7277-7.

　　3. Chen W., Zhang S., Rong J., Li X., Chen H., He C., Wang Q. 2016. Effective Biological DeNOx of Industrial Flue Gas by the Mixotrophic Cultivation of an Oil-Producing Green Alga Chlorella sp. C2. Environmental science & technology, 50, 1620-1627. DOI: 10.1021/acs.est.5b04696. 

　　4. Chen, H., Qiu, T., Rong, J., He, C. & Wang, Q. (2015) Microalgal biofuel revisited: An informatics-based analysis of developments to date and future prospects. Applied Energy 155, 585-598.

　　5. Zhang, X., Chen, H., Chen, W., Qiao, Y., He, C., and Wang, Q. (2014b) Evaluation of an Oil-Producing Green Alga Chlorella C2 for Biological DeNOx of Industrial Flue Gases. Environmental science & technology, 48, 10497-10504. DOI: 10.1021/es5013824. 

　　6.Zhang, X., Rong, J., Chen, H., He, C. & Wang, Q. Current Status and Outlook in the Application of Microalgae in Biodiesel Production and Environmental Protection. Frontiers in Energy Research 2, doi:10.3389/fenrg.2014.00032 (2014a).