利用家禽粪便进行小球藻中试规模户外池塘培养以生产生物柴油

《Algal Research》：Pilot-scale outdoor raceway pond cultivation of Chlorella minutissima with poultry litter integration for biodiesel production

　　•家禽粪便可提升低成本试规模小球藻的培育效率。•机械化搅拌使流水池中的脂质产量提高了约3倍。•结合使用家禽粪便后，生物柴油的年产量可达每公顷4.5吨左右。•所生产的生物柴油混合物符合ASTM、EN和IS标准。•发动机测试表明，经过处理的生物柴油具有更低的排放量。

引言
由于化石燃料储备日益减少以及气候变化问题日益严重，全球能源行业正在经历快速转型。2025年全球与能源相关的二氧化碳排放量创下38.1吉吨的纪录，这主要源于对煤炭和石油燃料的持续依赖[1]。柴油作为交通运输和工业领域的重要能源，会释放出二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳和颗粒物等物质，这些污染物不仅加剧了全球变暖，还会对空气质量与人类健康造成危害[2]。面对这些挑战，全球范围内都在寻求可持续的、碳中性的燃料，以降低对石油的依赖并保障能源安全[3]。在此背景下，生物柴油因其可生物降解、不含硫、润滑性更好，且无论单独使用还是与传统柴油混合使用都能适配柴油发动机，而成为一种可行的替代品[4]。

微藻因其极高的生产力和适应性，被视为极具前景的第三代原料。它们能够在非耕地上利用海水、咸水或废水全年快速生长，不会与淡水资源竞争，同时还能吸收大气中的二氧化碳[5]。从单位面积来看，微藻的产油量是大豆、油菜和棕榈油等陆生作物的7到31倍[6]。除了用于生产生物柴油外，微藻生物质还能用于生物精炼，从而产出蛋白质、色素、多不饱和脂肪酸和生物肥料等高附加值产品，进一步提升整个工艺的经济效益[7]。然而，要实现微藻生物柴油的商业化，首要挑战在于如何在户外条件下保持稳定的生物质和脂质产量，同时降低营养成本、提高培养稳定性，并确保所生产的生物柴油符合燃料质量和发动机性能要求。

开放式流水池系统是一种非常适合大规模微藻培育的方案，它设计简单、初始投资较低、操作便捷，且适合户外规模化应用[8]。不过，其在户外环境下的表现极易受到季节变化及操作因素的影响，包括太阳辐射强度、温度、降雨量、蒸发量、池塘深度、培养液pH值、溶解氧含量、营养物质供应情况，以及竞争性微生物或食草生物带来的污染问题[9][10]。在这些因素中，培养液的混合作用尤为重要，因为它能够调节细胞悬浮状态、营养物质分布以及与大气的气体交换[11]。混合不当会导致生物质沉淀，形成营养物质和溶解氧的梯度，使细胞长时间处于黑暗区域，进而降低光合作用效率，最终影响生物质和脂质的产量[10]。近期关于户外流水池系统中微藻培育的研究表明，过程控制与混合优化对于在不断变化的户外环境中提升生产力至关重要[13][14]。因此，机械化混合在开放式流水池系统中不仅是一种循环手段，更是维持培养液均匀性、改善光照条件、减少沉淀物形成，以及提升全年生物质和脂质产量的关键策略。

培养基的成本和成分直接影响大规模微藻生物柴油生产的经济可行性。传统的培养基，如蓝绿藻培养基（BG 11）、博尔德基础培养基（BBM）、索德和博尔泽培养基（N11）、三醋酸磷酸盐培养基（TAP）以及其他化学配方培养基，虽然适用于实验室内的可控培育，但由于需要高纯度的化学物质和合成营养剂，导致生产成本较高，不太适合大规模、以燃料生产为目标的微藻培育[12]。因此，近年来越来越多的研究开始探索以低成本肥料为基础的培养基，以及利用废弃物中的营养物质作为替代方案，以此在保持生物质产量和生化质量的同时降低培育成本[13][14]。目前已有多种易于获取的有机废物和农业工业废物被用于微藻培育，包括家禽粪便、牛粪、牲畜排泄物、大豆废水、养鱼场污水、厌氧食品加工废水、棕榈油厂废水、淀粉废水、乳制品废水、啤酒厂废水、食物垃圾水解液、土豆皮提取物以及甜橙皮提取物等[15][16]。这些基质中含有藻类生长所需的有机碳、氮、磷、钾以及微量微量元素。不过，它们在微藻培育中的效果因废物的组成、营养平衡、浊度、悬浮固体含量、稀释程度、预处理要求、反应器结构以及所选微藻菌株的不同而存在较大差异[17]。

在各种可用于微藻培育的废弃物基质中，家禽粪便因其丰富的营养成分和广泛的来源而备受关注。全球范围内，2025–26年度的家禽养殖总量达1.08亿吨，而在印度，2024–25年度的养殖量为518万吨，这表明有大量且持续的家禽粪便可供利用[18][19]。与浓度较低的废水不同，少量家禽粪便就能提供高浓度的营养物质，有助于促进生物质和脂质的生成[20]。不过，原始家禽粪便不能直接使用，因为它会释放大量氨气（约60%的氮以气态形式挥发），同时还含有可能抑制藻类生长并破坏培养体系的病原体和悬浮固体[21][22]。因此，在将其用于藻类培育之前，必须对其进行适当的稀释和处理[20][23]。在这种背景下，利用家禽粪便进行培育时，需要在户外开放式流水池系统中进行验证，因为季节变化、污染风险、营养物质稀释以及混合限制等因素都可能对培养效果产生显著影响。

尽管已有不少研究探讨了利用废水、有机废物及低成本营养物质培育小球藻的潜力，但许多研究仍仅限于实验室层面或以培育效果为核心进行评估。最近的研究表明，废弃物来源的基质确实能够支持微藻生长的同时促进脂质积累。例如，在经过预处理的食物垃圾水解液中，普通小球藻的生物量可增长至4.8克/升，其中干细胞重量中有36%为脂质[24]。同样，啤酒厂废水、过期橙汁和奶酪乳清的混合物也能促进普通小球藻、眼状小球藻和斜生栅藻的生长，其生物量浓度分别达到3.8克/升、3.5克/升和1.8克/升[25]。此外，还有研究表明，土豆皮和甜橙皮提取物也能用于培育索罗金氏小球藻，其生物量浓度分别为2.1克/升和2.0克/升，且脂质含量超过干细胞重量的24%[26]。另外，经过处理的糖蜜还能使球形小球藻的脂质积累量达到干细胞重量的66%[27]。最近，有一些试规模研究着眼于利用废水和农业工业废水进行户外微藻培育，主要关注生物量产量、营养物质去除效率、培养稳定性以及技术经济方面的改进[9][28][29]。此外，小型规模研究也证明了极小小球藻在生物质积累、脂质生产以及用于生物柴油生产方面的潜力[30]。然而，这些研究很少将废弃物中的营养物质利用、机械化开放式流水池培养、生物柴油的生产与提纯、燃料标准检测以及发动机性能测试整合在一个完整的流程体系中。

另一个重要问题是，由原始微藻脂质制成的生物柴油中含有色素、残留催化剂、游离脂肪酸、极性化合物以及微量杂质，这些物质会降低酯交换反应的效率，引发相分离现象，还会影响燃料的稳定性、燃烧性能以及排放物质量[31]。因此，对原始藻类脂质进行提纯或脱色处理，对于提升燃料质量并使其符合国内外燃料标准至关重要[32]。发动机测试也同样重要，因为它能确保生物柴油混合物具备与柴油发动机相匹配的燃烧性能，同时还能评估制动燃油消耗率、制动热效率、排气温度，以及CO、CO2、HC和NOx等规定排放指标，只有满足这些条件才能推荐该生物柴油实际应用[4]。

本研究基于我们实验室的实验结果，对比了在不同农业工业废弃物——如牛粪、甘蔗糖蜜和甜橙皮提取物——存在的情况下，添加家禽粪便培养极小小球藻的潜力[20]。在此基础上，本研究进一步采用了我们在实验室研发的、以优化尿素为基质的肥料型培养基——富家禽粪便优化尿素培养基（OUr），并将其应用于机械化开放式流水池系统中。因此，本研究旨在通过将废弃物辅助的微藻培育与机械化开放式流水池系统相结合，实现生物质生产，随后再进行脂质提取、提纯、生物柴油转化、燃料质量分析、发动机性能评估以及排放特性分析，从而弥补实验室优化成果与实际试规模应用之间的差距。

片段一：微藻、培养条件与规模化策略
本研究使用的试验微藻为极小小球藻，其培养工作在印度西孟加拉邦加尔各答的印度理工学院农业与食品工程系的藻类生物技术实验室中进行。极小小球藻被接种在装有100毫升N11培养基的250毫升锥形瓶中进行培养[33]。接种前，先用0.1 N的盐酸或氢氧化钠将培养基的pH值调整至6.8±0.1，随后将接种液的光密度在540纳米波长处控制在0.2左右。

片段二：地下水分析
用于极小小球藻培育的地下水经过了多项指标检测，包括正磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨含量、总有机碳、化学需氧量和生化需氧量，这些指标的数值都很低，接近空白值（<0.05毫克/升）。这说明地下水对培养基初始的营养物质和有机负荷贡献极小。因此，培养过程中营养物质浓度的变化主要反映了通过OUr培养基和家禽粪便补充的营养物质的消耗情况。

片段三：环境与培养参数解读

结论
本研究探讨了在户外开放式流水池系统中利用废弃物作为营养物质来培育极小小球藻的可行性，该方法能够实现低营养输入，同时提升生物质和脂质的产量，并以环保的方式有效降低污染负荷。在优化后的尿素培养基中，采用15厘米的培养深度，结合家禽粪便进行机械化开放式流水池培养，显著提升了生物质和脂质的产量，降低了营养物质负荷，同时还改善了……

未来研究方向
尽管本研究已经为利用家禽粪便生产微藻生物柴油提供了试规模的发展路径，但还需进一步研究以提升其经济性、环境友好性和操作可行性。应当开展全面的技术经济分析和生命周期评估，以量化生产成本、能源收益、温室气体减排潜力、碳足迹、营养物质回收效率以及整体环境效益。

作者贡献说明
萨加尔·德瓦迪加：撰写原始稿件、验证研究结果、确定研究方法、开展实验研究、进行正式分析。拉胡尔·蒂瓦里：确定研究方法、开展实验研究、参与论文审阅与编辑工作。维纳伊·班萨尔：负责研究方法设计与实验研究。萨希·桑卡尔：参与研究方法设计与实验研究。索努·库马尔·帕蒂达尔：负责研究方法设计与实验研究。希夫朱尔·拉赫曼：参与论文审阅与编辑工作，负责资料收集工作。尼鲁帕玛·马利克：参与论文审阅与编辑工作，负责项目监督、资料收集、研究方法设计以及概念构思工作。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢印度国家农业科学基金会对本研究提供的资金支持，同时也感谢印度新德里的印度农业研究委员会所提供的研究设施支持。第一作者还要特别感谢索姆杜特·R先生、马杜米塔·德伊博士、斯里贾·达斯古普塔女士、P.S.安贾莉女士、奥奈扎·纳兹宁女士以及普里特维拉吉·德瓦迪加先生，他们为本研究提供了宝贵的帮助。

萨加尔·德瓦迪加|拉胡尔·蒂瓦里|维纳伊·班萨尔|萨希·桑卡尔|索努·库马尔·帕蒂达尔|希夫朱尔·拉赫曼|尼鲁帕玛·马利克