集成微藻工艺用于沼气提纯、沼液修复和虾青素生产

《Journal of Cleaner Production》：Integrated microalgal process for biogas upgrading, digestate bioremediation and astaxanthin production

　　

Coelastrella sp. 从沼气中去除 CO₂（二氧化碳）并从沼液中去除营养物。在 600 ppmv（体积百万分之一）H₂S（硫化氢）和 10% 沼液条件下获得最高生物质生产力。高光胁迫在 600 ppmv H₂S 和未稀释沼液条件下诱导虾青素产生。

厌氧消化产生沼气（biogas）和沼液（digestate）两种副产品：沼气经提纯可转化为生物甲烷（biomethane），沼液富含氮磷营养物。但沼气中的硫化氢（H₂S）和沼液中的游离氨（NH₃）对微藻代谢具有毒性，制约了微藻基集成工艺的发展。现有研究多单独探讨沼液稀释、pH 调节或活性污泥生物强化等缓解策略，但缺乏对操作变量（H₂S 浓度、沼液预处理及稀释度）在集成工艺中协同效应的系统评估。因此，本研究旨在评估这些变量对 Coelastrella sp. 生长、CO₂ 固定、营养物去除及虾青素（astaxanthin）积累的影响，以确定最优操作条件。研究人员开展了分批培养实验，在 600 ppmv H₂S 和 10% 沼液稀释条件下获得最高生物质生产力，在未稀释沼液和 600 ppmv H₂S 下经高光胁迫获得最高虾青素含量（0.39 mg g^-1），并发现活性污泥生物强化可缓解 5000 ppmv H₂S 的抑制效应。该成果证明 Coelastrella sp. 适用于中低硫沼气提纯，但不同目标（生物质产量、营养物去除、虾青素积累）的最佳条件存在权衡，需根据工艺目的选择操作条件。论文发表在《Journal of Cleaner Production》。

主要关键技术方法包括：使用 Coelastrella sp.（来自 CWU-MACC 保藏中心）和活性污泥（来自西班牙 Valladolid 污水处理厂好氧段），以真实沼液（来自同厂）和合成沼液为培养基；采用密闭分批光生物反应器，进行两阶段光照策略（生长阶段 300 μmol m^-2 s^-1，高光胁迫阶段 800 μmol m^-2 s^-1）；通过气相色谱（GC-TCD）监测顶空气体组成（CO₂、O₂、H₂S），用 HPLC 分析类胡萝卜素（叶黄素、β-胡萝卜素、虾青素），用总有机碳分析仪和 HPLC 分别测定总氮（TN）和磷酸盐（PO₄^3-）浓度。

**3.1 光强预评估**：通过微孔板实验确定 Coelastrella sp. 在光合有效辐射（PAR）300 μmol m^-2 s^-1 时获得最高生物质浓度（0.32 g TSS L^-1），更高光强（500、800 μmol m^-2 s^-1）导致抑制，据此建立两阶段培养策略。

**3.2 沼液预处理与沼气组成的影响**：在 10% 沼液条件下，600 ppmv H₂S 沼气促进最高生物质浓度（6.2–6.5 g TSS L^-1）和 CO₂ 去除效率（线性速率 27.18% day^-1），同时实现 TN 和 PO₄^3- 完全去除；5000 ppmv H₂S 抑制绝大多数处理中的生长，但活性污泥生物强化可缓解抑制，使生物质浓度达到 4.2 g TSS L^-1；未处理沼液（pH 9）在 600 ppmv H₂S 下表现出最高的比生长速率（r_TSS = 0.73–0.82 day^-1）和 CO₂ 去除速率。

**3.3 沼液稀释度的影响**：在 600 ppmv H₂S 下，50% 沼液获得最高生物质浓度（6.2 g TSS L^-1）和生物质生产力（2.55 g TSS L^-1 day^-1），但 10% 沼液实现 CO₂、TN 和 PO₄^3- 的完全去除，综合性能最佳；未稀释沼液（100%）的 TN 和 PO₄^3- 去除率最低，且生物质在后期出现衰退。

**3.4 高光胁迫下类胡萝卜素积累**：高光胁迫使叶黄素（lutein）和 β-胡萝卜素（β-carotene）含量普遍下降，虾青素反应因条件而异；在 100% 沼液和 600 ppmv H₂S 下，虾青素含量从 0.17 增至 0.39 mg g^-1（2.4 倍），同时 β-胡萝卜素下降 7 倍，表明 β-胡萝卜素可能作为虾青素前体被转化。

**讨论总结**：与前期研究相比，生物质浓度（2.9 倍）和虾青素含量（1.4 倍）显著提升。不同工艺目标的最佳条件（生物质：50% 沼液；营养物去除：10% 沼液；虾青素：100% 沼液）存在明显权衡，提示未来可探索序贯培养策略。密闭批次培养中 O₂ 积累不适用于连续提纯，需采用连续系统。本研究未监测硫化物、溶解无机碳、叶绿素荧光及氮质量平衡，且未定性活性污泥细菌群落，限制了机理阐释。未来应在连续中试规模验证，并开展技术经济分析。

**研究结论翻译**：光合沼气提纯、厌氧沼液修复与高价值微藻代谢物生产的集成，为提升厌氧消化的环境和经济可持续性提供了有前景的策略。然而，沼气和沼液中存在的抑制性化合物（如 H₂S 和 NH₃）可能限制微藻生长和整体工艺性能。因此，本研究系统考察了沼气 H₂S 浓度和沼液预处理对 Coelastrella sp. 生长、沼气提纯能力、营养物去除能力及虾青素积累的联合影响。在本研究条件下，初始 H₂S 浓度为 600 ppmv 并结合 10%–50% 沼液稀释支持了高生物质生产力、高效 CO₂ 去除和营养物回收。相反，5000 ppmv H₂S 在大多数处理中抑制生长，而活性污泥生物强化可显著改善该条件下的培养性能。获得最高生物质浓度（50% 沼液）和最佳综合性能（10% 沼液，实现生物质生产、CO₂、TN 和 PO₄^3- 去除的平衡）的条件不同，突显了集成工艺固有的权衡。随后 4 天的高光暴露伴随叶黄素和 β-胡萝卜素含量下降，而虾青素响应取决于培养条件。在 100% 沼液培养后经高光处理获得最高虾青素含量（0.39 mg g^-1）。这些观察表明，操作条件应根据主要工艺目标选择，且结合不同操作条件的序贯培养策略可能进一步改善整体工艺性能。总体而言，本实验室规模分批实验结果表明，Coelastrella sp. 是一种有前景的微藻，可用于集成生物沼气 CO₂ 去除、沼液营养物回收和增值生物质生产。未来研究应在连续实验室和中试规模验证该工艺，优化光照和沼液管理策略，并评估集成工艺的技术经济可行性。