基于城市废水中混合营养和氮限制条件下培养的普通小球藻（*Chlorella vulgaris*）和斜生栅藻（*Scenedesmus obliquus*）脂肪酸组成的FAME生产力与生物柴油潜力

《Fuels》：FAME Productivity and Biodiesel Potential Based on Fatty Acid Composition of Chlorella vulgaris and Scenedesmus obliquus Cultivated in Urban Wastewater Under Mixotrophic and Nitrogen-Limited Conditions

　　

基于微藻的废水处理是一种可同时实现营养物去除和生物柴油原料生产的可持续方法。本研究采用两阶段培养策略，在光自养和混合营养条件下，于城市废水和合成培养基中培养普通小球藻（*Chlorella vulgaris*）和斜生栅藻（*Scenedesmus obliquus*），并设置有无氮限制两种处理，评估其生长、总有机碳（total organic carbon, TOC）去除、脂肪酸甲酯（fatty acid methyl ester, FAME）生产力、脂肪酸组成及预测生物柴油性质。斜生栅藻对城市废水表现出更强的适应性，在氮限制混合营养培养下生长更好，且TOC去除效率最高（92%）。氮限制显著提高了两种微藻的FAME生产力，与相应光自养培养相比，普通小球藻提高43.06%–79.35%，斜生栅藻提高48.11%–69.98%。脂肪酸分析显示，普通小球藻的饱和脂肪酸含量较高，而斜生栅藻的多不饱和脂肪酸水平较高。基于脂肪酸组成，普通小球藻的预测碘值低于斜生栅藻，预测氧化稳定性高于斜生栅藻。预测十六烷值低于国际生物柴油规范中引用的最低值，而预测运动黏度处于ASTM D6751和EN 14214报道的范围内。然而，预测冷滤点（cold filter plugging point, CFPP）为14.9–15.0 °C，表明其低温适用性有限；氧化稳定性仅在部分普通小球藻处理中达到所引用的EN 14214阈值。这些结果表明，城市废水作为可持续微藻FAME生产的培养基和生物柴油应用原料具有潜力，尤其是在结合脂肪酸谱优化或调合策略时。

微藻基废水处理是一种将营养物去除与生物柴油原料生产相结合的可续策略。化石燃料的广泛使用引发了能源危机与环境问题，生物柴油作为清洁可再生替代能源受到关注。微藻因油脂含量高且可利用废水生长，成为有潜力的原料。然而，培养条件（光自养/混合营养、氮限制）会改变微藻生长与脂质代谢，进而影响所得生物柴油的品质。已有研究较少同时考虑光自养与混合营养培养、氮限制及脂肪酸组成和预测生物柴油性质的综合效应，尤其在城市废水体系中。因此，本研究选取普通小球藻（*Chlorella vulgaris*）和斜生栅藻（*Scenedesmus obliquus*），在对照培养基和城市废水中，于光自养与混合营养条件下，结合两阶段氮限制策略，评估其生长、总有机碳（TOC）去除、脂肪酸甲酯（FAME）生产力、脂肪酸组成及预测生物柴油性质。该论文发表于《Fuels》。

研究人员从墨西哥恩塞纳达科学研究和高等教育中心（CICESE）获得两种微藻。实验采用三因素设计：培养基（对照培养基/城市废水）、生长模式（光自养/混合营养）和氮有效性（无限制/氮限制）。氮限制处理采用两阶段培养：第一阶段培养基含约90 mg L^?1 NH₄⁺-N，72 h后加入含30 mg L^?1 NH₄⁺-N的新鲜培养基，使第二阶段起始NH₄⁺-N约为10–17.5 mg L^?1。城市废水取自墨西哥卡门城四个污水处理厂（WTP1–WTP4）的出水，等比例混合后其NH₄⁺-N均值约80 mg L^?1，TOC均值约160 mg L^?1。脂肪酸经干法提取和酯交换后，采用气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）测定FAME组成。FAME生产力依据细胞质量和生物量浓度按公式计算；预测生物柴油性质（十六烷值、碘值、冷滤点、氧化稳定性等）基于脂肪酸组成经验方程估算。数据采用因子方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验。

### 3.1 Growth（生长）

在对照培养基中，普通小球藻光自养下最大细胞密度（17.67×10⁶ cells mL^?1）高于混合营养；斜生栅藻两种模式无显著差异。氮限制普遍降低最大细胞密度，但斜生栅藻在混合营养氮限制下比增长率最高（0.854 d^?1）。在城市废水中，斜生栅藻光自养下细胞密度最高（18.4×10⁶ cells mL^?1），氮限制下仍优于普通小球藻。斜生栅藻在混合营养氮限制下TOC去除率达92%，普通小球藻最高约77.5%。结果表明，斜生栅藻对城市废水和氮限制适应性更强，混合营养有利于有机碳去除，这与微藻-细菌协同作用相关。

### 3.2 FAME Productivity（FAME生产力）

无氮限制时，普通小球藻在光自养下FAME生产力较高（约250 mg L^?1 d^?1），混合营养下降低；斜生栅藻相近。氮限制显著提高两种微藻的FAME生产力：普通小球藻增幅43.06%–79.35%，斜生栅藻增幅48.11%–69.98%。氮限制下，普通小球藻饱和脂肪酸（SFA）含量为61.57%–68.91%wt，斜生栅藻为41.82%–58.60%wt；斜生栅藻多不饱和脂肪酸（PUFA）含量更高。因此，物种间脂肪酸组成差异明显，培养条件和氮有效性对FAME生产力有显著影响。

### 3.3 Estimated Biodiesel Properties（预测生物柴油性质）

基于FAME组成的预测性质显示：两种微藻的十六烷值（CN）为23.6–37.2，均低于ASTM D6751和EN 14214最低要求；碘值（IV）低于EN 14214上限（≤120 g I₂/100 g）；氧化稳定性（OS）仅部分普通小球藻处理达到EN 14214的6 h阈值，斜生栅藻为4.1–5.9 h；冷滤点（CFPP）为14.9–15.0 °C，不适合低温应用；运动黏度约4.5 mm² s^?1，符合ASTM D6751和EN 14214范围；高位热值（HHV）为36.6–38.4 MJ kg^?1，低于矿物柴油。因此，所得FAME混合物不完全符合国际生物柴油规格，需调合或提质。

### 3.4 Implications for Circular Economy and Resource Recovery（循环经济与资源回收意义）

城市废水可同时支持微藻生长、TOC去除和FAME生产。斜生栅藻在废水处理效率上占优（TOC去除最高92%），普通小球藻在FAME生产上占优，二者存在权衡。从循环经济角度，废水处理产生的生物质可作生物柴油等增值产品原料，但预测燃料性质未全面达标，需进一步加工或调合。未来需评估生物质收获、下游加工、工艺放大及技术经济和生命周期可行性。

### 4. 讨论与结论

讨论指出，脂肪酸组成受培养条件显著影响，SFA/MUFA/PUFA的平衡决定燃料性质。高SFA可提高十六烷值和氧化稳定性但恶化冷流性能，高PUFA降低氧化稳定性。预测性质未全面满足国际标准，意味着需通过物种选择、培养条件调控或调合策略来优化。研究结论可翻译为：斜生栅藻和普通小球藻在利用城市废水进行生物处理和生物质增值方面具有互补优势。斜生栅藻在混合营养氮限制条件下达到最高TOC去除率（92%），更适合以废水处理为主要目标的应用；普通小球藻在氮限制下表现出更高的FAME生产力和更饱和的脂肪酸组成，预测十六烷值和氧化稳定性相对较高。然而，两种物种的预测十六烷值均低于ASTM D6751和EN 14214的最低值，CFPP也较高，因此所得FAME混合物不能视为直接符合国际生物柴油标准，需要组成优化、调合或进一步提质。物种选择应依据过程目标而非仅基于生物柴油品质。这些发现支持微藻废水处理作为综合资源回收策略的潜力，但仍需中试研究、工艺优化和直接燃料测试来确定实际可行性。