高效處理稀土廢水并固定CO2 的新型組合式光生物反應器研究性實驗

呂 樂，杜 靜，閆 海

（1.北京科技大學化學與生物工程學院，北京 100083；2.北京石油學院附屬中學，北京 100083）

微生物學是研究微生物及其生命活動規律的科學，它既是生命科學中的獨立學科，又是分子生物學、遺傳學和基因工程學等現代生物技術的重要基礎［1－2］。微生物學實驗是微生物學課程中的重要組成部分，是學生理解和掌握微生物學基本原理的必需的教學環節，在“知識、技能、創新、素質”的培養方面具有理論教學不可取代的作用。掌握微生物實驗技術對培養學生的基礎實驗技能，鍛煉學生觀察能力、操作能力、思維能力與運用知識的能力以及提高學生動手能力和創新意識有著重要作用［3－4］。因此，我們在教學過程中注重理論和實踐的結合，不斷在教學內容上進行改革，以培養順應時代發展的實用型和創新型人才。

近年來，針對傳統微生物實驗教學體系存在的諸多不足，許多高校都在對微生物學實驗教學模式進行著積極的探索，嘗試著在實驗內容、教學模式和教學方法等方面進行著改革，取得了較好的教學效果。我們認為突出生物技術專業特色，充分利用實驗教學的特點，提高學生解決實際問題的能力，加強學生實踐能力和創新意識的培養是微生物實驗教學必須遵循的宗旨。結合本專業特點和當前社會的熱點問題——節能減排與可持續發展，我們有針對性地開展了微生物學創新性實驗［5－9］項目的探索——構建高效處理稀土廢水并固定CO2的新型組合式光生物反應器的研究。

1 實驗目的、基本原理和材料

（1）實驗目的:觀察并掌握小球藻菌落特征、個體形態、生長及繁殖方式，學習并掌握血球計數板直接計數法計數小球藻細胞數目；掌握培養基的配制原理、配制程序、配制方法及高壓蒸汽滅菌的原理和操作方法；了解環境因素對小球藻生長的影響，掌握小球藻優化培養的方法；根據實驗要求，查閱國內外文獻，設計并構建能高效處理稀土廢水和固定CO2的新型組合式光生物反應器，學習并掌握TOC－TN 測定儀的原理和使用方法。

（2）基本原理:參考錢存柔、黃儀秀主編，北京大學出版社出版的《微生物學實驗教程》［10］。

（3）實驗儀器和材料:小球藻，組合式光生物反應器，微生物實驗室各種常用藥品和儀器。

2 實驗內容

學生根據文獻配制培養基，分離、純化獲得小球藻單克隆菌落，觀察小球藻個體形態及其菌落特征；在小球藻批量培養實驗中探索稀土廢水濃度對小球藻生長的影響，建立吸光度與藻細胞個數（干重）之間的線性關系；設計并構建新型光生物反應器，并探索小球藻處理稀土廢水和固定CO2的能力。

3 實驗過程與結果

3.1 小球藻培養基的制備

實驗所用小球藻來源于北京科技大學生物科學與工程系，該藻種具有自養生長和異養生長的能力。學生查閱文獻，與任課教師討論修改后確定小球藻光照自養培養基、異養培養基和培養條件。

3.2 小球藻形態結構觀察及計數

學生配制小球藻光照自養培養基，采用平板涂布法從小球藻菌液中分離純化得到小球藻單克隆菌落，觀察個體形態和菌落特征，并使用血球計數板對小球藻進行計數。小球藻個體形態觀察結果見圖1。

圖1 小球藻的細胞形態

3.3 變廢為寶，以稀土廢水培養小球藻

稀土廢水是稀土冶煉過程中排放的廢水，其中氯化銨的質量濃度一般高達11 000 mg／L 以上；高氨氮濃度的廢水是引起水體富營養化的重要因素之一。目前，國內外處理氨氮廢水的方法主要分為物化法和生物法［11］。由于稀土廢水含氮量高而碳含量不足，因此廢水的可生化性差，氨氮去除率低。微細藻類是最古老的光合作用有機體，不僅可以固定大氣中的二氧化碳，而且可以吸收水體中的氮源支持其生長，同時培養出來的高脂含量的藻細胞可以用來生產生物柴油，高蛋白的藻細胞還可以作為優質飼料或肥料，因此是解決含氮廢水處理與資源化的一條有效途徑。

根據微生物學實驗課的學時和進度安排，將學生分為4組，分別探索稀土廢水質量分數為0.1%、1%、5%、10%對小球藻異養生長的影響。具體的實驗方案:將高濃度的稀土廢水按比例稀釋，向其中添加其他營養成分（葡萄糖、磷酸鹽等），經121℃的高溫滅菌后作為培養基。每組均按照接種后光密度OD680nm為1.0的接種量接種，在200r／min、25 ℃下黑暗異養培養，并通過測定生物量（680nm 處光密度值）（見圖2和圖3），圖3中DWC 表示干燥后質量濃度。凱氏定氮法和TOC－TN 測定儀測定培養液中氨氮（即廢水中氨氮）的利用情況（見圖4），研究其對不同濃度稀土廢水處理能力。

圖2 光密度與小球藻細胞濃度（干燥后質量濃度）的線性關系

圖3 稀土廢水濃度對小球藻生長的影響

3.4 設計制作新型組合式光生物反應器

圖4 小球藻對不同質量稀土廢水處理效果

目前，國內外微藻光反應器主要有開放式和密閉式光生物反應器兩大類。開放式光生物反應器即開放池培養系統，其優點是構建簡單、成本低廉及操作簡便，易于放大，最早應用于商業化微藻大規模培養中。然而該法培養過程受光照、溫度等自然環境影響較大，并且易被雜菌和其他藻種污染，同時水分蒸發嚴重，CO2固定效率低，最終導致培養的藻細胞密度低、采收成本較高。密閉式光生物反應器是用透明材料組建的一類密閉式生物反應器［12］，其比表面積大，光能利用率高，在最佳狀態下可達到18%，而植物和森林僅能利用入射光能的0.2%。針對開放式反應池光能和CO2利用率低、培養環境不穩定等問題，結合管道式光生物反應器光照充分，CO2利用效率高，可以獲得更高的藻生物量的優勢，設計制做出了一種新型組合式光生物反應器。該反應器同時具備了當前培養池和管道式光生物反應器的優點，不僅能夠高效利用光能和固定二氧化碳，而且可以明顯提高微藻的生長速度，在高效減排CO2和培養大量高細胞濃度微藻方面具有重要的應用價值。

3.4.1 設計思路

本設計旨在提高光能和CO2的利用效率及微藻的高效生長，因此高效的光生物反應裝置需要滿足以下條件:（1）充足可控的光照強度；（2）適宜微藻生長的溫度；（3）pH 控制系統；（4）高效的供氣和布氣裝置；（5）充分而均勻的混合條件。

3.4.2 設計方案

依據設計思路，新型組合式光生物反應器包括隔板反應池和螺旋管道兩部分。在隔板式反應池中實現培養物充分混合、O2的釋放以及適宜溫度、pH 等微藻培養條件的控制；在培養管道中進一步提高微藻光合作用效率和CO2的固定能力，從而達到高效固定CO2和高效培養微藻的目的。

3.4.3 工作原理

本裝置主要由隔板反應池和螺旋培養管道兩部分組成，總容積28L，培養體積21L（見圖5）。隔板反應池主要由微孔曝氣管、溫控裝置和潛水泵組成。微藻培養物在反應池中經微孔曝氣、pH 值和溫度調節、在隔板反應池中實現混合流動、O2釋放及培養條件的控制，實現微藻的快速生長；潛水泵將混合后的微藻培養物從培養池中泵入螺旋管道，同時通入CO2使其與微藻在管道中充分進行光合作用，從而完成CO2的高效固定。從螺旋管道流出的培養物再次進入隔板反應池實現循環。由此構成隔板反應池和螺旋管道組合的節能固碳微藻培養系統，在高效固定CO2和高效培養微藻方面具有重要的應用前景。

圖5 新型組合式光生物反應器

3.5 節能減排，新型光生物反應器處理稀土廢水固定CO2的效果

學生運用自制的新型光生物反應器，研究小球藻在光生物反應器中處理稀土廢水并固定CO2的效果，并對其進行優化。將異養培養獲得的高細胞濃度小球藻液，按照接種后OD680nm為1.0的接種量接種到自制的新型組合式光生物反應器中。培養體積為20L，培養溫度28 ℃，培養周期為6d。培養過程中通過pH計監測培養體系pH 變化，通過蠕加泵流加酸堿控制pH 在6.5左右。CO2濃度采用SCY－2A 二氧化碳氣體測定儀進行測定，CO2固定效率通過測定進氣和出氣中的CO2濃度進行計算。每24h進行CO2的測定，并取樣進行藻細胞濃度的測定。實驗結束后測定各個樣品并進行分析。結果表明:稀土廢水含量為1%、小球藻接種后OD680nm為1.0、運行新型組合式光生物反應器6d，小球藻生長狀況最好，此時稀土廢水中氨氮去除率和CO2的固定率均可達80%，實現了節能減排、高效去除氨氮并固定CO2的目標。

4 效果

本創新實驗采用既能光照自養生長又能異養生長的小球藻USTB－01，學生在批量培養實驗中探索稀土廢水不同質量分數對小球藻異養生長的影響，在此實驗中使學生初步掌握微生物優化培養的方法，熟練使用顯微鏡、分光光度計、凱氏定氮儀和TOC－TN 儀等儀器，能夠分析實驗結果并建立各數據之間的線性關系。學生通過查閱文獻，集思廣益，共同設計并成功構建了組合式新型光生物反應器，研制的新型組合式微藻光生物反應器能夠有效地利用光源，與其他光生物反應器相比具有更大的優勢，能夠更高效固定CO2，培養獲得高濃度小球藻。通過小球藻培養處理廢水和廢氣，在降低處理成本的同時獲得較高的經濟效益和環境效益，達到了“變廢為寶”、“節能減排”的目的，因此利用小球藻處理污水，同時利用太陽光能進行光合作用固定CO2具有很高的應用前景。

學生自主設計、教師指導的微生物學設計性實驗——高效處理稀土廢水并固定CO2的組合式光生物反應器研究內容貼近生產、生活實際和研究熱點，具有一定的基礎性和探究性［12］。實驗由教師指定實驗范圍，學生查閱資料，自主設計實驗方案、準備實驗材料、自己動手完成實驗、觀察分析實驗結果，并解決實驗中出現的問題，最后撰寫出規范的實驗報告。學生在實驗過程中不僅對微生物學的基本實驗操作進行了反復訓練和強化，規范了實驗操作，而且通過親自查閱文獻，分析討論實驗中遇到的各種問題，設計并制作組合式光生物反應器，激發了學生探索研究的興趣，培養了學生獨立的思維能力、嚴謹的科學態度、百折不撓的工作作風、相互協作的團隊精神和勇于開拓的創新意識。實驗中教師充當引導者、指導者、監督者和服務者的角色，在引導學生制定切實可行的實驗方案、聽取學生匯報實驗進程中，啟發學生解決實驗問題等，為學生服務［13－15］。

5 結束語

雖然開設微生物學設計性實驗對于培養學生創新能力和實踐能力的優勢明顯，但在實驗過程中也存在一些問題［16－17］，如實驗時間如何安排更合理、實驗如何安排能達到最好的實驗效果等。我們的微生物學實驗教學改革才起步，如何使微生物學實驗教學更加適應高等教育人才培養的要求，培養出更多更好的創新型人才，我們將不斷地探索和實踐。

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