CN103272476B - 一种利用伪枝藻固定co2的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用伪枝藻固定CO₂的方法，将含有CO₂的气体通入伪枝藻溶液中，加入一定量的钙离子溶液，利用伪枝藻的生物钙化作用，促进水体中的Ca²⁺和CO₃ ^2-结合生成CaCO₃沉淀，从而固定气体中的CO₂。本发明提供的利用伪枝藻固定CO₂的方法可以降低气体中CO₂的含量，实现CO₂的永久固定；并且伪枝藻在自然界中存在广泛容易获得，利用伪枝藻固定CO₂可以实现生物的有效利用；同时伪枝藻光合作用还会吸收CO₂增加去除率。本发明提出的固定CO₂的方法操作简单、成本低廉，具有良好的环境意义。

Description

一种利用伪枝藻固定CO2的方法

技术领域

本发明属于CO₂固定技术领域，具体涉及一种利用伪枝藻固定CO₂的方法，适用于潜艇、飞行器、空间站等密闭空间，以及高铁、空调列车等半密闭空间内的CO₂的去除。

背景技术

二氧化碳(CO₂)是一种最重要的人为温室气体。温室气体的过量排放，破坏了自然生态平衡，使得全球温度升高，海平面上升，生物多样性丧失，干旱、火灾、热浪、风暴等极端灾害性气候频发，最终导致生态系统的改变，严重影响人类的各项活动。在密闭空间中，由于工作人员的呼吸和一些设备的运行，会导致密闭空间内空气中CO₂的浓度不断上升，当空间内CO₂浓度较高时，会使人出现头疼、头晕、耳鸣、恶心、呕吐等症状，影响工作人员的身体健康，降低工作效率，严重时会危害生命健康，导致昏迷甚至死亡。控制降低潜艇、飞行器、空间站等密闭空间，以及高铁、空调列车等半密闭空间内CO₂的浓度，成为该类环境中必须考虑的问题。

生物钙化现象是自然界普遍存在的一种现象，如天然水体中存在的层叠石，石灰华等矿物，以及一些导致水体颜色变白的whiting现象。钙化生物的种类也有很多，如一些细菌，真核微藻，不同种类的蓝藻等。

伪枝藻是一种很常见的蓝藻，在潮湿的土壤、岩石、墙壁、树皮上都可以生长，也有的生活在温泉里，对营养条件的要求很低，生存范围很广。伪枝藻在我国分布也很广泛，广州，云南，东北等地的伪枝藻已有学者进行了分类研究。伪枝藻除了具有蓝藻共有的一些性质外，还具有固氮能力，可以使大气中的游离氮形成化合态氮；还可以分泌多糖类物质，粘结土壤颗粒，使土壤保持水分。除了固氮和保持土壤水分之外，现在还有人研究从伪枝藻中提取有经济价值的物质，例如伪枝藻素，藻蓝蛋白，多糖等。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用伪枝藻的生物钙化作用固定密闭、半密闭空间中CO₂的方法。该方法是将密闭、半密闭空间中含有CO₂的气体通入到生长有伪枝藻的水体中，利用伪枝藻的生理、生化作用固定气体中的CO₂，达到减少空气中CO₂浓度的目的。

本发明提出的一种利用伪枝藻生物钙化作用固定CO₂的方法，具体包括以下几个步骤：

第一步：伪枝藻的分离、培养和驯化，获得单一种类伪枝藻对数生长期的伪枝藻细胞液；

采集生长有藻类群落的样本，采集后用BG11液体培养基培养。将藻液用吸管吸取，滴到载玻片上，稀释，在显微镜下观察，用镊子将藻丝轻轻剥离分开后，夹取分离伪枝藻丝。将取出的藻丝用无菌水反复冲洗，当藻丝上不再有其他藻类或杂质存在时，移入灭菌后的BG11液体培养基中培养。

伪枝藻在使用之前要用接近于生物钙化水体状态的培养基进行驯化，使其适应生物钙化的水体，减少钙化固定CO₂所需的时间。

伪枝藻的培养和驯化在人工气候箱中，培养条件：温度20-25℃，光照度3000-5000lx，光暗周期比为16h:8h，并持续曝气。测定伪枝藻的生长状况，获得对数生长期的伪枝藻细胞液。

第二步：伪枝藻生物钙化固定二氧化碳。

向伪枝藻细胞液中加入含有Ca²⁺溶液形成混合液，持续光照（光照度3000-5000lx），混合液pH值为7.5～9，温度为20～25℃。

向上述混合液中通入含有CO₂的气体，当混合液的pH值升高至一段稳定期时，钙化过程结束。

所述混合液中Ca²⁺浓度大于100mg/L。一般选取含有Ca²⁺溶液为氯化钙溶液或硝酸钙等。

所述的混合液中还可以加入水和碳酸氢钠等组分。

第三步：溶液回收利用。

钙化过程结束后，将上述的伪枝藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca²⁺和伪枝藻细胞，形成新的伪枝藻细胞液，返回第二步，再次钙化利用。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的是一种利用生物钙化作用固定CO₂的方法，操作简便，成本低廉；

(2)本发明提供的是一种利用伪枝藻固定CO₂的方法，所用的伪枝藻来源广泛，易于获得；利用伪枝藻固定密闭、半密闭环境中的CO₂可以防止微环境中CO₂浓度过高，降低对其中工作人员的危害；同时伪枝藻在生物钙化的过程中会进行光合作用，吸收利用CO₂，增加CO₂的去除率；

(3)本发明提供的是一种利用伪枝藻生物钙化作用固定CO₂的方法，可以实现对CO₂的永久固定和封存。

附图说明

图1：本发明中测量得到的加入伪枝藻细胞的溶液与空白溶液的pH值随时间的变化；

图2：本发明中加入伪枝藻细胞的溶液与空白溶液的过饱和指数SI值随时间的变化；

图3：本发明中得到的加入伪枝藻细胞的溶液中碳酸钙晶体在扫描电子显微镜下的形貌图（放大倍数1000倍）；

图4：本发明中得到的碳酸钙晶体的能谱分析图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的利用伪枝藻固定CO₂的方法，具体操作步骤如下：

第一步：伪枝藻的分离、培养和驯化。

采集生长有伪枝藻的藻类群落的样本，用BG11液体培养基培养起来。将培养基中的藻丝用吸管吸取，滴于载玻片上，稀释，在显微镜下观察，将藻丝用镊子轻轻剥离分开，分离出伪枝藻丝。将取出的藻丝用无菌水反复冲洗，到藻丝上不再有其他藻类或杂质存在时，移入灭菌后的BG11液体培养基中培养。

伪枝藻在使用之前要用接近于生物钙化水体状态的培养基进行驯化，使其适应生物钙化的水体，减少钙化固定CO₂所需的时间。

伪枝藻的培养和驯化在人工气候箱中，培养条件：温度20-25℃，光照度3000-5000lx，光暗周期比为16h:8h，持续曝气。测定伪枝藻的生长状况，获得对数期的藻细胞液。

第二步：伪枝藻生物钙化固定CO₂。

伪枝藻生物钙化在平底玻璃瓶中进行。平底玻璃瓶有两个口在瓶壁下部，一个为气体通入口，一个为实验结束时溶液排出口。另外平底玻璃瓶顶部设置相应的测试取样口，持续测定溶液pH值的变化，取样测定溶液中离子浓度变化及空间气体中CO₂的含量。

向平底玻璃瓶中加入伪枝藻细胞液和一定浓度的Ca²⁺溶液形成混合液，混合液中Ca²⁺浓度大于100mg/L，为碳酸钙沉淀形成提供较高饱和度，促进钙化过程，缩短钙化时间。混合液的初始pH值大约为7.5-9，有利于钙化作用的进行。

将含有二氧化碳的气体（CO₂的质量浓度为0.04%-4%）用空气泵持续通入到上述的混合液中。当混合液的pH值升高到一定值并维持稳定时，钙化过程结束。

所述钙化过程温度保持在20-25℃，此温度条件为人类适宜的生活温度，在此温度下，伪枝藻细胞生长状态良好。钙化过程在持续光照（光照度为3000-5000lx）的条件下进行，持续光照使伪枝藻一直处于光合作用的状态，持续的光合作用会使溶液一直处于碱性条件下。

所述钙化过程中持续不断的搅拌所述混合液，使混合液中的Ca²⁺离子和CO₂气体分布均匀，并充分接触。

第三步：溶液回收利用。

钙化过程结束后，将上述的伪枝藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca²⁺和伪枝藻细胞，返回第二步，再次钙化利用。

为了验证本发明提出的利用伪枝藻生物钙化作用固定CO₂的方法的效果，在实验室内模拟实验测定实验过程中钙离子浓度的变化，以及利用扫描电子显微镜对细胞进行观察，利用能谱仪对得到的晶体进行成分分析，直接反应钙化情况。结果表明，本发明提出的利用伪枝藻生物钙化作用固定CO₂的方法可以有效的促进溶液中的Ca²⁺和CO₃ ^2-结合，形成碳酸钙沉淀，达到CO₂的去除效果。

实施例1：

本实施例中提供一种利用伪枝藻生物钙化作用固定CO₂的方法，具体包括以下几个步骤：

第一步：伪枝藻的分离、培养和驯化。

采集生长有伪枝藻的藻类群落的样本，用BG11液体培养基培养，用镊子轻轻剥离分开藻丝，分离出伪枝藻丝，用无菌水反复冲洗后移入灭菌后的BG11液体培养基中培养。

伪枝藻在使用之前要要用接近于生物钙化水体状态的培养基进行驯化，驯化伪枝藻的培养基为贫营养的液体培养基，成分为：5.9mg/LCa(NO₃)₂·4H₂O,46.7mg/LNaNO₃,4.1mg/LK₂HPO₄·3H₂O,2.5mg/LMgSO₄·7H₂O,168mg/LNaHCO₃,11.45mg/LNa-EDTA（乙二胺四乙酸二钠）,3mg/LFeSO₄·7H₂O,248μg/LH₃BO₃,135μg/LMnSO₄·H₂O,7.2μg/L(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O,23.2g/LZnSO₄·7H₂O,12μg/LCo(NO₃)₂·6H₂O,10.4μg/LCuSO₄·5H₂O。伪枝藻的培养和驯化在人工气候箱中，培养条件：温度22℃，光照度3000lx，光暗周期比为16h:8h，持续曝气。测定伪枝藻的生长状况，获得对数期的藻细胞液。

第二步：伪枝藻钙化固定CO₂。

持续光照条件下（光照度3000lx），取第一步中处于对数期的伪枝藻细胞液进行稀释，使藻细胞浓度为每毫升藻液中含有1×10⁸个藻细胞。向藻细胞液加入NaHCO₃溶液以及一定浓度的CaCl₂溶液，使藻细胞液中钙离子浓度为150mg/L，保持溶液的温度在22℃左右。向此溶液中持续通入含有CO₂的气体（CO₂的质量浓度为0.6%），气体流速为30ml/min。气体来源于N₂，O₂，CO₂气瓶配气，搅拌器转速为60rpm，持续进行100h，过程中全程测量了溶液的pH值。

第三步：溶液的回收利用。

钙化过程结束后，将上述的伪枝藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca²⁺和伪枝藻细胞，返回第二步，再次钙化利用。

在固定过程中设置了没有加入伪枝藻的空白对比试验，其他条件相同，得到以下结果：

加入伪枝藻细胞的溶液pH值变化大于空白溶液的变化，pH值本身也总是大于空白溶液（图1）。加入伪枝藻细胞的溶液在溶液平衡后pH值开始逐渐上升，而平衡pH值在8.3左右，溶液pH值在第87小时左右达到最大值，为10.2左右，之后开始缓慢下降，但是直到100小时，溶液的pH值依然在10.0以上。

实施例2：

本实施例中提供一种利用伪枝藻生物钙化作用固定CO₂的方法，具体包括以下几个步骤：

将伪枝藻分离、培养和驯化后，将处于对数生长期的伪枝藻细胞液（浓度为每毫升1×10⁵个细胞）加入到平底玻璃瓶中（容积为1.2L），持续光照条件（光照度4000lx）下，向藻细胞液加入一定浓度的NaHCO₃溶液，然后向溶液中加入一定浓度的CaCl₂溶液，使平底玻璃瓶中钙离子浓度为190mg/L，保持温度在20℃左右，溶液起始pH值为7.5～9，向此溶液中持续通入含有CO₂的气体（CO₂的质量浓度为0.4%），气体流速为30ml/min，过程持续进行100h。

钙化过程结束后，将上述的伪枝藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca²⁺和伪枝藻细胞，再次钙化利用。

设置了没有加入伪枝藻的空白对比试验，其他条件相同，每隔一定时间取样，测定藻细胞的生长状态，测定溶液的pH值，碱度，主要阳离子（Ca²⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺）的含量，主要阴离子（Cl^-，NO₃ ^-，SO₄ ^2-）的含量，并根据测得的数据，用软件VisualMINTEQ计算每一取样点碳酸钙的过饱和指数，得到如下结果：

加入藻细胞的溶液中钙离子浓度的下降速度比空白溶液快，溶液中钙离子浓度的降低值远大于空白溶液，加入伪枝藻细胞的溶液Ca²⁺浓度在65小时时降到了最低，Ca²⁺浓度减少了20.0%。

通过软件VisualMINTEQ[version3.0]计算出溶液的过饱和指数如图2所示，发现加入伪枝藻细胞的溶液过饱和指数明显增大，最高可以达到2.9，而空白溶液的过饱和指数则变化不大，一直保持在在0.2-0.3之间。

根据钙离子浓度的减少量，换算伪枝藻溶液去除二氧化碳的量。在实验条件下，1L190mg/L的Ca²⁺溶液在65h内钙化作用去除CO₂的量为41.1mg。

实施例3：

本实施例中提供一种利用伪枝藻生物钙化作用固定CO₂的方法，具体包括以下几个步骤：

将伪枝藻分离、培养和驯化后，将处于对数生长期的伪枝藻细胞液（浓度为每毫升1×10⁸个细胞）加入到平底玻璃瓶中（容积为1.2L），持续光照条件下（光照度5000lx），向藻细胞液加入一定浓度的NaHCO₃溶液，然后向溶液中加入一定浓度的CaCl₂溶液，使平底玻璃瓶中钙离子浓度为150mg/L，保持温度在25℃左右，溶液起始pH值为7.5～9，向此溶液中持续通入含有CO₂的气体（CO₂的质量浓度为0.4%），气体流速为30ml/min，过程持续进行100h。

钙化过程结束后，将上述的伪枝藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca²⁺和伪枝藻细胞，再次钙化利用。

在实验中设置了没有加入伪枝藻的空白对比试验，其他条件相同，实验过程中，每隔一定时间取样过滤，测定滤膜上形成的晶体状况。

将滤膜上的样品经过处理，用扫描电子显微镜观察，发现有晶体生成（图3中颜色较亮，有规则形状的结构）。加入伪枝藻细胞的溶液中生成的晶体比空白溶液中的晶体的数量多，颗粒的粒径也大。使用能谱仪进行成分分析（图4），发现生成的晶体中钙含量很高，确实是碳酸钙晶体。

Claims (1)

1.一种利用伪枝藻固定CO₂的方法，其特征在于：具体包括以下几步：

第一步：伪枝藻的分离、培养和驯化，获得单一种类伪枝藻对数生长期的伪枝藻细胞液；所述的伪枝藻的培养和驯化在培养箱中，培养条件为：温度20-25℃，光照度3000-5000lx，光暗周期比为16h:8h，持续曝气；驯化伪枝藻的培养基为贫营养的液体培养基，成分为：

5.9mg/LCa(NO₃)₂·4H₂O,46.7mg/LNaNO₃,4.1mg/LK₂HPO₄·3H₂O,2.5mg/LMgSO₄·7H₂O,168mg/LNaHCO₃,11.45mg/LNa-EDTA,3mg/LFeSO₄·7H₂O,248μg/LH₃BO₃,135μg/LMnSO₄·H₂O,7.2μg/L(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O,23.2g/LZnSO₄·7H₂O,12μg/LCo(NO₃)₂·6H₂O,10.4μg/LCuSO₄·5H₂O；

第二步：伪枝藻生物钙化固定CO₂；

向伪枝藻细胞液中加入含有Ca²⁺的溶液、碳酸氢钠和水形成混合液，持续光照，混合液中pH值为7.5～9，温度为20～25℃；持续光照的光照度为3000-5000lx；

向上述混合液中通过含有CO₂气体，当混合液的pH值升高到一定值并维持稳定，钙化过程结束；所述的含有二氧化碳的气体中CO₂的质量浓度为0.04％～4％；

所述混合液中Ca²⁺浓度为150～190mg/L；所述的含有Ca²⁺溶液为氯化钙溶液；

第三步：溶液回收利用；

钙化过程结束后，将上述的伪枝藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca²⁺和伪枝藻细胞，返回第二步，再次钙化利用。