CN107805655B - 一种橘色藻人工草皮及其耦合铵氮污水处理和类胡萝卜素生产的应用 - Google Patents

一种橘色藻人工草皮及其耦合铵氮污水处理和类胡萝卜素生产的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种橘色藻人工草皮及其耦合铵氮污水处理和类胡萝卜素生产的应用。将大的橘色藻植物体裁剪成片段状藻丝并通过增稠后接种成膜，而制备得到橘色藻人工草皮；并利用这一人工草皮耦合铵氮污水治理和类胡萝卜素生产。与现有技术相比，本发明选用的橘色藻成膜方法简单，成膜效率高，形成后附着牢靠，有很强的抵抗水冲击能力，可在水浸没或半浸没状态生长。制备的橘色藻人工草皮中藻丝呈直立形态为主的立体网状，厚度达到10mm，整个生物膜的比表面积大。本发明选用的橘色藻对铵态氮具有高效清除率，且具有耐受高浓度铵态氮和强酸环境的能力，甚至可以直接处理畜禽养殖污水和生活污水。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

一种橘色藻人工草皮及其耦合铵氮污水处理和类胡萝卜素生 产的应用
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种橘色藻人工草皮及其耦合铵氮污水处理和类胡萝卜素生产的应用。
背景技术
微藻细胞富含油脂、蛋白质、碳水化合物和天然色素等高附加值成分，在食品、饲料、医药和生物燃料等领域具有广阔的应用前景。微藻在生长过程中需要大量吸收氮、磷以及二氧化碳等成分，因而也在污水处理和二氧化碳减排等方面有应用价值。
在微藻的生产和利用过程中，收获微藻生物质是回收高附加值成分和分离污染组分的必要过程。目前在液体悬浮培养过程中，藻生物质一般仅占总培养液的0.05％-1％，通过离心、过滤、气浮等方式采收需要处理大体积的水而消耗过多的能量。藻类固定化培养，通过将藻类附着固定在载体表面，解决了悬浮藻类不易收获的问题。至今，国内外在藻类固定化培养的应用方面进行了多种尝试，开发出藻类生物膜、藻类草皮等用于污水净化和藻类培养。如通过将载体浸入培养基和悬浮藻类中静态培养而形成生物膜(一种藻类生物膜的制备方法，CN106011122A；一种利用着生藻类生物－生物膜系统的水处理方法，CN1935688A；马沛明等，2007，藻类生物膜技术脱氮除磷效果研究，环境科学，28：742-746)，或者通过将藻类与培养基混合后透过膜材料而形成藻生物膜(一种光生物膜反应器及在污水处理、固碳和微藻采收中的应用-CN107012072A)。
遗憾的是，这些方法形成的生物膜厚度较小，通常仅为90-100μm(一种藻类生物膜的制备方法，CN106011122A)，细胞数量较少而降低了污染物清除速率。另一方面，上述方法形成藻类生物膜的细胞附着强度低，细胞易脱离附着基质，为形成稳定的藻类生物膜需长时间的预培养。因此，确实需要能克服现有技术的不利之处和障碍的系统，并提高现有技术的经济效益。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种橘色藻人工草皮及其耦合铵氮污水处理和类胡萝卜素生产的应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种橘色藻人工草皮的制作方法，包括：
1)将橘色藻打断成片段状藻丝；
2)将藻丝与液体培养基和增稠剂混匀，得混合液；
3)将混合液喷洒于基质的表面形成藻膜；
4)将藻膜在适宜的光强、温度、环境湿度和二氧化碳加富的空气中培养5-10天，形成带直立藻丝的人工草皮。
优选的，所述橘色藻选自绿藻门橘色藻目橘色藻科藻株。
更优选的，所述橘色藻选自橘色藻属和头孢藻属藻株。
最优选的，所述橘色藻为树栖橘色藻、金黄橘色藻或头孢藻。
优选的，所述片段状藻丝的长度范围为50-500μm。
优选的，所述增稠剂选自海藻酸、黄原胶、低温琼脂或壳聚糖；
优选的，所述液体培养基为BBM培养基。
优选的，所述混合液中，藻丝浓度为0.8～1.2g/L，增稠剂质量浓度为0.08～0.12wt％。
优选的，所述基质为透水材料，选自纤维织物、聚合物发泡材料、金属或聚合物网。
更优选的，所述基质为无纺布、滤布、海绵、聚乙烯网。
本发明还提供了任一上述的方法制备的橘色藻人工草皮。
本发明还提供了一种上述的橘色藻人工草皮在耦合处理铵氮污水和生产类胡萝卜素中的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明通过将大的橘色藻植物体裁剪成片段状藻丝并通过增稠后接种成膜，而制备得到橘色藻人工草皮；并利用这一人工草皮耦合铵氮污水治理和类胡萝卜素生产。与现有技术相比，本发明选用的橘色藻成膜方法简单，成膜效率高，形成后附着牢靠，有很强的抵抗水冲击能力，可在水浸没或半浸没状态生长。制备的橘色藻人工草皮中藻丝呈直立形态为主的立体网状，厚度达到10mm，整个生物膜的比表面积大。本发明选用的橘色藻对铵态氮具有高效清除率，且具有耐受高浓度铵态氮和强酸环境的能力，甚至可以直接处理畜禽养殖污水和生活污水。
(2)本发明制备方法简单、处理效率高、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1示出橘色藻生物膜的实物图，基质为滤布。
图2示出橘色藻生物膜的生长曲线图。
图3示出橘色藻生物膜对污水中氮的清除曲线，图中○是铵氮浓度的变化曲线，■是硝氮浓度的变化曲线，◇是pH的变化曲线。
图4示出橘色藻生物膜对不同初始浓度铵氮污水中的铵氮去除效果。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
橘色藻是一类分支丝状藻，属于绿藻门(Chlorophyta)，橘色藻目(Tretepohliales)，在自然环境主要生活在潮湿土壤、岩石、墙壁、树干及树叶表面。通过从自然环境中分离纯化后得到多株橘色藻属藻株，分别属于橘色藻属(Trentepohlia)和头孢藻属(Cephaleuros)藻株。在液体悬浮培养橘色藻时，植物体呈“绒球状”，直径范围为5-10mm，由少分支的纵向丝形成的外围“绒毛”和多分枝的匍匐丝紧密缠绕形成的核或内层所组成。在一些实施方式中，当利用液体悬浮培养的橘色藻植物体直接制备人工草皮时，发现植物体直径太大而不易形成均匀的生物膜。因此，通过将液体悬浮培养的橘色藻植物体(培养至任一阶段均可，以对数期为佳)利用高速分散均质机剪切打散，低速运行1分钟后得到混合液中藻丝的长度范围为50-500μm；然后向藻丝中加入一定体积的BBM培养基和一定量黄原胶混匀，利用喷壶将混匀液喷洒于滤布表面形成藻膜；进一步地，将藻膜置于适宜的光强和温度中，通过喷洒适量的水分保持藻膜湿润状态，培养5-10天，形成带直立藻丝的人工草皮，生物膜厚度达到5-10mm。
在另一些实施方式中，使用选自橘色藻属和头孢藻属藻株，如树栖橘色藻(T.arborum)、金黄橘色藻(T.aurea)、葫芦橘色藻(T.lagenifera)、约利橘色藻(T.jolithus)、T.rigidula、C.virescens和C.parasiticus，均成功制备得到橘色藻人工草皮。
在一些实施方式中，为提高接种初期藻丝的附着强度，加入的增稠剂选自海藻酸、黄原胶、低温琼脂、壳聚糖。
在一些实施方式中，使用的基质为透水材料，选自纤维织物、聚合物发泡材料、金属或聚合物网，如无纺布、滤布、海绵、聚乙烯网。
发明人在制备橘色藻人工草皮的实验中发现，橘色藻在生长过程中大量吸收培养基中的氮，特别是优先吸收铵态氮。在这一过程中，人工草皮中橘色藻生物量快速增长，通过分析橘色藻的色素组成，发明人发现橘色藻中含有大量的类胡萝卜素，尤其是玉米黄质和β-胡萝卜素。因此，本发明的第二方面本提供了一种利用橘色藻人工草皮耦合处理铵氮污水和类胡萝卜素生产的方法。
在一些实施方式中，首先制备多块橘色藻人工草皮，以S型串联排列，或平行排列；然后将橘色藻人工草皮置于铵氮污水水流中，在适宜的光照下培养，橘色藻在生长过程中大量吸收污水中的铵态氮；之后，培养一定时间后，部分收获橘色藻生物质，从其中提取类胡萝卜素。
在一些实施方式中，意外地发现橘色藻人工草皮可以耐受高度酸性，能在pH值2.0的污水中快速生长。此外，发现橘色藻人工草皮可以直接耐受高浓度的铵态氮，能在铵氮高达783mg/L的污水中生长。
一种橘色藻人工草皮，其制备方法包括：(1)将橘色藻打断成片段状藻丝；(2)将藻丝与液体培养基和增稠剂混匀；(3)将混匀液喷洒于基质的表面形成藻膜；(4)将藻膜在适宜的光强、温度、环境湿度和二氧化碳加富的空气中培养5-10天，形成带直立藻丝的人工草皮。
优选的，所述橘色藻选自绿藻门橘色藻目橘色藻科藻株，优选自橘色藻属和头孢藻属藻株。
更优选的，所述橘色藻选自树栖橘色藻、金黄橘色藻、头孢藻。
优选的，所述片段状藻丝的长度范围为50-500微米。
优选的，所述增稠剂选自海藻酸、黄原胶、低温琼脂、壳聚糖。
优选的，所述基质为透水材料，选自纤维织物、聚合物发泡材料、金属或聚合物网。
优选的，所述基质选自无纺布、滤布、海绵、聚乙烯网。
本发明还提供了一种利用橘色藻人工草皮耦合处理铵氮污水和类胡萝卜素生产的方法，其操作步骤包括：(1)制备橘色藻人工草皮，以S型串联排列，或平行排列；(2)将橘色藻人工草皮置于铵氮污水水流中，在适宜的光照下培养，橘色藻在生长过程中大量吸收污水中的铵态氮；(3)培养一定时间后，部分收获橘色藻生物质，从其中提取类胡萝卜素。
优选的，所述铵氮污水的pH不低于2，所述污水中铵态氮含量不高于800mg/L。
优选的，所述类胡萝卜素，优选玉米黄素和β-胡萝卜素。
实施例1
通过液体悬浮培养金黄橘色藻至对数期，收集植物体并利用高速分散均质机剪切打散，低速运行1分钟后得到混合液中藻丝的长度范围为50-500μm；然后向藻丝中加入50倍体积的BBM培养基和0.1wt％的黄原胶混匀，利用喷壶将混匀液喷洒于滤布表面形成藻膜；进一步地，将藻膜置于30μmol/m2/s的光强和25℃温度中，通过喷洒适量的水分保持藻膜湿润状态，培养10天，形成带直立藻丝的人工草皮，生物膜厚度达到7.5mm。
实施例2
采集头孢藻(Cephaleuros)植物体，利用高速分散均质机剪切打散植物体，得到混合液中藻丝的长度范围为50-500μm；加入一定体积的BBM培养基使藻丝终浓度达到约1g/L，加入0.1％的海藻酸钠混匀，之后洒于薄层海绵的表面至看到明显的绿色藻膜止；之后将海绵悬挂于一玻璃腔室中，从海绵顶端输入液体BBM培养基，并向腔室中通入含1％二氧化碳的空气，提供30μmol/m2/s的光照培养7天，海绵表面直立藻丝长度达到10mm，橘色藻人工草皮制备完成。
实施例3
以薄层海绵为基质，制备长2米、宽0.3米的树栖橘色藻人工草皮，按照自下而上的S型将人工草皮悬挂于长宽高均为0.5米的玻璃缸内，置于200μmol/m2/s的光照下；之后，将初始铵氮含量为200mg/L的人工污水喷洒至人工草皮的上表面，污水由于重力作用渗透经过多层橘色藻人工草皮聚集至玻璃缸底部，再经过水泵循环至污水喷洒口。循环培养3天后，玻璃缸底部人工污水中铵氮含量降低至14mg/L，达到污水排放一级标准。实验结束后，取出橘色藻人工草皮，利用水草剪收获人工草皮表面的橘色藻丝；藻丝经干燥后，利用有机溶剂，如甲醇、丙酮或甲醇/氯仿混合溶剂提取，得到含类胡萝卜素的色素提取物。通过高效液相色谱分析得到其中主要为玉米黄质和β-胡萝卜素。
实施例4
以滤布为基质，制备10块长0.5米、宽0.3米的头孢藻人工草皮，平行悬挂放置在长宽高均为0.5米的玻璃缸内，相邻人工草皮的间距为5cm；向玻璃缸中加入初始铵氮含量为500mg/L的人工污水将人工草皮浸没。之后，向铵氮污水中通入含1％二氧化碳的空气，并在300μmol/m2/s的光照下培养10天，测得污水中铵氮含量降低至23mg/L，达到污水排放二级标准。实验结束后，取出橘色藻人工草皮，利用水草剪收获人工草皮表面的橘色藻丝；藻丝经干燥后，利用有机溶剂，如甲醇、丙酮或甲醇/氯仿混合溶剂提取，得到含类胡萝卜素的色素提取物。通过高效液相色谱分析得到其中主要为玉米黄质和β-胡萝卜素。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种橘色藻人工草皮的制作方法，其特征在于，包括：
1)将橘色藻打断成片段状藻丝；
2)将藻丝与液体培养基和增稠剂混匀，得混合液；
3)将混合液喷洒于基质的表面形成藻膜；
4)将藻膜在适宜的光强、温度、环境湿度和二氧化碳加富的空气中培养5-10天，形成带直立藻丝的人工草皮；
所述橘色藻选自头孢藻属藻株。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述橘色藻为头孢藻。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述片段状藻丝的长度范围为50-500μm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增稠剂选自海藻酸、黄原胶、低温琼脂或壳聚糖。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体培养基为BBM培养基。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合液中，藻丝浓度为0.8～1.2g/L，增稠剂质量浓度为0.08～0.12wt％。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基质为透水材料，选自纤维织物、聚合物发泡材料、金属或聚合物网。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基质为无纺布、滤布、海绵、聚乙烯网。
9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的橘色藻人工草皮。
10.一种如权利要求9所述的橘色藻人工草皮在耦合处理铵氮污水和生产类胡萝卜素中的应用。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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