CN113637589B - 一种海洋硅藻的人工培育方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋硅藻的人工培育方法和应用，涉及海洋硅藻的培育技术领域。该海洋硅藻的人工培育方法包括使用培养基对海洋硅藻进行人工培养，培养基中添加有浓度为50‑100nmol/L的亚铁离子和浓度为50‑200nmol/L的铝离子。本申请通过在硅藻生长过程中对其生长环境进行调控，通过降低亚铁离子的浓度，并加入铝离子，有利于降低壳体的溶解度，提高生物泵效率。获得的海洋硅藻具有降低的溶解度和较高的生物泵效率，可广泛应用于环境保护、太阳能电池或制备碳化硅中。

Description

一种海洋硅藻的人工培育方法和应用

技术领域

本发明涉及海洋硅藻的培育技术领域，具体而言，涉及一种海洋硅藻的人工培育方法和应用。

背景技术

硅藻是一种在海洋和淡水中广泛分布的单细胞藻类。硅藻对二氧化碳的吸收效率高于绝大多数陆地植物和其它藻类，被认为是最高效的光合生物之一。基于此特点，硅藻贡献了全球～20％的初级生产力(～40％的海洋初级生产力)。在海洋中，巨量的海洋硅藻通过光合作用将二氧化碳转化为有机碳并经沉降将其输送至海底实现硅藻“生物泵”固碳——海洋硅藻贡献了全球约20％的固碳量，对大气二氧化碳浓度水平具有显著影响。

硅藻具有独特的硅质壳体，是由含水的无定形二氧化硅组成。硅藻壳体不仅在硅藻的生命周期中起到类似“盔甲”的重要保护作用，使硅藻可以稳定地捕获二氧化碳，形成有机组分；还在硅藻死后成为重要的载碳容器，保护和携带着有机碳抵达水和沉积层界面进入埋深。因此，硅藻壳体是硅藻固碳的关键。

然而，硅藻壳体为无定形二氧化硅结构，因此其易于溶解，从而导致其海洋硅藻整固碳效率较低。由此，想要提高硅藻的固碳效率，降低硅藻壳体的溶解度成为关键。但是，迄今为止，尚未有针对性提高硅藻壳体稳定性的有效方法。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋硅藻的人工培育方法，通过在硅藻生长过程中对其生长环境进行调控，通过降低亚铁离子的浓度，并加入铝离子，有利于降低壳体的溶解度，提高生物泵效率。

本发明的目的在于提供一种海洋硅藻在环境保护、太阳能电池或制备碳化硅中的应用。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种海洋硅藻的人工培育方法，其包括使用培养基对海洋硅藻进行人工培养，所述培养基含有浓度为50-100nmol/L的亚铁离子和浓度为50-200nmol/L的铝离子。

在可选的实施方式中，所述培养基中添加有浓度为80-100nmol/L的亚铁离子和浓度为160-200nmol/L的铝离子。

在可选的实施方式中，所述亚铁离子以硫酸亚铁和氯化亚铁中的至少一种进行添加。

在可选的实施方式中，所述铝离子以无机铝或有机铝的形式添加；

优选地，所述铝离子以氯化铝、硫酸铝和柠檬酸铝中的至少一种进行添加。

在可选的实施方式中，所述培养基为将f/2培养基中的亚铁离子降低至50-100nmol/L，并添加至铝离子浓度为50-200nmol/L所得的培养基。

在可选的实施方式中，控制所述培养基的pH至7-8。

在可选的实施方式中，所述硅藻包括海链藻、角毛藻和圆筛藻中的至少一种。

在可选的实施方式中，所述海洋硅藻的人工培育方法培育获得的海洋硅藻的壳体在5℃下的溶解度为380-520μmol/L。

在可选的实施方式中，所述海洋硅藻的人工培育方法培育获得的海洋硅藻的壳体在5℃下的固碳效率为73-89％。

第二方面，本发明提供如前述实施方式任一项所述的海洋硅藻在环境保护、太阳能电池或制备碳化硅中的应用。

本发明具有以下有益效果：

本申请提供的海洋硅藻的人工培育方法，通过在硅藻生长过程中对其生长环境进行调控，通过降低亚铁离子的浓度至50-100nmol/L，使得硅藻对硅的吸收增强，单个硅藻变大，硅含量增加，从而获得高硅硅藻，同时本申请中还添加的浓度为50-200nmol/L铝离子，铝离子作为非营养元素，不会影响其他营养元素的吸收，同时通过降低亚铁离子的浓度从而降低亚铁离子对铝离子的影响，使得硅藻在培育过程中基于硅藻无法对硅和铝进行选择，而使部分铝进入壳体并取代硅，从而使壳体带负电，进而降低壳体的溶解度，使得硅藻死后，更多的硅藻壳体能够成为重要的载碳容器，保护和携带着有机碳抵达水和沉积层界面进入埋深，提高生物泵效率。该培育方法具有高效易行、成本低廉、易于推广等优点。通过上述培育方法获得的海洋硅藻溶解度降低，固碳效率增加，可以广泛应用于环境保护、太阳能电池或制备碳化硅中。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明提供了一种海洋硅藻的人工培育方法，其包括使用培养基对海洋硅藻进行人工培养。

现有技术中，通过使用培养海洋藻类常用的f/2培养基作为培养基进行培养。其具体成分可参阅现有文献中对于f/2培养基的记载，具体包括：

配制方法：用过滤的海水或者人造海水定容至1L。用1M NaOH或HCl调节pH至8.0。配制固体培养基时加入15g细菌学琼脂。121℃高温蒸汽灭菌15min。如果培养的藻类需要添加硅元素时，可以加入0.03g/L的Na₂SiO₃·9H₂O。

其中，微量元素溶液的成分如下：

成分	浓度
		<![CDATA[Na<sub>2</sub>EDTA]]>	4.16g/L
<![CDATA[FeCl<sub>3</sub>·6H<sub>2</sub>O]]>	3.15g/L
		<![CDATA[CuSO<sub>4</sub>·5H<sub>2</sub>O]]>	0.01g/L
<![CDATA[ZnSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O]]>	0.022g/L
		<![CDATA[CoCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O]]>	0.01g/L
<![CDATA[MnCl<sub>2</sub>·4H<sub>2</sub>O]]>	0.18g/L
		<![CDATA[Na<sub>2</sub>MoO<sub>4</sub>·2H<sub>2</sub>O]]>	6mg/L

维生素溶液的成分如下：

由于常规的f/2培养基中，铁为三价铁，经发明人研究发现，采用三价铁时会延缓硅藻的生长分裂，硅藻需要自身将三价铁转化为二价铁，因此，本申请对上述常规的f/2培养基进行调整。现有技术中，在对海洋硅藻进行培养时，会加入大量的亚铁离子，亚铁离子的浓度高达＞10μmol/L。然而，经发明人研究发现，亚铁离子会促进硅藻的分裂，但是针对单个硅藻个体而言，亚铁离子抑制了硅藻对硅的吸收，硅藻的单个体积变小，有机物的含量会增高，硅含量降低。发明人通过调整常规的f/2培养基，将常规的f/2培养基中的三价铁离子去除，直接加入亚铁离子并控制培养基中亚铁离子的浓度，将亚铁离子的浓度降低至50-100nmol/L的亚铁离子，同时还添加了浓度为50-200nmol/L的铝离子。

铝离子并不是硅藻生长和分裂的必需营养元素，因此，常规的培养基中也不会添加铝离子，在海洋中也不会添加铝离子以促进硅藻的生长分裂。本申请中，通过向培养基中添加铝离子，同时通过降低亚铁离子的浓度从而降低亚铁离子对铝离子的影响，使得硅藻在培育过程中增加了硅藻对铝的捕获能力，而使部分铝进入壳体并取代硅，此时的壳体带负电荷。由于硅藻壳体是在碱性条件下与OH^-发生反应进行溶解的，所以当硅藻壳体带负电时，其会抑制OH^-的靠近，从而降低了硅藻壳体的溶解度，减缓了硅藻壳体溶解的可能性，使得硅藻死后，更多的硅藻壳体能够成为重要的载碳容器，保护和携带着有机碳抵达水和沉积层界面进入埋深。

具体而言，本申请中，培养基中添加有浓度为80-100nmol/L的亚铁离子和浓度为160-200nmol/L的铝离子。其中，亚铁离子以硫酸亚铁和氯化亚铁中的至少一种进行添加。铝离子以无机铝或有机铝的形式添加；优选地，铝离子以氯化铝、硫酸铝、柠檬酸铝、硝酸铝和明矾中的至少一种进行添加。本申请中，控制上述培养基的pH至7-8。

上述培养基适合培育各种硅藻，包括但不限于海链藻、角毛藻和圆筛藻中的至少一种。

本申请通过在硅藻生长过程中对其生长环境进行调控，通过降低亚铁离子的浓度，使得硅藻对硅的吸收增强，单个硅藻变大，硅含量增加，从而获得高硅硅藻，同时本申请中还添加的铝离子，铝离子作为非营养元素，不会影响其他营养元素的吸收，同时可以被硅藻选择进入壳体，取代部分硅，从而使壳体带负电，进而降低壳体的溶解度，提高生物泵效率。该培育方法具有高效易行、成本低廉、易于推广等优点。

经过上述培育方法获得的海洋硅藻，其壳体在5℃下的溶解度为380-520μmol/L，壳体在5℃下的固碳效率为73-89％(天然海水中静置十天后的有机质含量占初始有机质含量的质量百分比)。相较于常规培育的海藻硅藻而言，未加铝培养的海洋硅藻的原始溶解度为：860-970μmol/L，可以看出，硅藻壳体的溶解度可降低40-60％，其生物泵效率提高超过20％，该海洋硅藻可以广泛应用于环境保护、太阳能电池或制备碳化硅中。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

后续实施例使用的基础培养基均参照下表，不同实施例添加的铁离子和铝离子不同，仅需要在基础培养基上进行铁离子和铝离子的浓度调整即可，其他成分保持不变。

配制基础培养基的方法包括：

实施例1

本实施例提供了一种海洋硅藻的人工培育方法，其包括如下步骤：

(1)配制培养基

向上述基础培养基中添加硫酸亚铁和硫酸铝，使亚铁离子的浓度为50nmol/L，铝离子的浓度为50nmol/L。

(2)将海链藻置于培养基中进行人工培养。

实施例2-4

实施例2-4提供的海洋硅藻的人工培育方法，基本与实施例1相同，区别在于：亚铁离子和铝离子的浓度不同：

实施例2中，亚铁离子的浓度为50nmol/L，铝离子的浓度为100nmol/L。

实施例3中，亚铁离子的浓度为50nmol/L，铝离子的浓度为200nmol/L。

实施例4中，亚铁离子的浓度为100nmol/L，铝离子的浓度为200nmol/L。

实施例5

本实施例提供了一种海洋硅藻的人工培育方法，其包括如下步骤：

(1)配制培养基

向上述基础培养基中添加氯化亚铁和氯化铝，使亚铁离子的浓度为50nmol/L，铝离子的浓度为50nmol/L。

(2)将角毛藻置于培养基中进行人工培养。

实施例6

本实施例提供的海洋硅藻的人工培育方法，基本与实施例5相同，区别在于：亚铁离子和铝离子的浓度不同：

实施例6中，亚铁离子的浓度为100nmol/L，铝离子的浓度为200nmol/L。

实施例7

本实施例提供了一种海洋硅藻的人工培育方法，其包括如下步骤：

(1)配制培养基

向上述基础培养基中添加硫酸亚铁和硫酸铝，使亚铁离子的浓度为50nmol/L，铝离子的浓度为50nmol/L。

(2)将圆筛藻置于培养基中进行人工培养。

实施例8-10

实施例8-10提供的海洋硅藻的人工培育方法，基本与实施例7相同，区别在于：亚铁离子和铝离子的浓度不同：

实施例8中，亚铁离子的浓度为100nmol/L，铝离子的浓度为50nmol/L。

实施例9中，亚铁离子的浓度为100nmol/L，铝离子的浓度为160nmol/L。

实施例10中，亚铁离子的浓度为100nmol/L，铝离子的浓度为200nmol/L。

对比例1

将基础培养基添加硫酸亚铁，使亚铁离子的浓度为10μmol/L，不添加铝离子(即常规硅藻培养基)。

对比例2

将实施例10中的硫酸亚铁替换为硫酸铁，使铁离子的浓度为100nmol/L。

对比例3

将实施例10中的铁离子浓度调整为10μmol/L。

对比例4

将实施例10中的铝离子浓度调整为300nmol/L。

对比例5

将实施例10中的亚铁离子浓度调整为200nmol/L，铝离子的浓度调整为100nmol/L。

将上述实施例1-10以及对比例1-5获得的海洋硅藻进行检测，检测方法包括：

壳体硅含量的检测方法为：使用XRF对硅藻的含SiO₂量进行分析。

壳体溶解的检测方法为：将所获硅藻置于天然海水中，静置十天后使用ICP-AES测试溶液中的溶出硅含量。

壳体生物泵效率的检测方法为：将所获硅藻置于天然海水中，静置十天后测试其有机质含量，计算其占初始有机质含量的质量百分比，所用测试仪器为碳氮氧硫分析仪。

检测结果请参阅下表：

从上表可以看出，实施例1-实施例3可以看出，当铝离子浓度增加时，硅藻壳体硅含量降低且溶解度降低，固碳效率明显提高。而实施例4，亚铁离子增加，导致硅藻内有机质含量增高，硅量降低。此外，从对比例1可以看出，采用常规方法培养硅藻，硅藻的产品性能显著低于本实施例，同样的，当采用三价铁离子时，产品性能依旧欠佳，将对比例3、对比例5以及实施例10进行比较可以看出，亚铁离子浓度的增加会抑制硅对铝离子的吸收，从而导致产品硅含量明显低于实施例10、溶解度明显高于实施例10。从对比例4可以看出，继续增加铝离子浓度，并不会显著提升产品性能，反而固碳效率会降低。因此，本申请采用降低铁浓度并施加铝后，硅藻壳体的溶解度大大降低。所获硅藻壳体的溶解度将降低46-61％，其提高的“生物泵”固碳效率将提高＞20％。

综上所述，本申请提供的海洋硅藻的人工培育方法，通过在硅藻生长过程中对其生长环境进行调控，通过降低亚铁离子的浓度至50-100nmol/L，使得硅藻对硅的吸收增强，单个硅藻变大，硅含量增加，从而获得高硅硅藻，同时本申请中还添加的浓度为50-200nmol/L铝离子，铝离子作为非营养元素，不会影响其他营养元素的吸收，同时通过降低亚铁离子的浓度从而降低亚铁离子对铝离子的影响，使得硅藻在培育过程中基于硅藻无法对硅和铝进行选择，而使部分铝进入壳体并取代硅，从而使壳体带负电，进而降低壳体的溶解度，使得硅藻死后，更多的硅藻壳体能够成为重要的载碳容器，保护和携带着有机碳抵达水和沉积层界面进入埋深，提高生物泵效率。该培育方法具有高效易行、成本低廉、易于推广等优点。通过上述培育方法获得的海洋硅藻溶解度降低，固碳效率增加，可以广泛应用于环境保护、太阳能电池或制备碳化硅中。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (10)

1.一种海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，其包括使用培养基对海洋硅藻进行人工培养，所述培养基为在基础培养基中加入50-100 nmol/L的亚铁离子和50-200 nmol/L的铝离子，所述基础培养基的成分为NaNO₃ 75mg/L、NaH₂PO₄·H₂O 5 mg/L、Na₂SiO₃·9H₂O30mg/L、Na₂EDTA 4.16 mg/L、CuSO₄·5H₂O 0.01 mg/L、ZnSO₄·7H₂O 0.022 mg/L、CoCl₂·6H₂O 0.01 mg/L、MnCl₂·4H₂O 0.18 mg/L、Na₂MoO₄·2H₂O 0.06 mg/L、维生素B1 0.1μg/L、维生素B12 0.5μg/L和生物素0.5μg/L。

2.根据权利要求1所述的海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，所述培养基中添加有浓度为80-100 nmol/L的亚铁离子和浓度为160-200 nmol/L的铝离子。

3.根据权利要求1所述的海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，所述亚铁离子以硫酸亚铁和氯化亚铁中的至少一种进行添加。

4.根据权利要求1所述的海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，所述铝离子以无机铝或有机铝的形式添加。

5.根据权利要求1所述的海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，所述铝离子以氯化铝、硫酸铝、柠檬酸铝、硝酸铝和明矾中的至少一种进行添加。

6.根据权利要求1-4任一项所述的海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，控制所述培养基的pH至7-8。

7.根据权利要求1-4任一项所述的海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，所述硅藻包括海链藻、角毛藻和圆筛藻中的至少一种。

8.根据权利要求1-4任一项所述的海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，所述海洋硅藻的人工培育方法培育获得的海洋硅藻的壳体在5℃下的溶解度为380-520 μmol/L。

9.根据权利要求1-4任一项所述的海洋硅藻的人工培育方法，其特征在于，所述海洋硅藻的人工培育方法培育获得的海洋硅藻的壳体在5℃下的固碳效率为73-89%。

10.如权利要求1-9任一项所述的海洋硅藻的人工培育方法培育获得的海洋硅藻在太阳能电池或制备碳化硅中的应用。