CN115779809A - 实现多泵协同的生物微胶囊及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋负排放技术领域，特别是一种实现多泵协同的生物微胶囊及应用。生物微胶囊呈微球状或片状，其尺寸为3‑15mm；包括增加海水碱度的碱性矿物、将活性有机碳分解转化为惰性溶解有机碳的海洋微生物活性细胞、以及包覆碱性矿物和海洋微生物活性细胞的包覆材料，包覆材料具有半通透性，且呈凝胶状；所述生物微胶囊包括胶囊外壳和胶囊芯材，胶囊外壳包裹在胶囊芯材的外部，胶囊外壳包括碱性矿物和包覆碱性矿物的包覆材料，胶囊芯材包括海洋微生物活性细胞和包覆海洋微生物活性细胞的包覆材料，碱性矿物的包覆材料包裹在海洋微生物活性细胞的包覆材料的外部。其促进海水“多泵协同”的有机碳‑无机碳联合增汇。

Description

实现多泵协同的生物微胶囊及应用

技术领域

本发明涉及海洋负排放技术领域，特别是一种实现多泵协同的生物微胶囊及应用。

背景技术

自工业革命以来，人类活动引发的CO₂排放持续增加，导致全球气候变暖。“碳中和”已成为全球共识的人类社会未来发展方向。实现“碳中和”目标存在两条并行互补的技术路径，一是使用清洁可再生能源替代传统化石燃料的碳减排技术，二是人为移除大气CO₂增加碳汇的负排放技术。海洋是地球上最大的活跃碳库，是气候变化的“调节器”，负排放潜力巨大，是应对气候变化的重要出口。

已知的海洋储碳机制包括溶解度泵、生物碳泵、微型生物碳泵和碳酸盐泵。其中，溶解度泵是通过表层海水浮游植物生长(消耗HCO₃ ^-)和碱性矿物溶解(消耗H⁺)，驱动海水中游离CO₂分子向碳酸氢根转化，降低海水CO₂分压，促使大气CO₂溶解进入表层海水系统；生物碳泵和碳酸盐泵则以颗粒碳(有机和无机)形态，在重力作用下垂直迁移碳组分，输送到深海或埋藏至海床，完成长周期储碳；微生物碳泵则通过微生物的代谢过程，将表层生产的活性有机碳转化为惰性溶解有机碳(RDOC)，在洋流作用下横向输送至外海，完成长周期储碳。上述储碳机制广泛存在于海洋系统中，而海洋负排放则是通过一系列人为干涉措施加速上述“碳泵”过程，从而达到移除大气CO₂并长周期储碳的目的。

“多泵协同”的有机碳-无机碳联合增汇被认为是最具增汇潜力的海洋负排放技术途径，其是通过微生物碳泵的功能延展，加速生物碳泵和碳酸盐泵，从而实现大规模储碳。然而，“多泵协同”联合增汇中，如何人为实现微生物碳泵的功能扩展，以及微生物碳泵与其它“碳泵”的协同作用，目前尚缺少相应的工程技术手段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种实现多泵协同的生物微胶囊及应用，其促进海水“多泵协同”的有机碳-无机碳联合增汇。

本发明的技术方案是：一种实现多泵协同的生物微胶囊，其中，生物微胶囊呈微球状或片状，其尺寸为3-15mm；

包括增加海水碱度的碱性矿物、将活性有机碳分解转化为惰性溶解有机碳的海洋微生物活性细胞、以及包覆碱性矿物和海洋微生物活性细胞的包覆材料，包覆材料具有半通透性，且呈凝胶状；

所述生物微胶囊包括胶囊外壳和胶囊芯材，胶囊外壳包裹在胶囊芯材的外部，胶囊外壳包括碱性矿物和包覆碱性矿物的包覆材料，胶囊芯材包括海洋微生物活性细胞和包覆海洋微生物活性细胞的包覆材料，碱性矿物的包覆材料包裹在海洋微生物活性细胞的包覆材料的外部。

本发明中，所述碱性矿物选择铁镁橄榄石、凹凸棒石、霰石、方解石、石灰石中一种及以上的石粉，碱性矿物均匀分布于生物微胶囊中或集中分布于表层，碱性矿物石粉的粒径可以在0.05-2mm范围内，碱性矿物在生物微胶囊中的质量占比为0.01％-50％。

所述海洋微生物活性细胞收集于近海水体或沉积物环境的自然微生物群落，其湿重占生物微胶囊的0.03％-30％，海洋微生物活性细胞的细胞浓度大于1000个/mL。

当海洋微生物活性细胞收集于近海水体的自然微生物群落时，可以使用20μm筛绢去除水体中较大粒径的颗粒物质，再使用0.2μm孔径醋酸纤维膜富集微生物细胞，后收集滤膜置于包含35g/L NaCl和0.2g/L NaHCO₃的人工海水中，轻微振荡，获得细胞悬浮液。

当海洋微生物活性细胞收集于沉积物环境的自然微生物群落时，可以使用包含35g/L NaCl和0.2g/L NaHCO₃的人工海水混合沉积物，室温避光静置30min后，取上清液，获得细胞悬浮液。

本申请中的海洋微生物活性细胞也可以使用多种型号混合的实验室培养海洋模式菌株，此时可以使用包含35g/L NaCl和0.2g/L NaHCO₃的人工海水洗脱培养基，获得细胞悬浮液。

所述包覆材料选择菌胶团、明胶、海藻酸盐、羧甲基纤维素钠、邻苯二甲基醋酸纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酸树脂中的一种及以上。通过包覆材料对碱性矿物和微生物细胞的包裹，赋予生物微胶囊不同于被包裹物的物理化学特征，以应对生物微胶囊不同的应用场景。

本发明提供生物微胶囊应用于在海水环境中加速溶解泵、微生物碳泵、生物泵、碳酸盐泵中的两种及以上的海洋碳汇过程，实现多泵协同的有机碳-无机碳联合增汇的应用。

生物微胶囊中的海洋微生物活性细胞促进海水中活性有机质的耗氧降解，耗氧降解产生氨氮、CO₂和惰性溶解有机碳，惰性溶解有机碳用于储碳，氨氮将微生物群落中的硝化细菌转化成硝氮，硝氮促进海洋微藻生长，同时使活性有机质中的氮元素以溶解有机氮形态释放回水体，促进“微生物碳泵”的实现；

生物微胶囊中的碱性矿物溶解，将耗氧降解产生的CO₂转化为HCO₃ ^-，海洋微藻吸收大量的HCO₃ ^-；碱性矿物溶液释放溶解硅，形成硅藻的硅骨架；碱性矿物提高碱度，促进碳酸钙的形成，形成颗石藻的碳酸钙骨架，硅/钙骨架在生物碎屑中含量的增加，提高生物碎屑密度，加快颗粒碳从表层海水向沉积海床和深海的垂直迁移，促进“生物碳泵”和“碳酸盐泵”的实现；

大气中的CO₂进入海水中，通过碱性矿物的溶解，将游离的二氧化碳分子转变为碳酸氢根，加速CO₂在海水中溶解，促进“溶解泵”的实现。

本发明的有益效果是：

(1)海水中活性有机碳转化过程释放的CO₂，提供酸性微环境，而有机酸类高分子材料的包覆材料，阻碍次生矿物形成，促进碱性矿物的溶解；

(2)通过人为控制生物微胶囊中的气泡数量和碱性矿物比重，调节生物微胶囊密度，以及对包覆材料的亲水/疏水性的人为设置，实现生物碳泵的加速；

(3)海洋微型生物代谢过程形成的惰性溶解有机碳，被吸附在生物微胶囊表面，将保护从海水中吸附的活性有机碳，提高垂直迁移有机碳的效率；

(4)通过生物微胶囊粒径大小和包覆材料交联程度的人为设置，可在生物微胶囊内部形成氧梯度环境，从而提高微生物碳泵效率，促进碳酸钙沉积的形成；

(5)生物微胶囊固定人为选择的海洋微生物，使其无法逃逸到海水环境中，有效降低了生态风险；

(6)生物微胶囊的粒径、密度、渗透性、稳定性、亲水/疏水性、磁性等物理化学特征的可人为设置，使其能与多种工程设备配套使用，广泛应用于复杂的海洋环境。

附图说明

图1是本发明中生物微胶囊的结构示意图；

图2是利用本发明的生物微胶囊实现多泵协同的联合增汇机制图。

图中：5海藻酸钙；7橄榄石粉；8羧甲基纤维素；9近海沉积物微生物群落。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

实施例1

本实施例中的生物微胶囊为包埋橄榄石和近海沉积物微生物群落的生物微胶囊，该胶囊用于实现“多泵协同”联合储碳。

本实施例中的包埋橄榄石和近海沉积物微生物群落的生物微胶囊呈微球状，其粒径为5-8mm。该颗粒中的碱性矿物采用橄榄石粉7，海洋微生物活性细胞采用近海沉积物微生物群落9，其中近海沉积物微生物群落9被羧甲基纤维素8包覆，形成胶囊芯材。橄榄石粉7被海藻酸钙凝胶5包覆，形成胶囊外壳，胶囊外壳包裹在胶囊芯材的外侧，从而形成包埋橄榄石和近海沉积物微生物群落的生物微胶囊。

本实施例中，包埋橄榄石和近海沉积物微生物群落的生物微胶囊的制备方法如下所述。

第一步，以灭菌人工海水混合50wt％的海洋表层沉积物，制成沉积物悬浮水体。其中，灭菌人工海水包括35g/L NaCl和0.2g/L NaHCO₃，海洋表层沉积物取自青岛鳌山湾近岸。

第二步，将第一步制得的沉积物悬浮水体室温避光静置30min后，取上清液，并通过3μm孔径滤膜过滤去除上清液中的大颗粒沉积物。

第三步，第二步制得的滤液中含有10⁹cell/ml沉积物微生物，在该滤液中加入2wt％CaCl₂和3wt％羧甲基纤维素钠，制得胶囊芯材的溶液A。

第四步，在2wt％海藻酸钠溶液加入1wt％的粒径为200μm的橄榄石粉，利用磁力搅拌器混合均匀，制得胶囊外壳的溶液B。

第五步，使用医用注射器将溶液A滴加到经磁力搅拌的溶液B，成囊固定5min，过滤得到微胶囊。利用纯水清洗微胶囊表面，再将所得微胶囊置于2wt％CaCl₂溶液中，稳定60min，再次过滤回收包埋橄榄石和近海沉积物微生物群落的生物微胶囊，如图1所示。

如图2所示，将本实施例的包埋橄榄石和近海沉积物微生物群落的生物微胶囊投放至近海领域中后，生物微胶囊中的沉积物微生物群落投入海水中，可以促进海水中活性有机质的耗氧降解，耗氧降解产生氨氮、CO₂和惰性溶解有机碳。其中惰性溶解有机碳可以起到储碳的作用，氨氮可以将微生物群落中的硝化细菌转化成硝氮，硝氮可以促进海水中的海洋微藻生长，同时使活性有机质中的氮元素以溶解有机氮形态释放回水体，从而实现“微生物碳泵”。

生物微胶囊中的橄榄石粉溶解，可以将耗氧降解产生的CO₂转化为HCO₃ ^-，海洋微藻可以吸收大量的HCO₃ ^-。海洋微藻有两类，一类是硅藻，其外壳是硅骨架，一类是颗石藻，其外壳是碳酸钙。一方面，橄榄石粉中含有硅元素，橄榄石粉溶液释放溶解硅，微海洋微藻提供硅元素，有利于形成硅藻的硅骨架；另一方面橄榄石粉可以提高碱度，促进碳酸钙的形成，有利于形成颗石藻的碳酸钙骨架。随着硅/钙骨架在生物碎屑中含量的增加，硅藻和颗石藻的外壳密度增大，因此容易沉淀至海底，加快颗粒碳从表层海水向沉积海床和深海的垂直迁移，从而促进“生物碳泵”和“碳酸盐泵”的实现。

大气中的CO₂进入海水中，呈游离的二氧化碳分子状态，通过橄榄石的溶解，将CO₂转变为碳酸氢根，实现了更多的CO₂在海水中溶解，促进“溶解泵”的实现。

上述过程在自然海洋环境中，推动海洋氮循环“齿轮”，以驱动海洋碳循环。同时微生物碳泵产生的惰性溶解有机碳、生物碳泵产生的颗粒有机碳、以及碳酸盐泵产生的碳酸钙均实现了海洋储碳，实现“多泵协同”联合储碳。

使用8月取自青岛鳌山湾近岸并经20μm筛绢过滤的海水，检测上述步骤制得的生物微胶囊在自然近海环境中实现“多泵协同”联合储碳的能力。

将制得的生物微胶囊按10wt％的量加入10L近岸海水中，作为实验组，未加入生物微胶囊的近岸海水作为空白组，室温暗环境下静置下培养。

将未加生物微胶囊的空白组静置培养约5.7天，检测得到该空白组的海水中溶解有机碳浓度减半。相比于未加生物微胶囊的空白组，加有生物微胶囊的实验组培养约3.2天，该实验组的海水中溶解有机碳浓度减半。意味着实验组体系中活性溶解有机碳更快的向惰性溶解有机碳转化。

静置暗培养5天后，未加入生物微胶囊的空白组，溶解无机氮浓度从第0天的2.1μmol/kg增长到第5天的4.3μmol/kg；相对比于加入生物微胶囊的实验组，溶解无机氮浓度从第0天的2.4μmol/kg增长到第5天的5.8μmol/kg，表明所制得的生物微胶囊可加速海洋环境中的氮循环，从而推动光合固碳作用。

此外，由于生物微胶囊中橄榄石粉组分的溶解，相比于空白组TA和溶解硅浓度的基本不变，加入生物微胶囊的实验组水体静置培养10天后，TA从第0天的2382μmol/kg增加到了第10天的2460μmol/kg，溶解硅浓度从第0天的11μmol/kg增加到了第10天的18μmol/kg，有机碳降解释放的CO₂和大气中的CO₂被固定在海水环境中的同时，为海水环境硅藻生长提供了充足的溶解硅。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中的海洋微生物活性细胞收集于近海水体的自然微生物群落。此时，使用20μm筛绢去除水体中较大粒径的颗粒物质，再使用0.2μm孔径醋酸纤维膜富集微生物细胞，后收集滤膜置于包含35g/L NaCl和0.2g/L NaHCO₃的人工海水中，轻微振荡，获得细胞悬浮液。

其他同实施例1。

以上对本发明所提供的实现多泵协同的生物微胶囊及应用进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种实现多泵协同的生物微胶囊，其特征在于，生物微胶囊呈微球状或片状，其尺寸为3-15mm；

包括增加海水碱度的碱性矿物、将活性有机碳分解转化为惰性溶解有机碳的海洋微生物活性细胞、以及包覆碱性矿物或海洋微生物活性细胞的包覆材料，包覆材料具有半通透性；

所述生物微胶囊包括胶囊外壳和胶囊芯材，胶囊外壳包裹在胶囊芯材的外部，胶囊外壳包括碱性矿物和包覆碱性矿物的包覆材料，胶囊芯材包括海洋微生物活性细胞和包覆海洋微生物活性细胞的包覆材料，碱性矿物的包覆材料包裹在海洋微生物活性细胞的包覆材料的外部。

2.根据权利要求1所述的实现多泵协同的生物微胶囊，其特征在于，所述碱性矿物选择铁镁橄榄石、凹凸棒石、霰石、方解石、石灰石中一种及以上的石粉，碱性矿物均匀分布于生物微胶囊中或集中分布于表层，碱性矿物石粉的粒径为0.05-2mm，碱性矿物在生物微胶囊中的质量占比为0.01％-50％。

3.根据权利要求1所述的实现多泵系统的生物微胶囊，其特征在于，

所述海洋微生物活性细胞收集于近海水体或沉积物环境的自然微生物群落，其湿重占生物微胶囊的0.03％-30％，海洋微生物活性细胞的细胞浓度大于1000个/mL。

4.根据权利要求1所述的实现多泵协同的生物微胶囊，其特征在于，所述包覆材料选择菌胶团、明胶、海藻酸盐、羧甲基纤维素钠、邻苯二甲基醋酸纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酸树脂中的一种及以上。

5.一种权利要求1-4任一项所述的生物微胶囊应用于在海水环境中加速溶解泵、微生物碳泵、生物泵、碳酸盐泵中的两种及以上的海洋碳汇过程，实现多泵协同的有机碳-无机碳联合增汇的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，生物微胶囊中的海洋微生物活性细胞促进海水中活性有机质的耗氧降解，耗氧降解产生氨氮、CO₂和惰性溶解有机碳，惰性溶解有机碳用于储碳，氨氮将微生物群落中的硝化细菌转化成硝氮，硝氮促进海洋微藻生长，同时使活性有机质中的氮元素以溶解有机氮形态释放回水体，促进“微生物碳泵”的实现；

生物微胶囊中的碱性矿物溶解，将耗氧降解产生的CO₂转化为HCO₃ ^-，海洋微藻吸收大量的HCO₃ ^-；碱性矿物溶液释放溶解硅，形成硅藻的硅骨架；碱性矿物提高碱度，促进碳酸钙的形成，形成颗石藻的碳酸钙骨架，硅/钙骨架在生物碎屑中含量的增加，提高生物碎屑密度，加快颗粒碳从表层海水向沉积海床和深海的垂直迁移，促进“生物碳泵”和“碳酸盐泵”的实现；

大气中的CO₂进入海水中，通过碱性矿物的溶解，将游离的二氧化碳分子转变为碳酸氢根，加速CO₂在海水中溶解，促进“溶解泵”的实现。

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