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1、精品毕业论文钝顶螺旋藻在纯净水生产废水中培养技术研究生物 内容摘要：在水污染日益严重，淡水资源紧缺的情况下，利用废水进行螺旋藻的培养不仅可以节约淡水，还能降低螺旋藻培养的成本，具有重大的社会和经济效益。在不同营养条件下，用纯净水生产废水培养螺旋藻，同时和AB培养基作对照比较。实验结果显示：在每升纯净水生产废水中添加0.5 g K2HPO4 ，8 g NaHCO3、1 mL维生素B12 、1 mL As液、6 mL PIV液，在光强级数为4000 lux、温度24.8 ，螺旋藻培养的光暗周期为12 h 12 h的条件下培养7天，钝顶螺旋藻液的吸光度值能够达到1.886，此时对应的生物量是1.76
2、6 g(DW)/L。同样条件下用AB培养基进行培养，藻液的吸光度为1.802，生物量是1.688 g(DW)/L，显示出用废水培养螺旋藻的可行性。利用废水培养螺旋藻不仅处理了废水，同时降低了螺旋藻培养的成本，并得到了一定产量的螺旋藻。关键词：钝顶螺旋藻；废水；生长曲线；培养1 导言1.1 钝顶螺旋藻简介1.1.1 螺旋藻的起源与发展螺旋藻又名蓝藻，是一类古老而低等的原核单细胞水生植物，也称浮游性原始藻类植物，由于它们与细菌一样细胞内没有真正的细胞核，所以又称为蓝细菌。而得其名螺旋藻是因其在显微镜下观察形态为螺旋状。其实，在植物学分类地位上属于蓝藻门、蓝藻纲、段殖体目、颤藻科中的螺旋藻属，约有3
3、6-38种。其中多数为淡水种类，仅有四种分布在海洋中。目前，国内外生产上大量养殖的主要品种只有两个，即钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)和极大螺旋藻(Spirulina maxima)1-3。钝顶螺旋藻属于蓝藻门,颤藻纲,螺旋藻属,是一种多细胞、不分枝、无异形胞的微型丝状藻4 。螺旋藻广泛分布在热带、亚热带和暖温带的海洋湖泊、温泉，特别是盐碱湖中。最初发现螺旋藻是在1940年，法国药物学家Creach到非洲乍得湖探险时发现的。到了20世纪60年代，由于世界粮食和能源危机日益突出的情况下，螺旋藻的一些报道引起藻类学者、营养学家、企业家、政府官员的高度重视。在我国目前已发现有5个
4、种，近年来在近北极地区也发现有螺旋藻生长。自1990年以来，广东、云南、湖北、海南、山东、江西、江苏等省相继建厂生产，但所用藻种均来自于国外。内蒙古螺旋藻是李博生等于1995年在内蒙古毛乌素沙地盐碱湖发现，经过多年研究发现5，内蒙古螺旋藻在许多方面均优于进口的两个螺旋藻藻种，现在在内蒙古螺旋藻鄂尔多斯高原养殖面积已近106 m2,年产干藻粉500吨左右,内蒙古螺旋藻即将成为世界上第三个产业化藻种。螺旋藻营养丰富，细胞中蛋白质、氨基酸、维生素、不饱和脂肪酸、微量元素等含量丰富，是迄今为止科学家发现的最优秀的营养全面的纯天然蛋白质食品。目前国内外已将螺旋藻广泛应用于食品、保健品、化妆品、医药、饲料
5、等行业。我国的微藻研究起于20世纪50年代，目前已应用于工业化生产的微藻主要是螺旋藻，小球藻，盐藻和血球藻等，其中螺旋藻的研究被列入“七五”国家科技攻关计划6。由于螺旋藻含有极为丰富的营养成分和生理活性物质，具有提高机体免疫功能、抗衰老、抗辐射、抗癌、防癌等作用。世界卫生组织和联合国粮农组织称螺旋藻为“21世纪人类最佳保健品和最理想的食品”。 1.1.2 螺旋藻的生物形态螺旋藻是一种多细胞型丝状微生物，螺旋形是螺旋藻属的特性，但是螺旋参数(螺距及螺旋直径)随品种不同而异。光学显微镜下，钝顶螺旋藻蓝绿色、多细胞型，细胞近方形，细胞宽6 m-8 m，长2 m-6 m，螺旋疏松弯曲，螺旋藻宽26 m
6、-36 m，螺间距42 m-57 m，藻丝长200 m-500 m，末端不尖细或略尖细，末端细胞宽圆形，横壁略收缢，横壁处无颗粒；极大螺旋藻灰绿色，细胞宽7 m-9 m，长小于宽，螺间距70 m-80 m，顶端微尖，横壁不收缢，横壁两边有颗粒7。藻丝螺旋形仅在液体培养基中被保持，在固体培养基中，由于肽聚糖层的脱水作用，导致细胞僵硬度变化，常失去螺旋形，变为直线形藻丝。钝顶螺旋藻藻丝体通常呈现规则的螺旋形或波浪形,但是在营养条件、光照、温度或pH等环境因素发生改变时,螺旋形藻丝体的螺距长度和形态也会发生改变,变为直线形或其他扭曲形状。1.1.3 螺旋藻的培养条件螺旋藻是一种光合自养型的生物，生长
7、繁殖过程中需要C、N、K等元素做为营养物质。养殖螺旋藻最重要的条件是光照、温度、培养液和通风等。培养液的pH值、深度、流动、排氧及营养元素的合理供给，都是影响产量的重要因素。、碳源对螺旋藻生长的影响研究表明螺旋藻可以利用CO2，HCO-3等无机碳源进行光合自养生长，也可以利用葡萄糖等有机碳源进行异养生长8。培养液的pH值为9.5是螺旋藻生长的最适条件，用NaHCO3做为碳源，即满足了螺旋藻生长繁殖所需要的碳元素，又维持了螺旋藻生长所需要的碱性环境。但在生产中大量的使用NaHCO3做为螺旋藻培养基的碳源，无疑增加了生产成本。有研究报道，维持培养液中每升l0g NaHCO3的浓度，可以获得较高的螺
8、旋藻生物产量9。罗通等10研究表明利用一定剂量CO2可以将培养液的pH值调定在生长的最适pH 9.5附近，大大地提高了光合放氧量，同时可以降低培养液NaHCO3的用量。、氮源对螺旋藻生长的影响螺旋藻能够在含不同氮源(尿素、硝酸钠、氯化铵等)的培养基上生长。但利用的不同的氮源，螺旋藻的生长速度是有差别的，所得到的生物量也不同。有研究报道尿素可以代替硝酸钠做为螺旋藻培养的氮源，但是螺旋藻对有机氮的利用率没有无机氮高11。而且不同浓度的氮源不但对螺旋藻生物量的积累有影响，而且对螺旋藻胞外多糖的产生有影响。如果以螺旋藻多糖为培养目的，可以考虑在不影响生物量增长的前提下，当适当降低培养基中氮素的含量，能
9、够有利于多糖的积累12。、磷源对螺旋藻生长的影响叶绿素是组成藻类色素体的重要成分, 其含量高低不但与藻类的种类、数量及发育状况有关, 营养状况有关。磷是藻类叶绿素进行光合作用所必需的营养物质, 有关磷对藻类生长的影响已有不少研究13。、光照对螺旋藻生长繁殖的影响螺旋藻是一种光合原核生物，具有叶绿体，可以进行光合自养生长。光照不仅能影响光合碳固定的速率，也能影响藻细胞的呼吸强度和能源水平14,15。因此光照是螺旋藻生长最主要的环境因子6。当营养底物和环境温度不是螺旋藻生长的限制因子时，螺旋藻的生长主要受光辐射强度的影响16。在光辐射强度尚未达到饱和光辐射强度之前，光辐射强度决定螺旋藻的生长速率；
10、当光辐射强度超过一定值时，螺旋藻的生长就受到光的抑制，低温、高温等不良环境因子会加剧光抑制现象17。不同的藻类培养时所需的最适光照不一样，一般认为螺旋藻生长的最适光照强度为4-7 klux。有研究报道，螺旋藻的生长需要一个适宜的光照时间，也就是说螺旋藻的生长需要一个适当的光暗变替，以利于光舍过程的光反应和暗反应的匹配，否则其光合产物的形成和体内的物质代谢发生阻碍影响螺旋藻的正常生长。所以在培养螺旋藻时，宜选用适宜的光照时间长度，以提高藻的产量和蛋白质的含量17。、温度对螺旋藻生长繁殖的影响温度对所有生物都是最基本最主要的环境因子。绝大多数的螺旋藻品系都是喜高温的藻类。在实验室培养的适宜生长温度
11、为24-38 。实际生产过程中，温度是同其他的环境因子共同起作用影响螺旋藻的生长过程。、pH对螺旋藻生长繁殖的影响螺旋藻的生长需要偏碱性的环境，培养的适宜pH为8.0-l0.5。当pH大于10.5，藻丝体变短，成非正常的黄绿色，老化并裂解，细胞内容物渗出，培养液变黄；当pH值高于11时，在200 r/min的摇瓶转速下，不再形成分散的菌丝体，而形成菌丝体的结块，细胞裂解更为严重6。但李叙凤等18研究发现，培养基的初始pH值在7.0-11.0碱性范围内，螺旋藻培养液的OD560nm值增长趋势均较好，尤其是pH值为9.0-10.0时，螺旋藻培养液的OD560nm值增长最快，说明螺旋藻在pH值为9.
12、0-10.0时，其生长速率最快，据此可以判断螺旋藻生长的最适pH值范围为9.0-10.0。这可能是螺旋藻不同的品系的最适pH有差异，也可能是螺旋藻对生长环境的碱性要求不太严格。1.1.4 螺旋藻的营养价值螺旋藻是地球上最古老的原核光合生物, 几乎与地球共生, 迄今已有35亿年的生命史。它是地球上营养最丰富、最均衡的天然绿色食品, 有“微型绿色营养库”之称。l6世纪前，墨西哥的印第安人就已从特斯科科湖中捞取螺旋藻，制成砖状干块。居住在中非乍得湖畔的Kanembu部落，世世代代把干螺旋藻作为食物。螺旋藻具有高蛋白，低脂肪，低糖类的特点，并含有多种维生索及微量元素，其营养价值极高。而它的生物化学成分
13、因品种不同有所差异。在实验室条件下和自然环境中采样进行分析，其生物化学成分大致为：蛋白质65，碳水化合物 19，脂类4，色素6，灰分和纤维3，维生素3左右。螺旋藻富含维生素(几乎所有的维生素) 、矿物质及多种奇特的功能性物质(如-亚麻酸、小分子多糖、藻兰蛋白及-胡萝卜素)等,并具有以下几个方面功效: a.增强机体免疫力, 减缓细胞衰老；b.刺激前列腺素合成, 调节机体生理功能；c.促进新陈代谢, 加速伤口愈合, 防止皮肤角质化；d.具有防癌、抑癌、抗辐射的作用；e.调节血脂, 降低胆固醇、保护心血管；f .具有抗疲劳和耐氧的作用； g.对贫血、肝炎、糖尿病、胃及十二指肠溃疡、视力减退等多种疾病
14、有良好疗效；h.对严重营养不良的病人, 对全面增加儿童的营养及老人的营养保健均有较好效果19。许多远见卓识的科学家早就指出,螺旋藻是人类未来的食品。1993年在摩纳哥举行的首次螺旋藻世界大会, 认为螺旋藻是根除营养不良, 缓解饥荒的食物。因此, 螺旋藻作为食品、医药、保健品引起各国政府的高度关注, 全世界已有80多个国家和地区开展螺旋藻的研究和开发, 并建立起商业化生产的螺旋藻公司, 估计每年生产螺旋藻干粉超过2500吨。1.2 当前废水处理形势 环境和资源是当今世界人类的两大主题，大量废弃物对生态环境污染，江河湖海的富营养化，对人类造成了严重的威胁。水污染是环境污染一方面,1997 年全国工
15、业废水排放量226亿吨，达到国家排放标准的仅为51.8 % ，生活污水排放量189吨，处理率不足20 %20 。如何利用废弃物资源生产出有价值的产品的同时，又改善环境已引起人们极大兴趣。传统的方法处理有机废水主要采用厌氧接触法、厌氧污泥床法、厌氧生物膜法等。随着社会经济的迅速发展和人口的不断增加，有限的淡水资源已受到严重污染和破坏。寻求一种高效、低耗、可再生利用的污水生物处理技术已成为当前的研究热点21-23。70 年代人们开始采用酵母菌和光合细菌生物处理法,并将废水处理和单细胞蛋白生产结合起来24。藻类是一类具有典型的光能自养代谢，以单细胞或简单的多细胞群体形式生活，通过裂殖或产生生殖孢子等
16、方式繁殖的低等植物的通称。藻类是地球上最早登上生命舞台的绿色植物，在自然水体的自净过程中，藻类起着很重要的作用已经达成共识，国内外有利用养殖螺旋藻等微藻使废水净化的报道，并收到初步成效。目前，国外已经开始主用高速藻类池塘(HRAP)污水处理系统来生产一些高蛋白的藻类，具有成本低、耗能少、效率高、收益大等特点，是一项非常有利的环境工程。Oswald等已成功利用沼气废物或人畜废物生产诸如小球藻或栅裂藻类 25 。其它废物如骨粉、猪血等作为藻类的营养源。高浓度有机废水的大量排放会造成环境严重污染。1.3 钝顶螺旋藻在废水处理中的运用和优势藻类是低等植物，具有以下特征：个体差异大，绝大多数是自养原殖体，无不育细胞存在。这些特征决定了它在污水净化方面具有以下功能：首先，藻类与好氧菌形成藻菌共生系统
