核誘變改良微藻減排燃煤煙氣中CO2的機(jī)理研究

利用微藻生長(zhǎng)捕集燃煤煙氣CO2對(duì)于我國(guó)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)具有重要意義。野生型微藻難以大規(guī)模高效率地減排煙氣CO2，迫切需要對(duì)微藻進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新以提高減排煙氣CO2效率。本項(xiàng)目首次采用鈷60-γ射線對(duì)野生型小球藻進(jìn)行核輻射誘變，篩檢選育出高效固碳的小球藻突變體，并利用煙氣高濃度CO2對(duì)小球藻進(jìn)行梯度馴化，通過調(diào)控代謝通路和優(yōu)化生長(zhǎng)條件提高了生長(zhǎng)固碳速率，使小球藻的生物質(zhì)產(chǎn)量由1.1g/L顯著提高到5.4g/L?；驕y(cè)序表明：小球藻在高濃度15%CO2下碳酸酐酶幾乎為零，CO2不再通過傳統(tǒng)輸運(yùn)形式（CO2→HCO3-→CO2）穿過細(xì)胞壁，而是在高濃度滲透壓下直接進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部供給光合作用；同時(shí)控速光合作用的Rubisco酶活性顯著提高，催化光合作用有力促進(jìn)了固定CO2反應(yīng)。本項(xiàng)目采用紫外光輔助雙氧水將煙氣污染物中NO污染物變害為寶，氧化為NO3-為微藻固定CO2補(bǔ)充氮源提高了微藻生長(zhǎng)固碳速率。分析了煙氣粉塵及重金屬對(duì)微藻生長(zhǎng)過程的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)微藻吸附重金屬后導(dǎo)致外表面粗糙度增大，外表面積由0.10增大到0.92-1.98 m2/g，但是內(nèi)孔表面積由0.44減小到0.18m2/g。開發(fā)了閃光式跑道池和平板光合養(yǎng)藻反應(yīng)器，優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和藻液流動(dòng)條件強(qiáng)化了閃光效應(yīng)，增設(shè)擾流件使傳質(zhì)系數(shù)提高4.7%并且混合時(shí)間下降30.2%，優(yōu)化曝氣器減少氣泡生成時(shí)間使微藻生長(zhǎng)固碳速率提高了29%?；谝陨涎芯砍晒?，本項(xiàng)目已發(fā)表22篇SCI和EI期刊論文，其中SCI論文21篇、EI論文1篇，申請(qǐng)公開發(fā)明專利4項(xiàng)，培養(yǎng)博士研究生6名(其中3名已畢業(yè))和碩士研究生4名(其中3名已畢業(yè))，參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議5次(其中國(guó)外5次)。

通過核輻射誘變篩檢固碳性能優(yōu)異的突變?cè)宸N，利用微藻光合生長(zhǎng)高效捕集燃煤煙氣中大量CO2，對(duì)于我國(guó)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)具有重要意義。由于電廠燃煤煙氣流量很大、CO2濃度高達(dá)15%、含有SO2/NOX/超細(xì)粉塵等污染物，故野生型微藻一般難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效率地減排如此大量CO2，迫切需要對(duì)微藻進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新以提高減排煙氣CO2效率。本項(xiàng)目提出采用γ射線對(duì)小球藻等典型藻種進(jìn)行核輻射誘變，篩檢選育出固碳效率高、生長(zhǎng)速率快、煙氣耐受性強(qiáng)的藻種突變體，通過基因測(cè)序揭示誘變?cè)宸N固碳酶基因改良的微觀機(jī)理。設(shè)計(jì)膜式光合生物反應(yīng)器促進(jìn)誘變?cè)宸N的高密度快速生長(zhǎng)，通過優(yōu)化調(diào)控促進(jìn)誘變?cè)宸N固定大流量高濃度CO2的熱動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)制，揭示燃煤煙氣中SO2/NOX/超細(xì)粉塵等多種污染物對(duì)誘變?cè)宸N固碳反應(yīng)的影響控制原理。使誘變?cè)宸N適宜生長(zhǎng)的CO2濃度提高到15%，并且使微藻固定燃煤煙氣中CO2轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能的效率提高100%。

開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的燃煤煙氣CO2捕集技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模減排CO2的根本途徑。功能化離子液體在吸收分離CO2和SO2方面有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)潛力的燃煤煙氣凈化技術(shù)。然而，現(xiàn)有研究多研究常溫下離子液體對(duì)單一高濃度CO2或SO2的吸收分離，缺乏針對(duì)性的對(duì)燃煤煙氣工況下的酸性氣體的協(xié)同分離。同時(shí)，對(duì)離子液體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系尚不充分和深入，缺乏對(duì)這一過程的微觀機(jī)理和相互作用機(jī)制的深入了解。本申請(qǐng)項(xiàng)目擬針對(duì)此開展系統(tǒng)深入的研究，充分利用現(xiàn)代先進(jìn)的分析手段，結(jié)合多學(xué)科交叉的知識(shí)理論，從離子的概念和層次出發(fā)，研究離子液體與傳統(tǒng)分子型的CO2和SO2吸收劑在宏觀和微觀特性上的差異及調(diào)控，探索離子液體與CO2和SO2的相互作用的規(guī)律與機(jī)理，包括熱力學(xué)、界面特性、擴(kuò)散性能、吸收-解吸機(jī)理等，從分子水平揭示離子液體的結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及其定量關(guān)系，為具有高效、經(jīng)濟(jì)吸收能力的功能化離子液體的設(shè)計(jì)

燃煤汞污染是是威脅我國(guó)公眾健康和生態(tài)安全的重要環(huán)境問題。飛灰對(duì)燃煤煙氣中汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化起著至關(guān)重要的作用，不同形態(tài)的汞物理化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境影響和控制方法不同，因此闡明燃煤煙氣中汞在飛灰表面的非均相反應(yīng)機(jī)制至關(guān)重要。本項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)典型煤種開展燃煤煙氣汞在飛灰表面的微觀非均相反應(yīng)機(jī)理及影響因素研究。分析飛灰的物理化學(xué)特征，通過量子化學(xué)計(jì)算和煙氣汞形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理實(shí)驗(yàn)，確定飛灰中對(duì)煙氣汞形態(tài)轉(zhuǎn)化起關(guān)鍵作用的化學(xué)成分；開展飛灰吸附和氧化汞的模擬實(shí)驗(yàn)，考察汞在飛灰表面非均相反應(yīng)的活性物種和中間產(chǎn)物，識(shí)別汞在飛灰表面上的吸附和化學(xué)反應(yīng)路徑，揭示煙氣中汞化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化的非均相反應(yīng)機(jī)制及不同煙氣成分對(duì)汞和飛灰非均相反應(yīng)的影響。通過本研究，有望在燃煤煙氣中汞的化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)制方面取得新的認(rèn)識(shí)和進(jìn)展，提高對(duì)我國(guó)燃煤大氣汞排放和形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃煤汞排放、研發(fā)新的燃煤汞污染控制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。