随着社会发展,能源也在快速地消耗,大量消耗的传统能源可能引发能源危机,并且引发环境问题,人类文明社会将面临严峻的考验。因此,亟需一种可再生的新型能源,降低传统能源所带来的弊端。目前,新能源的开发呈现出百花齐放的局面,在众多能源种类中,微藻生物能源在近十年得到了极大重视。微藻,由于其体内含有光合色素,是一种能够利用光能、无机营养盐合成大分子有机物质的光合自养型微生物,其中的油脂是被视为生产生物柴油的理想原料。但由于生产成本较高,尤其与传统的化石能源相比,价格依旧较高,这种劣势影响了其大规模的发展和应用。提高微藻的油脂产率是解决该问题的有效途径之一,油脂产率的提高可以通过寻找高产油微藻藻种,优化微藻培养条件,促进其快速生长来实现,但是微藻在快速生长过程中会影响细胞内油脂的合成,造成油脂含量降低。因此如何在保证微藻获得较高生物质浓度的前提下,实现油脂的快速积累,是提高最终油脂产率的关键。因此,本研究依据上述要点展开工作,得出的主要结论如下:第一点,优质能源微藻的筛选。采集山东省济南市本地湖泊水样,获得单细胞藻株进行纯培养,发现了一株适合作为生物能源的理想藻株。该藻株具有以下特性:(i)生长快且油脂含量高(微藻生物质浓度可高达2.05 g/L,油脂含量达到30.43%);(ii)在校园生活污水中具有良好的适应性(生物质浓度可高达1.90 g/L,油脂含量为21.83%);(iii)细胞尺寸较大(平均细胞半径长达3.5-9.0 μm);具备较好的沉降性能和易于过滤收集的特性。因此,该微藻具备实现较低成本收获的潜在优势;(iv)脂肪酸以16和18个碳原子为主,饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸分布均衡,可以满足美国和欧盟所制定的生物柴油的标准。通过形态学以及18S rRNA测序鉴定其为多芒藻,命名为Golenkinia SDEC-16。相关的测序结果已经提交至GenBank(Accession No.:KT180320)。第二点,针对多芒藻具有较大的细胞半径以及外围被刺包裹的特性,建立了采用纱布过滤实现多芒藻简单高效低成本收获的可行性方案;探究了培养条件以及生长周期对多芒藻形态的影响规律。多芒藻在自沉降实验中,40分钟时,沉降效率可达89.82%。采用纱布过滤的方式进行收获,当使用16层纱布时,多芒藻的收获效率可以达到73.82%,纱布层数增加至32层时,多芒藻的收获效率可以达到93.32%。这一结果远高于相同层数下,作为对照组实验的小球藻和栅藻。当使用16和32层纱布时,小球藻Chlorella SDEC-11收获效率只有9.29%和13.38%;栅藻Scenedesmus SDEC-13的收获效率则仅为10.09%和14.17%。多芒藻的形态会随着培养条件变化做出不同的响应。研究发现,在多芒藻的培养基内加入氯化钠,会引起藻细胞变大。尤其当初始的氯化钠浓度为320 mM的时候,多芒藻细胞半径的中位数达到了 14.64 μm,远远大于文献报道的多芒藻3.5到9μm的半径范围。同时,多芒藻细胞外围所包裹的刺连同外层细胞壁一起丢失。另外,在多芒藻繁殖时,其子代细胞发现外围没有刺的存在。对于多芒藻形态发生的变化可以帮助理解多芒藻对培养条件的生理响应规律,还可以为微藻鉴定工作提供多芒藻形态学认知经验。第三点,针对目前关于多芒藻生理学研究十分稀少的问题,以促进多芒藻生物质和油脂积累为目的,优化了温度、曝气量、光照强度以及光波长物理性质的培养条件。结果表明,(1)多芒藻最适宜的生长温度为27.5±2.5℃,在37.5±2.5℃下,难以生存。在第8天观察到了温度增加有利于油脂含量的积累,但是培养到第18天,这种规律性变化不明显。综合生物质浓度与油脂含量考虑,27.5±2.5℃宜作为培养多芒藻的温度条件。较低的温度(17.5±2.5℃)有利于多芒藻积累多不饱和脂肪酸,这一发现为开发高价值多不饱和脂肪酸提供参考。(2)在给定的三种单色光照射下,多芒藻的生长情况由优到次的排序为:红光、蓝光、绿光。但是在绿光照射下,多芒藻油脂含量在第8天可以达到41.96%。综合生物质浓度考虑,多芒藻在红光照射条件下获得的油脂产率最高。因而,绿光这种提高油脂策略对于多芒藻来说,可以作为两阶段培养法中的刺激产油的策略。另外,绿光会促进多芒藻积累大量的多不饱和脂肪酸。(3)多芒藻可以适应较猛烈的曝气强度,其在曝气量为1.0 L/min下,获得最大的生物质浓度为4.89 g/L以及41.09%的油脂含量。(4)多芒藻可以适应较高的光照强度,在25000 lux的照射条件下,获得的最大生物质干重,为5.27 g/L,其对应的油脂含量为23.07%。第四点,通过改变培养基中初始氮浓度和外加氯化钠这两种目前已被广泛应用于油脂提高的策略,考察多芒藻的生物质以及油脂积累对不同化学性质的培养条件响应规律,阐明优化后的培养条件对多芒藻在生物质和油脂积累的影响,建立了一种高效的培养多芒藻生长产油的培养基。具体优化的培养条件参数为:多芒藻的培养基初始氮浓度降低到9 mM,额外加入20 mM的氯化钠。这种培养条件确保了多芒藻生物质浓度不受影响,并且对应的油脂含量得到了显著性地提高,生物质浓度和油脂含量分别达到6.65 g/L和54.38%。第五点,探究了多芒藻处理校园生活污水的可行性。通过评价多芒藻在不同的单色光条件下处理校园生活污水的结果,明确了不同波长的光对多芒藻脱氮除磷的基本影响规律。结果表明,在白光以及0.8 L/min曝气量的培养条件下,经多芒藻处理的校园生活污水中的总氮、氨氮和总磷都可以满足国家一级A排放的标准;在不同波长的单色光条件下,仅有红光和蓝光照射的条件下,经多芒藻处理后的校园生活污水满足国家一级A的污水排放的标准。综上所述,本工作筛选、纯化并鉴定出一株研究较少的优质能源藻株-多芒藻,明确了其在不同培养条件和生长时期的形态特征变化,发现了该藻株易收获的特性,探明了多芒藻在不同培养条件下,生物质及油脂积累的规律,摸索出一套实现多芒藻生物质及油脂积累最优产出的最佳培养条件,同时明确了利用多芒藻实现校园生活污水高效脱氮除磷的条件。本研究可以填补多芒藻在生物质产能和污水处理领域应用的空白,丰富了利用微藻实现生物能源生产和污水处理的理论成果,为生物质产能耦合生物法处理生活污水提供了新的藻株和工艺技术支持。