小球藻(Chlorella sp.)水體淨化系統技術研發
水體污染是當今最嚴重的環境問題。臺灣島因面積有限、淡水資源匱乏而顯得更為突出。水污染大致可分為工業污染、農業污染及生活污水。工業污染主要問題是重金屬污染及不易降解芳香類等有機化合排放，而農業則是畜禽糞便的排放、化肥及農藥污染。治理水體污染, 傳統的方法主要以物理和化學方法居多,輔以生物降解法。比如像重金屬處理利用沉澱法、鼇合樹脂法、高分子捕集劑法、天然沸石吸附法、膜技術、活性炭吸附工藝、離子交換法等。這些方法具有淨化效率高、週期較短等優點, 但工作流程大多過長、操作繁瑣、處理費用也昂貴，尤其對於大流域、低濃度的有害重金屬污染，要大規模應用，人力、物力、財力都難以能及。生物法利用藻類處理廢水具有效果好、投資少及運作費用低、易於管理和操作、不產生二次污染等優點，既能保護環境，又能節約能源、資源，具有良好的生態效益和社會經濟效益，因而成為世界各國努力的方向之一。
藻類對重金屬的吸收主要表現為對重金屬的吸附和對重金屬的累積兩個方面。自然條件下藻類對一些重金屬需求量極低，因此體內重金屬的累積也較低。因此在藻類對重金屬整個吸收過程中, 生物累積重金屬的量只占總吸收量的10%-20%,而生物吸附的量則占80%-90%,生物吸附為吸收的主要途徑(Parker D L, Hai L C, Mallick N, et al. 1998; Mehta S K, Tropathi B N, Gaur J P. 2000)。
藻類很強的重金屬吸收能力和藻類細胞壁的結構、生理特點有關。藻類細胞壁分層, 外層主要由纖維素、果膠質、藻酸銨岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多層微纖絲組成的多孔結構, 內層主要成分是纖維素。此外，細胞外壁還富含藻細胞釋放的以多肽、多糖( 藻酸鹽、鹽藻衣聚糖等) 為主的胞外產物。這些多聚複合體給藻類提供了大量可以與金屬離子結合的官能團( 如羧基、氨基、醛基、羥基、巰基、磷酰基及羰基等) (Jorge L, Garden T, Dennis W, et al., 1990),而且細胞壁表面多褶皺, 可供吸附表面積很大。
藻類對重金屬吸收能力與藻的種類、生長環境、重金屬毒性大小有關。王雪鋒等人(2001)分離篩選出了一株高重金屬抗性的橢圓小球藻(Chlorella ellipsoidea),通過不同濃度的重金屬銅、鋅、鎳、鎘對該藻生長的影響和對重金屬離子的吸收富集作用實驗分析，發現該藻對Zn+和Cd+具有很高的耐受性。對四種重金屬的耐受能力依次為鋅＞鎘＞鎳＞銅。該藻對重金屬具有很好的去除效果,經15μmol/L Cu2+、300μmol/L Zn2+、100μmol/L Ni2+、30μmol/L Cd2+濃度72h處理,去除率分別達到40.93%、98.33%、97.62%、86.88%,可應用於含重金屬廢水的處理.
張偉(2000)通過蛋白核小球藻、斜生柵藻和月形藻對銅進行為期6天 的吸附實驗，發現蛋白核小球藻對銅有最大的吸附能力，實驗 第一天最高吸附量為2.36μg/mg，藻類對銅的吸附能力由大到 小的順序為蛋白核小球藻＞斜生柵藻＞月形藻。在蛋白核小球藻對銅的短期吸附實驗中發現蛋白核小球藻對銅其吸附過程受到PH值的影響。
藻類生物吸附的優點是吸附量大，吸附快速、可逆、不需能量，所以死亡藻體也是很好的吸附劑。趙玲等用海洋赤潮生物原甲藻(Prorocentrum micans)的活體和甲醛殺死的藻體對Cu2+、Pb2+、Ni2+、Zn2+、Ag1+、Cd2+的吸附能力進行研究。實驗證明，金屬離子混合液經原甲藻吸附30min後，各離子的濃度顯著下降且達到平衡，原甲藻的活體和死體對這六種金屬離子具有相似的吸附能力。
藻類人工大規模養殖已經產業化，藻類細胞培育繁殖在規模化、連續性應用上有一定優勢, 可以大面積直接添加營養源長期繼代培養。不過工業廢水環境與人工調控養殖池塘畢竟不同，廢水環境的pH 值波動較大, 其中有害金屬及其他生物毒性物質含量偏高, 往往超出藻類的耐受能力, 使藻類的生物活性難以長時間維持。而重金屬吸附後洗脫所用的試劑多為酸堿溶液, 對生活藻細胞也有殺傷力。Pirszel J等(1995)實驗證明死亡藻細胞也具有較強的吸附能力。用生活藻細胞和預先用熱水殺死的細胞對Cu2+進行吸附對比實驗,儘管最終吸附量相同,但死亡細胞對Cu2+的吸附速度要大於生活細胞(Hassen A, Saidi N, Cherif M, etal. 1998)。對藍藻(Gloeothece magna) 的研究發現, 死亡藻體比活體對Cd2+和Mn2+的吸附量更高(Mohamed Zakaria A. 2001)。這種吸附能力提高的可能原因是: 細胞死亡後, 胞壁破碎, 細胞內部更多的功能團外露, 與離子結合的功能團增多; 同時, 細胞膜失去選擇透性功能, 離子很容易通過, 故總吸附能力增強。駱巧琦等(2006) 用正交實驗分析溫度、金屬濃度等因素對3種藻粉(小球藻粉、螺旋藻粉、海帶粉)吸附電鍍廢水中重金屬(Pb2+、Cu2+ 、Zn2+)的影響,同時比較活藻和藻粉對重金屬的吸附量.研究結果表明:藻粉和活藻對3種重金屬的吸附量順序均為Pb2+>Cu2+>Zn2+,3種藻粉在溫度為40℃,濃度為6 mmol/L時均達到最大吸附量,每種藻粉對金屬的吸附量與重金屬溶液濃度呈正相關.死藻對重金屬的吸附量明顯大於活藻,死藻在工業上運用更具優勢.此外, 用死亡藻體作吸附劑, 無需在污水中續添營養源, 可洗脫多次利用, 因此在小範圍的應用中比生活細胞更為經濟、高效。而在大範圍內使用, 僅人工制取幹藻體就要耗資不少, 所以和生活細胞相比, 二者各有優缺點。
目前稍具規模的藻類處理重金屬污水系統是高效藻類氧化塘(High Rate Algal Ponds, HRAP)。 經測定, 相對于傳統的廢水固定池(Waste stabilization ponds, WSP) , 高效藻類氧化塘去除銅的速率和效率都要高出10 倍(Perales - Vela H V et al.,2006)。Rose 等(1998)在利用高效藻類氧化塘系統治理
酸性礦山廢水(Acid mine drainage, AMD) 時, 將該系統加以改進, 向塘中加入硫酸鹽還原性細菌( sulfate reduction bacteria, SRB, 能將金屬硫化形成硫化物沉澱) , 結果在人工調節的高pH 值條件下, 改進的系統能很好地清除廢水中的重金屬。這種菌藻共生系統, 將是以後研究的重點方向。
藻類吸附重金屬過程存在吸附—解吸的動態平衡, 故可利用洗脫的辦法來回收金屬。 清除重金屬污染物的同時, 貴重金屬的回收也是藻類生物修復的一個重要應用, 目前已有藻類金屬回收反應器被開發, 但規模性應用不多, 離商業化還有一段距離(Lau T C, Ang P O, Wong P K,2003)藻體可重複利用; 吸附用的藻類種類豐富。不論是大型海藻, 還是淡水微藻, 都可為吸附研究和應用提供充足原材料;應用處理經濟、方便, 尤其適合處理較低濃度( 100mg/L 以下) 的重金屬廢水。
小球藻(Chlorella vulgaris)屬綠藻門(Chlorophyta)、綠球藻科( Chlorellaceae)、綠球藻屬( Chlorella)。這種綠藻不僅含有比紅蘿蔔還要多的紅蘿蔔素、富含蛋白質，更是所有食品中，維他命B12的冠軍，是健康食品、動物飼料和化妝品的理想原料。由於小球藻經濟價高，世界各國普遍引入培養，其養殖規模迅速擴大。小球藻為單細胞藻類，它的細胞大小約只有2-8微米(µm)，相對比表面積較大，對重金屬吸附能力也較強。李英敏等(2007)研究了活性小球藻對Pb2+的生物吸附、解吸及其機理。結果表明,培養至指數生長期的小球藻對Pb2+的吸附能力最強,吸附率可達75%。吸附液的pH值在7左右,小球藻對Pb2+有較好的吸附作用,吸附率可達80%。吸附的動力學實驗表明,在小球藻對Pb2+吸附的起始階段,吸附速度較快,10min即可達到平衡。在解吸實驗中,用EDTA和HCl作為解吸劑的解吸率可分別達到近80%和60%,可以有效解吸被吸附的Pb2+。嶽振峰等(2001)研究了異養小球藻生物富集Cr3+的研究結果表明,在pH4.5～5.0、Cr3+質量濃度為5mg/L、溫度為30℃的條件下,以KNO3為氮源培養的小球藻對Cr3+的富集量可以達到336mg/kg。
小球藻因單細胞具有較大的吸收表面，但也因同樣的原因容易在水體中擴散，需要過濾收集，因此國外研究都還處實驗室內或實驗池中。本項研究目的：一是建立高效小球藻吸收池，用於大規模工業廢水處理；二是利用多孔分子材料，研發小球藻生物膜，用流域水環境治理；三是探討小球藻富集重金屬解吸附方法，發展重金屬回收裝置。期望這項研究能為臺灣水環境治理做出較大貢獻。