利用蓝藻生物钙化作用固定燃煤烟气中二氧化碳的机理研究

燃煤烟气中二氧化碳的排放控制是温室气体减排的重要途径。微藻生物钙化可以将二氧化碳转化为稳定的碳酸钙沉淀，是二氧化碳生物固定的一种新途径。但目前对微藻生物钙化过程的研究还处于起步阶段，钙化过程的机理不明确，燃煤烟气的多组分又使过程变得更为复杂，因此极大地限制了此项技术在燃煤烟气二氧化碳固定中的应用。本项目拟采用原核藻类蓝藻，对不同藻种在燃煤烟气条件下的二氧化碳固定及碳酸钙的沉淀过程进行比较，筛选优势藻种；考察在模拟烟气环境中烟气组分、通气速率等气相条件以及水相培养环境条件对碳酸钙的成核及结晶过程的影响，分析沉淀形成的控制因素，完善蓝藻钙化过程的动力学机理。并采用分子生物学手段，从蓝藻的生态生理学角度探讨碳酸钙的形成机制，以及蓝藻光合作用、碳浓缩行为对钙化过程的影响，提出蓝藻钙化固定二氧化碳的机理，为生物钙化过程在二氧化碳减排领域的应用提供理论依据。

利用微藻固定CO2是近年的研究热点。而研究发现微藻除光合作用外，还可将CO2转化为稳定的碳酸钙沉淀，即发生生物钙化作用，提供了一条微藻固定CO2的新途径。微藻生物钙化作用的研究此前大多集中于地质学及气候学研究，对其固碳领域的应用少有涉及，钙化机理也不明确。本项目以蓝藻生物钙化过程为对象，探索其应用于固定燃煤烟气CO2的可能性。研发了可用于测定溶液参数变化、钙沉淀速率、沉淀量及CO2消耗速率的实验系统，并基于生物钙化与光合作用的相互关系提出了生物钙化发生的机制。项目主要研究成果如下：.多种藻种均可诱导钙化作用发生。在自然水体条件下，34%钙离子可转化为碳酸钙沉淀，诱导时间20-40h。实验中首次发现了水华微囊藻的生物钙化作用，说明多种藻种均能发生生物钙化，拓展了藻种的选择范围。首次采用相关分析方法对过程中溶液参数变化进行分析的结果表明pH突然升高标志着钙化开始，同时Ca2+浓度和碱度显著降低。伪枝藻液pH升高出现更晚，持续时间更长，与其伪枝形成的网状结构有关。相比文献报道不同的pH变化，说明钙化机理可能存在新的解释。.藻种及环境条件如藻形貌，生长、Ca2+浓度、pH、光照条件、CO2浓度、溶解态碳浓度等对钙化过程均表现出不同程度的影响。其中藻形貌、藻量、离子浓度、光照、CO2浓度的影响尤为重要，且不同藻种表现相异。如Ca2+浓度升高抑制聚球藻钙化，但促进水华微囊藻钙化；光照促进钙化；溶解态无机碳是藻利用无机碳的主要形式，在CO2浓度至1%时，蓝藻表现出较好的耐受性。但CO2浓度高于1%时，钙化受到明显抑制。而藻对高浓度碳酸氢根表现出很好的适应性。表明蓝藻需经驯化方能更好的用于固定高浓度CO2，而以溶解态无机碳供给微藻生长更有利于钙化的进行。..藻光合作用与生物钙化作用密切相关。研究发现生物钙化与胞外碳酸酐酶（CA）的作用有关，抑制胞外CA酶的作用可阻断碳酸钙沉淀的发生，而抑制胞内CA酶作用则对钙化过程影响不大，这可以解释碳酸钙沉淀多发生在细胞外壁周围。在此基础上提出钙化过程的可能机理为藻生长过程中，其胞外CA酶将碳酸氢根转化为CO2进行光合作用，吸收质子，使细胞壁周围微环境pH升高，溶液对于碳酸钙的过饱和度显著增大，碳酸钙沉淀更容易生成，发生生物钙化过程。此机理的提出加深了对蓝藻生物钙化过程的了解，从理论上证实了生物钙化用于固定CO2的可行性。