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火力发电厂尾气成分及微藻吸收的方式
张军
一、火电厂废气的成分
对一个典型的火电厂来说，尾气的成分主要包括烟灰和废气，其主要含量会有一定的变化。烟灰含量一般约占30%，具体成分见表1；其余则是各种废气，气主要包括SOX、CO2、NOX、 O2、 N2,具体含量见表2。
表1 烟灰的成分
烟 灰 成 份
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
TiO2
其他
表2 火电厂废气成分及参考百分比含量
废气成分
C02
O2
N2
NOx
S02
备注
百分比含量%
14％
6％
80％
60ppm
120ppm

备注：表2中的气体成分含量为南京华能电厂的尾气成分，各个电厂的气体成分会有所不同，这里作为参考数据。
二、微藻固定CO2机理
CO2固定是微藻利用光反应产生的 ATP和 NADPH 合成有机物的过程 ,该过程是由 Calvin 和Benson 发现的 ,因此被称为 Calvin - Benson 循环 ,简称 Calvin循环。
Calvin循环由 13 个步骤组成 ,主要分为羧化、 还原和再生 3 个阶段。羧化阶段仅有一个反应 ,即在核酮糖-1 ,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)的作用下 ,催化核酮糖-1 ,5-二磷酸和 CO2产生 3-磷酸甘油酸。还原阶段有两步,首先在 3-磷酸甘油酸激酶的作用下 ,3-磷酸甘油酸被 ATP 磷酸化 ,形成 1 ,3-二磷酸甘油酸 ,然后再在磷酸甘油醛脱氢酶的作用下 ,被 NADPH 还原为甘油醛-3-磷酸.最后是核酮糖-1 ,5-二磷酸的再生阶段 ,甘油醛-3-磷酸分子在酶与 ATP的作用下转变、 酸化形成核酮糖-1 ,5-二磷酸 ,核酮糖-1 ,5-二磷酸再与CO2结合 ,完成以上循环 ,从而实现对 CO2的固定。
了解藻类在光合作用过程中获取外源无机碳的形式机理，无机碳在胞内的运输机制，以及无机碳平衡体系对光合作用的影响等对于研究微藻固定二氧化碳技术具有十分重要的理论意义。
1、无机碳利用形式
C02在水中有四种形态：游离C02、H2C03、HC03-和CO32-。他们在水中存在如下的平衡关系式：
H2C03↔C02+H20↔H++HC03-↔2H++C032-
此反应受到pH的影响，在不同的pH值所存在的比率，当pH值在4以下时，碳酸几乎全部以C02和H2C03的形式存在：随着pH值的提高，HC03-的比率增加，当pH值为8时的HC03-约达98％；pH值进一步提高，C032-比率也增加，当pH值为13．5时，只有C032-。比如，海水的pH范围一般在7．5～8．4，所以，海水中C02总量中大约只有1％的游离的二氧化碳，而HC03-约占90％，C032-则占到9％，H2C03的浓度非常小，约占游离二氧化碳的七百分之一。
微藻的无机碳利用形式多种多样，并不是每种无机碳型态都能被微藻所固定转化。C02是微藻可利用的型态，HC03-的利用与藻种类别和环境条件有关，而H2C03和C032-型态微藻基本无法利用。
有些细胞可以利用HC03-和C02，并且含有胞外碳酸酐酶(CA)，如CMorella
xaccharophila等；有的却不含胞外CA，如Chlorellaellipxoidea；有的只能利用其中一种无机碳，如Chlorellaminiata只能利用C02。不同环境下，微藻利用无机碳的形式也会有所改变。一般认为只含C02转运子的细胞，通常没有胞外CA：而那些只含有HC03-。转运子的微藻，可能由于形成的胞外CA而抑制了无机碳的吸收。不同微藻不仅CA含量不同，而且CA在微藻中所处的位子也大有不同。有资料曾报道了绿藻硬石莼(Ulvlactuca)天然海水中主要吸收HC03-，而在pH6．5的海水中只利用C02，不吸收HC03-。
2、无机碳浓缩机 (C02-concentrating mechanism，CCM)
不少微藻在适应水体无机碳浓度变化的过程中，会在细胞内形成一种主动转移无机碳的机制——C02的浓缩机制(C02-concentrating mechanism，CCM)。Rubisco酶主要位于蛋白核上，是催化C02固定的关键酶，尽管Rubisco对C02的亲和力低于外界大气C02浓度，但这种存在于许多光合作用的有机体内的C02浓缩机制，通过无机碳的转运，改变细胞光合作用对无机碳的亲和力，在Rubisco羧化酶的活性位点提高C02浓度，有利于Rubisco起羧化酶作用，抑制其氧化酶活性。依靠该机制可以在低浓度C02环境中也能达到较高的光合速率，这种机制广泛存在于从细菌到高等植物的很多进行光合作用的有机体中，但容易受到外界环境，如光、温度、C02浓度和营养状况的影响。
蓝藻是一类原核光合自养生物，以叶绿素a作为主要光合色素，通过Calvin循环固定C02，光合作用过程中释放氧。蓝藻细胞的光合作用对C02具有高亲和力，聚球藻(Xynechococcus)与蓝藻比较，在碳限制的恒化培养条件下，Synechococeus细胞固定C02的半饱和常数仅为3nmol·L，而蓝藻大约是200-300μmol·L。如果胞内C02浓度仅为10～12μmol·L-I(与空气达到平衡时的典型水环境中C02浓度)，则几乎不可能有C02同化，这也表明在外部环境与蓝藻的Rubisco间有CCM介入。研究表明蓝藻具有C02转运系统，并且可以主动转运HC03-。无机碳经跨质膜转运，在蓝藻胞内以HC03-形式累积。细胞质中累积的HC03-。经扩散进入羧体，后经碳酸酐酶催化脱水形成C02，引起Rubisco周围C02浓度升高。其中，相当一部分C02被Rubisco固定，余下的C02在向外扩散过程中被依赖于光能的C02转运途径部分回收。不同微藻转运机制不同，现有模型还不能完全揭示CCM机制。
3、二氧化碳浓度影响
微藻耐受二氧化碳的能力和藻种的特异性有关。例如藻种Chlorococcum littorale：从空气中转到C02浓度大于20％条件下，出现1一4天的迟滞阶段，但之后光合作用及细胞生长却有所提高；而当转移到浓度为40％的环境中，培养液的pH由7．0下降到6．4，PSII效率下降：而生长在5％C02浓度的微藻转移到40％C02环境中，却没有出现迟滞现象，PS II也不下降，并且检测不到胞内和胞外CA。而采用Chorellaxp．UK001藻种，同样条件下，从空气中或从5％C02转移到40%C02环境中，均未出现滞后阶段，光合固碳未受到抑制，而且空气中培养的ChoreHasp．UK001藻比Chlorococcum littorale的CA活性低。