第36卷第6期太陽能學(xué)報(bào)Vol. 36, No. 62015年6月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAJun, 2015文章編號(hào):0254-0096(2015)06-1397-06生物質(zhì)快速熱裂解生物油對(duì)藻類的毒性效應(yīng)黃歷，劉榮厚，張樂，尹仁湛(上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院生物質(zhì)能工程研究中心，上海200240)摘要:為明確生物質(zhì)快速熱裂解生物油的使用安全性能,以斜生柵藻和月牙藻為受試材料設(shè)置5組不同生物油含量(分別為0.9.5.20.7 .48.5和81.3 mg/L)的藻類培養(yǎng)液,測定生物油對(duì)藻類的毒性效應(yīng)。結(jié)果表明:不同生物油含量的藻類培養(yǎng)液對(duì)兩種藻的生長存在不同程度的抑制,對(duì)斜生柵藻的生長抑制率分別為0、(36.59%+5.94%)、(48.47%+2.53%) .(94.83% +2.50% )和(105.25%土1.39%) ;對(duì)月牙藻的生長抑制率分別為0、(45.14% +0.93%)、(55.45%+1.41%).(64.07%+3.95% )和(92.58% +0.88% ) ,藻類培養(yǎng)液中生物油含量越高,其抑制效應(yīng)越強(qiáng)。對(duì)不同生物油含量下的藻類生長抑制率進(jìn)行非線性回歸分析(以生物量計(jì)),生物油對(duì)斜生柵藻和月牙藻生長的72 h半效應(yīng)濃度分別為17.62和14.16 mg/L,說明月牙藻對(duì)生物油更敏感。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)快速熱裂解;生物油;斜生柵藻;月牙藻;半效應(yīng)濃度中圖分類號(hào): TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A水域環(huán)境中的遷移狀況以及生物油對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的0引言毒性效應(yīng)，可以為可能發(fā)生的生物油泄露、處置不生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)生的生物油是一-種用途極其當(dāng)?shù)拳h(huán)境突發(fā)事件提供預(yù)案指導(dǎo),同時(shí)也為化學(xué)品廣泛的新型可再生清潔能源產(chǎn)品,加工精煉后可用登記注冊(cè)前的評(píng)估積累理論資料。于鍋爐、柴油機(jī)、渦輪機(jī)等機(jī)器的燃料。同時(shí),還藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者,連接非生可從中提取高附加值的化學(xué)品,如經(jīng)分餾可得到香命物質(zhì)和生命有機(jī)體,對(duì)維持水環(huán)境的生態(tài)平衡和料、溶劑、樹脂等,并可制取多酚、化肥、農(nóng)藥和- -些穩(wěn)定具有極其重要的作用。。單細(xì)胞綠藻因其生活滿足環(huán)保要求的產(chǎn)品2。周期短、對(duì)污染物反應(yīng)靈敏、易于分離培養(yǎng)和直接生物油是含氧量極高的復(fù)雜有機(jī)成分的混合.觀察細(xì)胞水平上的中毒癥狀等優(yōu)點(diǎn)”，成為水生生物,幾乎包括所有種類的含氧有機(jī)物(如醚、酯醛、態(tài)毒理學(xué)研究中的理想實(shí)驗(yàn)材料。因此在研究有酮、酚、有機(jī)酸、醇等)”。不同生物質(zhì)原料生產(chǎn)的生毒物對(duì)水環(huán)境的影響時(shí),藻類生長測試常被用作毒物油在主要成分的相對(duì)含量上大都表現(xiàn)出相同的性測定8。本研究參考生態(tài)毒理學(xué)測試方法一藻趨勢,苯酚、蒽、恭、菲和一些酸的含量相對(duì)較大2)。類生長抑制實(shí)驗(yàn)[9.1 ,測定生物油對(duì)斜生柵藻J.P.Diebold等4對(duì)接觸生物油可能帶來的危險(xiǎn)性(Scenedesmus obliquus)和月牙藻(Selenastrum spp.)做了研究,結(jié)果表明:生物油不會(huì)滲人皮膚,但長時(shí)生長的抑制效應(yīng),探討生物油對(duì)水生浮游藻類的潛間直接接觸會(huì)導(dǎo)致皮膚色素蛻變、對(duì)哺乳動(dòng)物的眼在危害,以期為生物油的安全應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料及睛造成強(qiáng)烈刺激。攝人高濃度的生物油有可能導(dǎo)致參考。哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的損害。A.Oasmaa1材料與方法等5)對(duì)某種商品生物油開展的生態(tài)毒理學(xué)研究后,按照經(jīng)濟(jì)合作組織的化學(xué)品管理標(biāo)準(zhǔn),將該種生物1.1實(shí)驗(yàn)材料油定為第九類雜項(xiàng)類危險(xiǎn)品。在大規(guī)模應(yīng)用前,開實(shí)驗(yàn)用生物油生產(chǎn)原料為水稻稻殼粉,采用流展生物油的生態(tài)毒理學(xué)研究、了解生物油在陸地和化床反應(yīng)器。熱裂解條件:反應(yīng)器溫度500C和停收稿日期: 2013-04-03基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51176121);“十二五”國家科技支撐計(jì)劃(2011BAD22B07)通信作者:劉榮厚(1960- -),男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事可再生能源與環(huán)境工程方面的研究與教學(xué)工作。liurhou@sju.edu.cn1398太陽能學(xué)報(bào)36卷留時(shí)間2s。1.3數(shù)據(jù)處理和分析實(shí)驗(yàn)所用藻種由上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué).3.1 生長抑制率的計(jì)算院藻類保藏室提供，其中月牙藻是國際標(biāo)準(zhǔn)組織指按照式(1)"計(jì)算生長抑制率:定用于藻類生長抑制試驗(yàn)研究的藻種,斜生柵藻是A=!N,-N?！鉞t↓+N.+N-2N。2X(4-1)+...+中國淡水水域常見種。2N:+N. -2N。1.2 實(shí)驗(yàn)方法.(1)1.2.1生 物油特性分析式中,A一-生長曲線以下的面積; N。- t。時(shí)刻生物油pH值采用pH計(jì)測定,測試前使用校正藻細(xì)胞濃度; N,一- t,時(shí)刻藻細(xì)胞濃度;N---t,液校正。生物油的熱值使用氧彈式熱量計(jì)(XRY-1B,時(shí)刻藻細(xì)胞濃度;to一實(shí)驗(yàn)起始的時(shí)間;-上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司),參照國標(biāo)CB/T283實(shí)驗(yàn)開始后第一次計(jì)數(shù)的時(shí)間;t。一實(shí) 驗(yàn)開始后以及ASTM D 3286- -91a 法測定。密度使用DMA第n次計(jì)數(shù)的時(shí)間。4100M(安東帕公司),按照儀器說明書測定。含水每組測試液細(xì)胞生長抑制的百分率I,是通過率使用KFT TTRINO plus 870(瑞士萬通儀器廠)，對(duì) 照組生長曲線下所包圍的面積( A。)與每個(gè)處理參照國標(biāo)GB/T 11146- -89 以及ASTM D1744測組生 長曲線下面所包圍的面積A,之差計(jì)算得到。定。運(yùn)動(dòng)粘度使用SYD-265H(上海昌吉地質(zhì)儀器:1,=A。-A x 100% .2)有限公司)測定?；衔锝M成采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法進(jìn)行分析，儀器型號(hào)為美國Agilent 公司的按照式(2),利用對(duì)照組和各處理組的生長數(shù)據(jù)計(jì)算生長抑制率,使用GraphPadPrism軟件進(jìn)行7890-5975。數(shù)據(jù)分析并作圖,按照回歸方程計(jì)算半效應(yīng)濃1.2.2藻類生 長抑制實(shí)驗(yàn)藻類培養(yǎng)在人工氣候箱(BIC-400型,上海博迅度EC。。實(shí)驗(yàn)有限公司)中進(jìn)行,將適量的斜生柵藻藻種接2結(jié)果與討論種到新鮮無菌的SE培養(yǎng)液(Brostol'ssolution)中,月牙藻藻種接種至BG培養(yǎng)液(Blue- Green2.1生物油 與礦物質(zhì)油的理化特性比較Medium)中,在500 mL錐心瓶中擴(kuò)種培養(yǎng)6d,達(dá)到了解生物油的理化特性可幫助認(rèn)識(shí)其在水體指數(shù)生長期后再次轉(zhuǎn)接到1000mL錐形瓶中培養(yǎng)中的擴(kuò)散和遷移過程以及應(yīng)對(duì)突發(fā)溢油事件時(shí)及3d,用血球計(jì)數(shù)板在顯微鏡下進(jìn)行計(jì)數(shù)。培養(yǎng)溫度時(shí)制定解決措施。實(shí)驗(yàn)所測生物油和文獻(xiàn)[2]記載(22+2)C,光源為日光燈冷光源,光照強(qiáng)度設(shè)定為的重油特性列于表1。6000 lx,光照周期14 h(光):10h(暗),靜止培養(yǎng),每表1受試生物油 與重油的理化特性Table 1 Physical properties of fast pyrolysis bio-oil in天定時(shí)人工搖動(dòng)4次，隨機(jī)改變各三角燒瓶的testing and heavy fuel oil位置。項(xiàng)目生物油重油根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)置5組不同生物油含量水分1% ,wt20.290.10的藻培養(yǎng)液,每組設(shè)3個(gè)重復(fù)。分別用培養(yǎng)液配制灰分/%,wt .0.044測試液,使每組藻類培養(yǎng)液中生物油含量分別為0、運(yùn)動(dòng)粘度/mm'.s'199.8(40 C)180.0(50C)9.5、20.7、48.5、81.3 mg/L。分別將10 mL預(yù)培養(yǎng)好密度/g.cm’1.120.94的藻種接種于90mL經(jīng)高溫高壓滅菌并冷卻的測pH值3.38試液中,培養(yǎng)容器為250mL錐形瓶,測試液均取從表1中可看出生物油的粘度和密度與重油100mL,斜生柵藻和月牙藻的初始藻細(xì)胞濃度分別接近,因此生物油大量進(jìn)人水體后也會(huì)如礦物質(zhì)油為(1.33+0.06)x10和(1.38+0.11)x10*個(gè)/毫升,在實(shí)一樣對(duì)水域環(huán)境造成很大影響,不但會(huì)減小光線進(jìn)驗(yàn)開始后的第24、48、72小時(shí)取適量藻液，測定藻入水體的量、減緩CO2和0,的正常交換速率從而影細(xì)胞濃度的變化。響浮游植物的光合作用,而且還會(huì)影響浮游動(dòng)物和6期黃歷等:生物質(zhì)快速熱裂解生物油對(duì)藻類的毒性效應(yīng)1399小型水生動(dòng)物的行動(dòng)從而造成物理傷害。流體分雖有所增長但很緩慢,前期甚至出現(xiàn)停滯;其他3子微觀作用的宏觀性通過粘度來表現(xiàn)，因此研究生個(gè)生物油含量組在0~48h培養(yǎng)時(shí)段內(nèi),3組間抑制物油粘度特性對(duì)其生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、使用和處置等具有效應(yīng)不明顯,48h后才出現(xiàn)分化,說明生物油對(duì)月重要意義[3]。生物油的pH值通常在2~4之間,大牙藻生長的抑制效應(yīng)有實(shí)效。從最高生物油含量量進(jìn)入水體后會(huì)破壞水體的pH值,給水生動(dòng)植物試驗(yàn)組的抑制效應(yīng)看,在72h培養(yǎng)過程中,后期斜帶來災(zāi)難性影響[4]。因此,在進(jìn)行生物油的毒理學(xué)生柵藻出現(xiàn)了負(fù)增長,而月牙藻有少量增長，因此研究時(shí),分析其毒性原因有必要將理化特性考慮月牙藻對(duì)生物油的耐受性更強(qiáng)。在內(nèi)。+ 9.5 mg/L●2.2生物油對(duì)兩種藻類生長的影響鑫20-←20.7 mg/L經(jīng)測試,生物油含量為0.9.5、20.7.48.5和單十48.5 mg/L樂15-◆81.3 mg/L81.3mg/L的培養(yǎng)液對(duì)斜生柵藻的生長抑制率分別三盛1為0、(36.59%+5.94%)、(48.47%+2.53%)、(94.83%士2.50% )和( 105.25%+1.39%);對(duì)月牙藻的生長抑制率分別為0、(45.14% +0.93%)、(55.45%土1.41%)、:二=(64.07%+3.95% )和(92.58%+0.88%)。l-test 分析表244明,與對(duì)照組相比,生物油含量為9.5和20.7mg/L.時(shí)間/h實(shí)驗(yàn)組對(duì)斜生柵藻的抑制效應(yīng)不顯著(P>0.05)，a.斜生柵藻S.obliguus48.5 mg/L實(shí)驗(yàn)組抑制效應(yīng)顯著(P<0.05),81.3 mg/L-●對(duì)照組t 9.5 mg/L實(shí)驗(yàn)組抑制效應(yīng)達(dá)到極顯著(P<0.01);9.5,20.7和5 2048.5 mg/L實(shí)驗(yàn)組對(duì)月牙藻的生長抑制效應(yīng)與對(duì)照組望+ 48.5 mg/L∈15比較均不顯著(P>0.05),當(dāng)生物油含量為81.3 mg/L時(shí)抑制效應(yīng)極顯著(P<0.01)。因此，不同含量的生備10物油對(duì)兩種藻類的生長有不同程度的抑制作用,抑制作用隨生物油含量的增大而增強(qiáng)。一不同生物油含量的培養(yǎng)液對(duì)兩種藻類生長的影482響如圖1所示。由圖la可知,在斜生柵藻的生長過程中，當(dāng)生物油含量為81.3mg/L時(shí)抑制作用最強(qiáng),b.月芽藻Selenastrum spp-24h后開始出現(xiàn)負(fù)增長,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,這種圖1不同濃度 生物油對(duì)兩種藻類生長的影響毒性效應(yīng)逐漸明顯。當(dāng)生物油含量為48.5 mg/L時(shí)，F(xiàn)ig. 1 Influence of different concentration of bio-oil on algea0~48h斜生柵藻的生長非常緩慢,48h后停止，藻體growth開始死亡。生物油含量為9.5和20.7 mg/L實(shí)驗(yàn)組的2.3生物油對(duì)兩種藻類生長的半效應(yīng)濃度(EC.)抑制效應(yīng)在0~24h內(nèi)不明顯,24h后,20.7mg/L實(shí)驗(yàn)組的生長曲線斜率略高于9.5 mg/L實(shí)驗(yàn)組,高生根據(jù)對(duì)照組和各處理組在各時(shí)段的生長數(shù)據(jù),物油含量的實(shí)驗(yàn)組,藻類生長更快，這與Blin'S發(fā)現(xiàn)計(jì)算兩種藻類72 h的生長抑制率，然后使用的低生物油含量促進(jìn)生長的現(xiàn)象相反,推測生物油GraphPad Prism 5軟件分析并生成兩種藻類72h的中的某些成分是斜生柵藻某時(shí)段生長所需的營養(yǎng)生長抑制率與不同生物油含量的藻培養(yǎng)液的回歸鹽,因此高含量的生物油促進(jìn)了藻類生長。而48 h曲線(圖2)。對(duì)斜生柵藻的抑制率與生物油含量的后,出現(xiàn)了相反的情形,這可能與斜生柵藻在不同數(shù)值的對(duì)數(shù)作圖,使用“l(fā)og(inhibitor) vs. response"生長階段所需資源的量和種類不同有關(guān)。從月牙模型進(jìn)行非線性回歸分析,得到生物油對(duì)斜生柵藻藻的生長曲線(圖1b)看，生物油為81.3mg/L的高的濃度-效應(yīng)相關(guān)曲線(圖2a);對(duì)月牙藻的抑制率含量處理組,在72h的培養(yǎng)過程中，藻細(xì)胞的數(shù)量與生物油含量值的對(duì)數(shù)作圖,使用“l(fā)og(inhibitor)1400太陽能學(xué)報(bào)36卷vs. normalized response -Variable slope"模型進(jìn)行非說明其抑制藻類生長的效果越好。同時(shí)生物油具線性回歸分析,得到生物油對(duì)月牙藻的濃度效應(yīng)相有良好的生物降解性7],因此將生物油用作一種生關(guān)曲線(圖2b)。通過擬合方程分別計(jì)算出生物油物制劑控制水體富營養(yǎng)化具有相當(dāng)好的應(yīng)用前對(duì)斜生柵藻的72 h半效應(yīng)濃度EC為17.62 mg/L,景。影響ECso的因素很多,生物油中含有許多能破月牙藻的ECs為14.16 mg/L。壞生物體新陳代謝活性的物質(zhì),對(duì)藻類生長起到主150 r要的抑制作用,其次是生物油的理化特性(如粘度、y=170.2-[8125.461/<50+109]pH值、非水溶性雜質(zhì)等)對(duì)藻類的生長起到間接的R2=0.957200 t抑制作用,在評(píng)價(jià)生物油毒性時(shí)也是需要考慮的因素。50 t2.4生物油 GS-MS成分分析生物油的毒性來源于其組成成分,為了探明其化學(xué)成分與抑藻作用之間的關(guān)系,本研究選擇氣相).5.01.52.02.5色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)檢測生物油的有機(jī)化合生物濃度值的對(duì)數(shù)物組成。生物油的GC-MS圖譜如圖3所示。由圖a. 斜生珊藻Soliquus3可知,共檢出有機(jī)化合物約700種，與譜庫比較匹100 ry-100/[1+109758 084710]配度較高的約有500種。生物油的主要物質(zhì)組成80 F R'=0.7992分類結(jié)果見圖4。600H5H40 t35 H20 t5 HIb.月牙藻Selenastrum spp.0四10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00圖2兩種藻類 72 h的生長抑制率與不同生物油含量的停留時(shí)間/min回歸曲線圖3生物油的 GC-MS圖譜Fig2 Regression curve of inhibitin rates of bio-oil onFig.3 Results of GC-MS analysis of bio-oilS. obliquus and Selenastrum spp. growth for 72 hJ. Blin5)在對(duì)21種生物油進(jìn)行了藻類生長抑制50[實(shí)驗(yàn)后,根據(jù)每種生物油的ECo值(mg/L)將生物油的生態(tài)毒性分為3類,即:不具生態(tài)毒性(ECso> 100)、具有輕微生態(tài)毒性(10100 mg/L。[6] Smith D w. Phytoplankton and calfish culture : AY. Mitsuyoshi等"在赤松(Pinus densiflora )熱解生物review [J]. Aquaculture, 1988, 74(3-4): 169- -189油中也檢測出多種苯酚類物質(zhì),而且這種生物油也7]高玉榮. 殺蟲劑單甲脒對(duì)綠藻的毒性研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1995, 15(1):92- 97.表現(xiàn)出滅蟻活性。[7] Cao Yurong. Toxicity study of insecticide N (2,3結(jié)論4- Dimethylphenyl)- N' methylamidine hydrochloride onScenedesmus obliqus and chlorella pyrenoidosa[J].本研究中,生物油含量為0.9.5、20.7、48.5和Acta scientiae circumstantiae, 1995, 15(1):92- -9781.3mg/L的藻類培養(yǎng)液對(duì)斜生柵藻的抑制率分別[8] Burkiewicz K, Synak R, Tukaj Z. Toxicity study of為0、(36.59%+5.94%)、(48.47%+2.53%)、(94.83%士three insecticides in a standard algal growth inhibition2.50% )和( 105.25%+1.39%);對(duì)月牙藻的生長抑制test with Scenedesmus subspicatus[J]. Envionmental率分別為(45.14%士0.93%)、(55.45%+1.41%)、Contamination and Toxicology, 2005, 74(6): 1192-1198.(64.07%+3.95% )和(92.58%+0.88%) ,抑制作用隨培養(yǎng)液中生物油含量的增大而增強(qiáng)。81.3mg/L試驗(yàn)9]Interational Organization for Standardization. Freshwater algal growth inhibition test with Scenedesmus組中,72h培養(yǎng)期結(jié)束后,斜生柵藻出現(xiàn)負(fù)增長,而subspicatus and Pseudokircheiella subeapitata [M].月牙藻仍有少量增長,說明月牙藻的耐受性強(qiáng)于斜International Standard 8692, Geneve (Switzerland) ，生柵藻。生物油特性分析結(jié)果表明,其含水率為1989.20.29%，40 C運(yùn)動(dòng)粘度為199.8 mm/s,密度為[10] 0ECD Environmental Heath and Safety Publications1.1187g/m’,pH值為3.38。生物油對(duì)兩種藻類的抑Series on Testing and Assessnent No. 23, 2000. Draft制效應(yīng)不同,斜生柵藻和月牙藻72h的ECo分別為guidance document on aquatic toxicity testing of dificult17.62和14.16,月牙藻對(duì)生物油的反應(yīng)更加敏感,substances and mixtures[S].按照Blin!S)對(duì)生物油的分級(jí),可將本研究所用生物[11]裴國鳳，劉國祥.三聚氰胺對(duì)藻類的毒性效應(yīng)研究[J].水生生物學(xué)報(bào), 2010, 34(5): 973- -978.油歸為有輕微生態(tài)毒性-類。經(jīng)GC-MS分析,檢測[11] Pei Guofeng, Liu Guoxiang Toxic ffects study of出實(shí)驗(yàn)生物油中含500多種有機(jī)化合物，其中占檢melamine on algae[J]. Acta Hydrobiologica Sinica,出峰面積30.2%的為苯酚及其衍生物,苯酚類物質(zhì)2010, 34(5): 973- 978.是藻類生長起抑制作用的可能原因。12]劉曉，許世海,熊云，等.油料與環(huán)境[M].北京:中國石化出版社, 2006.[參考文獻(xiàn)]13]朱錫鋒,陸強(qiáng),鄭冀魯,等.生物質(zhì)熱解與生物油[1]劉榮厚. 生物質(zhì)能工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,的特性研究[J].太陽能學(xué)報(bào), 2006, 27(12): 1285-2009.1289.[2] Czemik S, Bridgwater A V. Overview of application of[13] Zhu Xifeng, Lu Qiang, Zheng Jilu, et al. Research onbiomass fast pyrolysis oil [J]. Energy Fuels, 2004, 18biomass pyrolysis and bio-oil characterstics[J]. 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The results show that thebio-oil has a certain inhibition effect on the growth of algae，the growth inhibition rates of S. obliquus are 0, (36.59%土5.94%), (48.47%+2.53%), (94.83%+2.50%) and ( 105.25%+ 1.39%), respectively; the growth inhibition rates ofSelenastrum spp. are 0, (45.14%+0.93%)，(55.45%+1.41%), (64.07%+3.95% ) and (92.58%+0.88% ), respectivelywhen the concentrations of bio-oil were 0, 9.5, 20.7, 48.5, 81.3 mg/L, respectively. It seems that the higher theconcentration of bio-oil is，the greater the toxic effect is. The non-linear regression analysis of growth inhibition rate withdifferent bio-oil concentration is conducted , according to biomass quantity, 72 h algae ECso( median effect concentration)of bio-oil on inhibition of S. obliquus and Selenastrum spp. growth are 17.62 and 14.16 mg/L, respectively ，whichindicates that Selenastrum spp. is more sensitive to the bio-oil.Keywords: biomass fast pyrolysis; bio-oil; Scenedesmus obliquus; Selenastrum spp. ; median effect concentration