微藻培养在碳封存方面的潜力以及与生物肥料生产相关的价值

本研究利用CO2富集培养的Scenedesmus obliquus BR003制备生物肥料，实现75.6%的CO2固定率，其50%有机碳含量可提升玉米生长。实验表明生物肥料与无机磷钾配比（T2）效果优于常规NPK（T4），同时减少土壤碳排放。

　　

Luna Lilás Henriques Ildefonso | Natalia dos Santos Renato | Nathália Domingues Silva | Dilson Novais Rocha | Marcio Arêdes Martins

巴西米纳斯吉拉斯州维索萨联邦大学农业工程系

摘要

Scenedesmus obliquus BR003 具有快速生长特性和对高浓度二氧化碳（CO₂的耐受性，使其适合大规模培养和碳封存。它能够生产生物肥料，这是一种比化学肥料更可持续的替代品。在本研究中，S. obliquus 在一个混合板罐中培养，每周从烟气中注入595克CO₂，产生了0.14克/升的生物量。所得生物肥料含有50%的有机碳以及必需的营养元素（氮N、磷P和钾K）。通过六种处理方法和五次重复实验发现，处理T2（含有无机磷和钾的生物肥料）和处理T4（含有无机氮、磷和钾的常规肥料）表现出更优的农艺效果。然而，处理T2增加了土壤中的碳含量，而处理T4则降低了碳含量。S. obliquus 能够固定75.6%的注入CO₂，每施用5.84克生物肥料可固定7.42克碳，这凸显了其在减少排放和支持可持续农业方面的潜力。

引言

随着人口快速增长和人类活动加剧，全球对可持续和环保替代品的需求在各个行业领域不断增长。城市化、森林砍伐和化石燃料使用等活动增加了温室气体（GHG）的排放，尤其是二氧化碳（CO₂），从而导致全球变暖[1,2]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，这些高水平的温室气体排放可能会在短期内（2021–2040年）使全球温度上升1.5°C，因此迫切需要采取措施减少这些排放，以实现《巴黎协定》等条约的目标[1,3]。 在减排技术中，微藻培养显示出巨大的二氧化碳封存潜力，年封存量可达1800吨/公顷，大约是陆地植物的50倍[4]。Scenedesmus属是一种常见的淡水绿藻，也是研究最多的微藻属之一[5]，它在生产生物燃料、生物肥料和生物刺激剂等有价值产品方面表现出显著的多功能性[6]。 在农业领域，对化学肥料的依赖导致了广泛的环境退化[7,8]。因此，基于微藻的生物肥料提供了可持续的替代方案，可以控制侵蚀、增强土壤酶活性和微生物活性、提高养分生物利用率、促进植物生长，并通过缓慢释放养分来减少淋溶损失[9],[10],[11],[12]。 然而，尽管开放系统中的微藻培养成本较低且操作简单[5]，但仍面临污染风险和生产力下降的局限。为了最大化生产力，必须为培养物提供最需要的养分——即碳，通常通过向培养罐中注入CO₂来实现。 微藻的光合效率直接受CO₂浓度的影响，对于实现高生长率至关重要。研究表明，虽然大气中的CO₂浓度会限制光合作用，但微藻的光合系统能够适应较高的CO₂水平[13]。例如，将空气中的CO₂浓度提高到20%（200,000 ppm）能够使< />菌株存活并生长，这表明它们对高浓度CO₂具有很强的适应性和鲁棒性[14]。 本研究旨在探讨最近被重新分类为的Scenedesmus obliquus BR003菌株作为生物肥料生产中的碳封存技术的潜力。评估了整个系统的效率、微藻培养过程、生物肥料的生产过程以及后续作物发育情况。

微藻培养

本研究在巴西维索萨联邦大学的生物燃料实验室进行（南纬20°46′14.20″，西经-42°52′21.45″）。Scenedesmus obliquus BR003被培养在一个4000升的开放式混合板罐中，该罐内装有沿罐体长度移动的混合板，以低能耗实现混合[16]。这个位于温室内的系统在自然光照条件下提供了光自养环境，温度保持在19至26°C之间，混合装置由光伏系统驱动。

作物生长与监测

图2显示了每次培养的生物量浓度结果（单位：克/升）。平均生物量为0.14克/升。 生长曲线显示每个培养周期都有不同的阶段：第1至4天（0.06–0.10克/升）为生长缓慢期，而第4至6天则呈指数增长。S. obliquus的生长模式与之前的二氧化碳补充培养研究结果一致[27,28]。 每周的收获情况也显示出相似的趋势。

结论

微藻表现出高效的碳封存能力，能够固定75.6%的注入CO₂，并将其转化为有机碳，占生物肥料生物量的50%。在玉米种植实验中，处理T2（含有无机钾和磷的生物肥料）和处理T4（常规氮、磷、钾肥料）表现出更优的干物质产量和植物生长情况。此外，处理T2通过使用有机氮源替代了化学氮（尿素），从而提高了可持续性。所有生物肥料处理均有助于改善作物生长。

作者贡献声明

Luna Lilás Henriques Ildefonso：撰写、审稿与编辑、方法论设计、概念构思。 Natalia dos Santos Renato：撰写、审稿与编辑、数据验证、项目监督、资源获取与资金申请。 Nathália Domingues Silva：方法论设计、实验研究、数据管理。 Dilson Novais Rocha：撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验研究。 Marcio Arêdes Martins：撰写、审稿与编辑、项目监督。

致谢

本研究得到了巴西政府机构的资助：CAPES（财政代码001）、CNPq（项目编号409275/2023-9和306324/2022-9）以及FAPEMIG（项目编号APQ 01288-23）。