生物質(zhì)快速熱裂解生物油對藻類(lèi)的毒性效應

第36卷第6期太陽(yáng)能學(xué)報Vol. 36, No. 62015年6月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAJun, 2015文章編號:0254-0096(2015)06-1397-06生物質(zhì)快速熱裂解生物油對藻類(lèi)的毒性效應黃歷，劉榮厚，張樂(lè )，尹仁湛(上海交通大學(xué)農業(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(lèi)培養液,測定生物油對藻類(lèi)的毒性效應。結果表明:不同生物油含量的藻類(lèi)培養液對兩種藻的生長(cháng)存在不同程度的抑制,對斜生柵藻的生長(cháng)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%) ;對月牙藻的生長(cháng)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(lèi)培養液中生物油含量越高,其抑制效應越強。對不同生物油含量下的藻類(lèi)生長(cháng)抑制率進(jìn)行非線(xiàn)性回歸分析(以生物量計),生物油對斜生柵藻和月牙藻生長(cháng)的72 h半效應濃度分別為17.62和14.16 mg/L,說(shuō)明月牙藻對生物油更敏感。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)快速熱裂解;生物油;斜生柵藻;月牙藻;半效應濃度中圖分類(lèi)號: TK6文獻標識碼: A水域環(huán)境中的遷移狀況以及生物油對生態(tài)系統的0引言毒性效應，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-種用途極其當等環(huán)境突發(fā)事件提供預案指導,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前的評估積累理論資料。于鍋爐、柴油機、渦輪機等機器的燃料。同時(shí),還藻類(lèi)是水生生態(tài)系統的初級生產(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)和生命有機體,對維持水環(huán)境的生態(tài)平衡和料、溶劑、樹(shù)脂等,并可制取多酚、化肥、農藥和- -些穩定具有極其重要的作用。。單細胞綠藻因其生活滿(mǎn)足環(huán)保要求的產(chǎn)品2。周期短、對污染物反應靈敏、易于分離培養和直接生物油是含氧量極高的復雜有機成分的混合.觀(guān)察細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(lèi)的含氧有機物(如醚、酯醛、態(tài)毒理學(xué)研究中的理想實(shí)驗材料。因此在研究有酮、酚、有機酸、醇等)”。不同生物質(zhì)原料生產(chǎn)的生毒物對水環(huán)境的影響時(shí),藻類(lèi)生長(cháng)測試常被用作毒物油在主要成分的相對含量上大都表現出相同的性測定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較大2)。類(lèi)生長(cháng)抑制實(shí)驗[9.1 ,測定生物油對斜生柵藻J.P.Diebold等4對接觸生物油可能帶來(lái)的危險性(Scenedesmus obliquus)和月牙藻(Selenastrum spp.)做了研究,結果表明:生物油不會(huì )滲人皮膚,但長(cháng)時(shí)生長(cháng)的抑制效應,探討生物油對水生浮游藻類(lèi)的潛間直接接觸會(huì )導致皮膚色素蛻變、對哺乳動(dòng)物的眼在危害,以期為生物油的安全應用提供基礎資料及睛造成強烈刺激。攝人高濃度的生物油有可能導致參考。哺乳動(dòng)物呼吸系統和消化系統的損害。A.Oasmaa1材料與方法等5)對某種商品生物油開(kāi)展的生態(tài)毒理學(xué)研究后,按照經(jīng)濟合作組織的化學(xué)品管理標準,將該種生物1.1實(shí)驗材料油定為第九類(lèi)雜項類(lèi)危險品。在大規模應用前,開(kāi)實(shí)驗用生物油生產(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器。熱裂解條件:反應器溫度500C和停收稿日期: 2013-04-03基金項目:國家自然科學(xué)基金(51176121);“十二五”國家科技支撐計劃(2011BAD22B07)通信作者:劉榮厚(1960- -),男，博士、教授、博士生導師，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(yáng)能學(xué)報36卷留時(shí)間2s。1.3數據處理和分析實(shí)驗所用藻種由上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué).3.1 生長(cháng)抑制率的計算院藻類(lèi)保藏室提供，其中月牙藻是國際標準組織指按照式(1)"計算生長(cháng)抑制率:定用于藻類(lèi)生長(cháng)抑制試驗研究的藻種,斜生柵藻是A=!N,-N?！鉞t↓+N.+N-2N。2X(4-1)+...+中國淡水水域常見(jiàn)種。2N:+N. -2N。1.2 實(shí)驗方法.(1)1.2.1生 物油特性分析式中,A一-生長(cháng)曲線(xiàn)以下的面積; N。- t。時(shí)刻生物油pH值采用pH計測定,測試前使用校正藻細胞濃度; N,一- t,時(shí)刻藻細胞濃度;N---t,液校正。生物油的熱值使用氧彈式熱量計(XRY-1B,時(shí)刻藻細胞濃度;to一實(shí)驗起始的時(shí)間;-上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司),參照國標CB/T283實(shí)驗開(kāi)始后第一次計數的時(shí)間;t。一實(shí) 驗開(kāi)始后以及ASTM D 3286- -91a 法測定。密度使用DMA第n次計數的時(shí)間。4100M(安東帕公司),按照儀器說(shuō)明書(shū)測定。含水每組測試液細胞生長(cháng)抑制的百分率I,是通過(guò)率使用KFT TTRINO plus 870(瑞士萬(wàn)通儀器廠(chǎng))，對 照組生長(cháng)曲線(xiàn)下所包圍的面積( A。)與每個(gè)處理參照國標GB/T 11146- -89 以及ASTM D1744測組生 長(cháng)曲線(xiàn)下面所包圍的面積A,之差計算得到。定。運動(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，儀器型號為美國Agilent 公司的按照式(2),利用對照組和各處理組的生長(cháng)數據計算生長(cháng)抑制率,使用GraphPadPrism軟件進(jìn)行7890-5975。數據分析并作圖,按照回歸方程計算半效應濃1.2.2藻類(lèi)生 長(cháng)抑制實(shí)驗藻類(lèi)培養在人工氣候箱(BIC-400型,上海博迅度EC。。實(shí)驗有限公司)中進(jìn)行,將適量的斜生柵藻藻種接2結果與討論種到新鮮無(wú)菌的SE培養液(Brostol'ssolution)中,月牙藻藻種接種至BG培養液(Blue- Green2.1生物油 與礦物質(zhì)油的理化特性比較Medium)中,在500 mL錐心瓶中擴種培養6d,達到了解生物油的理化特性可幫助認識其在水體指數生長(cháng)期后再次轉接到1000mL錐形瓶中培養中的擴散和遷移過(guò)程以及應對突發(fā)溢油事件時(shí)及3d,用血球計數板在顯微鏡下進(jìn)行計數。培養溫度時(shí)制定解決措施。實(shí)驗所測生物油和文獻[2]記載(22+2)C,光源為日光燈冷光源,光照強度設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,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，隨機改變各三角燒瓶的testing and heavy fuel oil位置。項目生物油重油根據預實(shí)驗的結果，設置5組不同生物油含量水分1% ,wt20.290.10的藻培養液,每組設3個(gè)重復。分別用培養液配制灰分/%,wt .0.044測試液,使每組藻類(lèi)培養液中生物油含量分別為0、運動(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預培養好密度/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)一樣對水域環(huán)境造成很大影響,不但會(huì )減小光線(xiàn)進(jìn)驗開(kāi)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藻類(lèi)的毒性效應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(cháng)但很緩慢,前期甚至出現停滯;其他3子微觀(guān)作用的宏觀(guān)性通過(guò)粘度來(lái)表現，因此研究生個(gè)生物油含量組在0~48h培養時(shí)段內,3組間抑制物油粘度特性對其生產(chǎn)、儲運、使用和處置等具有效應不明顯,48h后才出現分化,說(shuō)明生物油對月重要意義[3]。生物油的pH值通常在2~4之間,大牙藻生長(cháng)的抑制效應有實(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)植物試驗組的抑制效應看,在72h培養過(guò)程中,后期斜帶來(lái)災難性影響[4]。因此,在進(jìn)行生物油的毒理學(xué)生柵藻出現了負增長(cháng),而月牙藻有少量增長(cháng)，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生物油的耐受性更強。在內。+ 9.5 mg/L●2.2生物油對兩種藻類(lèi)生長(cháng)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(lè )15-◆81.3 mg/L81.3mg/L的培養液對斜生柵藻的生長(cháng)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%);對月牙藻的生長(cháng)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,與對照組相比,生物油含量為9.5和20.7mg/L.時(shí)間/h實(shí)驗組對斜生柵藻的抑制效應不顯著(zhù)(P>0.05)，a.斜生柵藻S.obliguus48.5 mg/L實(shí)驗組抑制效應顯著(zhù)(P<0.05),81.3 mg/L-●對照組t 9.5 mg/L實(shí)驗組抑制效應達到極顯著(zhù)(P<0.01);9.5,20.7和5 2048.5 mg/L實(shí)驗組對月牙藻的生長(cháng)抑制效應與對照組望+ 48.5 mg/L∈15比較均不顯著(zhù)(P>0.05),當生物油含量為81.3 mg/L時(shí)抑制效應極顯著(zhù)(P<0.01)。因此，不同含量的生備10物油對兩種藻類(lèi)的生長(cháng)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。一不同生物油含量的培養液對兩種藻類(lèi)生長(cháng)的影482響如圖1所示。由圖la可知,在斜生柵藻的生長(cháng)過(guò)程中，當生物油含量為81.3mg/L時(shí)抑制作用最強,b.月芽藻Selenastrum spp-24h后開(kāi)始出現負增長(cháng),隨著(zhù)培養時(shí)間的延長(cháng),這種圖1不同濃度 生物油對兩種藻類(lèi)生長(cháng)的影響毒性效應逐漸明顯。當生物油含量為48.5 mg/L時(shí)，Fig. 1 Influence of different concentration of bio-oil on algea0~48h斜生柵藻的生長(cháng)非常緩慢,48h后停止，藻體growth開(kāi)始死亡。生物油含量為9.5和20.7 mg/L實(shí)驗組的2.3生物油對兩種藻類(lèi)生長(cháng)的半效應濃度(EC.)抑制效應在0~24h內不明顯,24h后,20.7mg/L實(shí)驗組的生長(cháng)曲線(xiàn)斜率略高于9.5 mg/L實(shí)驗組,高生根據對照組和各處理組在各時(shí)段的生長(cháng)數據,物油含量的實(shí)驗組,藻類(lèi)生長(cháng)更快，這與Blin'S發(fā)現計算兩種藻類(lèi)72 h的生長(cháng)抑制率，然后使用的低生物油含量促進(jìn)生長(cháng)的現象相反,推測生物油GraphPad Prism 5軟件分析并生成兩種藻類(lèi)72h的中的某些成分是斜生柵藻某時(shí)段生長(cháng)所需的營(yíng)養生長(cháng)抑制率與不同生物油含量的藻培養液的回歸鹽,因此高含量的生物油促進(jìn)了藻類(lèi)生長(cháng)。而48 h曲線(xiàn)(圖2)。對斜生柵藻的抑制率與生物油含量的后,出現了相反的情形,這可能與斜生柵藻在不同數值的對數作圖,使用“l(fā)og(inhibitor) vs. response"生長(cháng)階段所需資源的量和種類(lèi)不同有關(guān)。從月牙模型進(jìn)行非線(xiàn)性回歸分析,得到生物油對斜生柵藻藻的生長(cháng)曲線(xiàn)(圖1b)看，生物油為81.3mg/L的高的濃度-效應相關(guān)曲線(xiàn)(圖2a);對月牙藻的抑制率含量處理組,在72h的培養過(guò)程中，藻細胞的數量與生物油含量值的對數作圖,使用“l(fā)og(inhibitor)1400太陽(yáng)能學(xué)報36卷vs. normalized response -Variable slope"模型進(jìn)行非說(shuō)明其抑制藻類(lèi)生長(cháng)的效果越好。同時(shí)生物油具線(xiàn)性回歸分析,得到生物油對月牙藻的濃度效應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(xiàn)(圖2b)。通過(guò)擬合方程分別計算出生物油物制劑控制水體富營(yíng)養化具有相當好的應用前對斜生柵藻的72 h半效應濃度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),對藻類(lèi)生長(cháng)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)對藻類(lèi)的生長(cháng)起到間接的R2=0.957200 t抑制作用,在評價(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(lái)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)檢測生物油的有機化合生物濃度值的對數物組成。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(lèi)結果見(jiàn)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(lèi) 72 h的生長(cháng)抑制率與不同生物油含量的停留時(shí)間/min回歸曲線(xiàn)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21種生物油進(jìn)行了藻類(lèi)生長(cháng)抑制50[實(shí)驗后,根據每種生物油的ECo值(mg/L)將生物油的生態(tài)毒性分為3類(lèi),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(lèi)物質(zhì),而且這種生物油也7]高玉榮. 殺蟲(chóng)劑單甲脒對綠藻的毒性研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1995, 15(1):92- 97.表現出滅蟻活性。[7] Cao Yurong. Toxicity study of insecticide N (2,3結論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(lèi)培養液對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%);對月牙藻的生長(cháng)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%) ,抑制作用隨培養液中生物油含量的增大而增強。81.3mg/L試驗9]Interational Organization for Standardization. Freshwater algal growth inhibition test with Scenedesmus組中,72h培養期結束后,斜生柵藻出現負增長(cháng),而subspicatus and Pseudokircheiella subeapitata [M].月牙藻仍有少量增長(cháng),說(shuō)明月牙藻的耐受性強于斜International Standard 8692, Geneve (Switzerland) ，生柵藻。生物油特性分析結果表明,其含水率為1989.20.29%，40 C運動(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。生物油對兩種藻類(lèi)的抑Series on Testing and Assessnent No. 23, 2000. Draft制效應不同,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,月牙藻對生物油的反應更加敏感,substances and mixtures[S].按照Blin!S)對生物油的分級,可將本研究所用生物[11]裴國鳳，劉國祥.三聚氰胺對藻類(lèi)的毒性效應研究[J].水生生物學(xué)報, 2010, 34(5): 973- -978.油歸為有輕微生態(tài)毒性-類(lèi)。經(jīng)GC-MS分析,檢測[11] Pei Guofeng, Liu Guoxiang Toxic ffects study of出實(shí)驗生物油中含500多種有機化合物，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(lèi)物質(zhì)2010, 34(5): 973- 978.是藻類(lèi)生長(cháng)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]13]朱錫鋒,陸強,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(yáng)能學(xué)報, 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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Biodegradability of(2): 338- -342.TOXIC EFFECT OF BIO-OIL FROM BIOMASSFAST PYROLYSIS ON FRESH ALGAEHuang Li，Liu Ronghou，Zhang Le，Yin Renzhan(Biomass Energy Engineering Research Centre , School of Agriculture and Biology , Shanghai Jiao Tong Univerity, Shanghai 200240, China)Abstract: In order to determine the safety of using bio-oil from biomass fast pyrolysis , toxic effect of bio-oil on algae wasinvestigated in an algal growth inhibition test with Scenedesmus obliquus and and Selenastrum spp. , in which five alagebroths with 0, 9.5, 20.7, 48.5, 81.3 mg/L concentrations of bio-oil were applied, respectively. 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