在對灰霾天氣的治理中，我們面臨一個困難：脫硝。對我國華北地區(qū)霧霾成因的機理研究揭示，硫氧化物和氮氧化物是主要元兇。其中，二氧化氮將二氧化硫氧化生成硫酸鹽，對PM2.5顆粒的形成有顯著貢獻(xiàn)，而這一氧化反應(yīng)的速率又隨pH值上升而大幅提高。目前，工業(yè)生產(chǎn)中的脫硝技術(shù)主要是利用氨與氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)生成氮氣。但是，氨由氮氣和氫氣合成，本身要消耗能量、產(chǎn)生污染，與氮氧化物反應(yīng)重新生成氮氣，又使投入的能耗化為烏有。不僅如此，在用氨水進(jìn)行脫硝反應(yīng)時，過量的氨進(jìn)入大氣，增加堿性成分、提高pH值，反而會加速霧霾的形成。這就是我們面臨的治霾脫硝之困。
有沒有新的技術(shù)路徑可以解決這一問題呢？生物脫硝或可提供答案。其中，利用微藻發(fā)酵脫除氮氧化物的方法大有可為。不僅能夠避免過量氨對大氣的污染，反應(yīng)生成的生物質(zhì)還能作為動物飼料添加劑，帶來經(jīng)濟(jì)效益。
微藻是一類單細(xì)胞或多細(xì)胞的微小光合生物，一般利用太陽光能進(jìn)行光合作用、生長繁殖，但也有一些種類能夠利用葡萄糖等有機碳源進(jìn)行高密度發(fā)酵生長，也就是異養(yǎng)生長。工業(yè)尾氣中的氮氧化物可以在適當(dāng)條件下與水反應(yīng)生成硝酸根、亞硝酸根，作為微藻生長所需要的氮營養(yǎng)。依靠太陽光能生產(chǎn)微藻要占用大量土地，因此難以用于工廠的尾氣處理，但利用微藻發(fā)酵技術(shù)則使單位面積生物量產(chǎn)率提高上千倍，從而有可能在廠區(qū)有限的面積進(jìn)行生物脫硝。
為實現(xiàn)微藻脫硝技術(shù)，有三個關(guān)鍵問題需要解決。其一，需要把工業(yè)尾氣氮氧化物固定與微藻發(fā)酵過程相分離，以保證尾氣處理的高效率和可靠度。其二，需要建立微藻利用硝酸根、亞硝酸根規(guī)?；l(fā)酵生產(chǎn)的技術(shù)。其三，需要找到微藻產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)出口。
中國科學(xué)院水生生物研究所與中國石化石科院合作，逐步解決了以上問題。針對第一個問題，中石化的科研人員建立了氧化條件，將尾氣中的氮氧化物高效固定、轉(zhuǎn)化為稀硝酸供微藻培養(yǎng)之用。為了解決第二問題，科研人員篩選獲得可以完全不用光照進(jìn)行異養(yǎng)發(fā)酵的藻種，建立以硝酸鹽為氮源的發(fā)酵模式，實現(xiàn)了十噸規(guī)模發(fā)酵的成功。為了驗證第三個問題，中科院科研人員以微藻作為魚類飼料添加劑，證明可提高魚類生長、體色等指標(biāo)，具有良好應(yīng)用前景。
據(jù)估算，我國每年排放的氮氧化物約為兩千萬噸，利用微藻發(fā)酵技術(shù)即可獲得解決。理論上說，只要對其中的一千萬噸進(jìn)行固定、利用，可產(chǎn)出約五千萬噸微藻，不僅能大大緩解氮氧化物排放問題，還可滿足水產(chǎn)行業(yè)對飼料添加劑的需求，因而具有切實的應(yīng)用前景。
