海洋微藻固碳及其培養(yǎng)技術(shù)的研究進(jìn)展

李 林, 王 帥, 鄭 立

(1.青島科技大學(xué), 化學(xué)與分子工程學(xué)院, 山東青島 266042; 2.國家海洋局第一海洋研究所, 海洋生態(tài)研究中心, 山東青島 266061)

海洋微藻生物固定CO2是一種可持續(xù)性的處理溫室氣體的方法, 海洋微藻不僅能吸收 CO2, 還能通過固碳產(chǎn)出高附加值產(chǎn)品, 比如蛋白、多糖、生物質(zhì)能[1]等。與傳統(tǒng)的物理和化學(xué)法固定 CO2技術(shù)相比, 海洋微藻固碳具有光合速率高、生長速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng), 且不需要CO2的分離而直接利用等特點(diǎn)[2]。海洋微藻可以直接利用光合作用經(jīng)過 CCM 機(jī)制捕捉和固定CO2, 形成自身生物質(zhì)能[3]。目前普遍認(rèn)為海洋微藻生物制品的生產(chǎn)應(yīng)該與微藻固碳結(jié)合進(jìn)行綜合發(fā)展, 特別是利用電廠排放的 CO2作為微藻碳源, 以降低培養(yǎng)成本, 在獲得高附加值產(chǎn)品的同時, 獲得環(huán)境效益。

本文就海洋微藻的固碳及其培養(yǎng)研究技術(shù), 從海洋微藻中耐高 CO2的種類及能力、影響海洋微藻固碳的環(huán)境因素、海洋微藻固碳培養(yǎng)方式進(jìn)行綜述性的總結(jié), 為高固碳藻種的篩選、培養(yǎng)和設(shè)計(jì)廉價(jià)的光生物反應(yīng)器提供技術(shù)參考。

1 海洋微藻耐高CO2的種類和能力

海洋微藻物種豐富, 世界各地報(bào)道的種類超過4000種。海洋微藻有著高CO2的適應(yīng)能力。但不同的海洋微藻對 CO2濃度耐受性不盡相同, 表1為部分海洋微藻的CO2耐受濃度。

雖然微藻在培養(yǎng)過程中可以通過通入空氣或氣液接觸吸收并固定CO2, 但由于空氣中的CO2濃度只有 0.03%, 因此培養(yǎng)液中易發(fā)生碳源不足而導(dǎo)致微藻生長緩慢, 產(chǎn)率低的問題。增加空氣中的CO2濃度有利于進(jìn)一步發(fā)揮微藻的生長和固碳效率, 因此富碳?xì)庠慈珉姀S煙道氣中更高濃度的 CO2, 是比較合適的碳源, 且從減排的角度, 相對集中的高CO2廢氣更適合于工業(yè)固碳過程。但是, 煙道氣中一般含有的CO2濃度過高, 可達(dá)10%以上。而過高CO2濃度對細(xì)胞有麻痹作用, 其最直接的表現(xiàn)為抑制藻細(xì)胞生長和光合作用水平, 并出現(xiàn)生長的滯后[4-5]。能在較高濃度的 CO2條件下生長的海洋微藻多屬于綠藻門。比如海水小球藻(Chlorellasp.), 其最大 CO2耐受濃度是40%[6]。其次還有空球藻(Eudorinasp.)[7], 杜氏鹽藻(Dunaliella tertiolecta)[8], 微擬球藻(Nannochlorissp.)[9], 桿狀裂絲藻(Stichococcus bacillaris)[10]等, 這些海洋綠藻的最高CO2耐受性為15%~40%。也有一些從極限條件下分離的海洋藻種的 CO2耐受性大于40%, 甚至能在 60%條件下生長, 比如甲柵藻(Scenedesmus armatus)[11]和海灘綠球藻(Chlorococcum littorale)[5]。 而其他門類海洋微藻中, Seckbach[12]等發(fā)現(xiàn)的類藍(lán)藻(Cyanidium caldarium)能在純濃度(100%)的CO2條件下生存。此外, Sachio[13]等還研究了多種海洋微藻在空氣到60%CO2濃度條件變化下的生長情況, 也發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)菌對 CO2耐受性超過 60%。硅藻中的海鏈藻(Thalassiosira weissflogiiH1)[14]和三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)[15]也能在20%CO2濃度條件下生長。

表1 不同海洋微藻的CO2耐受性

研究表明, 低濃度 CO2條件下主要是卡爾文循環(huán)控制著藻類對 CO2的吸收, 卡爾文循環(huán)中 1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶(RubisCO)和碳酸酐酶(CA)是影響海洋微藻固定 CO2的主要途徑, 它們參與各個生態(tài)系統(tǒng)的 CO2固定和初級產(chǎn)物的合成。其中的兩個基因RubisCO和CA是在低CO2濃度條件下影響微藻耐受性及固碳效率的基因。隨著CO2濃度的增加,細(xì)胞內(nèi)外的 CO2分壓也相應(yīng)升高, 同時可溶性蛋白減少[16],CA表達(dá)減少, 降低細(xì)胞對 CO2的親和力,同時減少送達(dá) 1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶的底物量,以維持細(xì)胞正常生理代謝[17]。

目前高濃度 CO2條件下成體系的碳循環(huán)機(jī)制尚不明確, 只是對一些藻種的耐高濃度 CO2基因有少許研究。在3%CO2濃度條件下H43蛋白(high-CO2-inducible 43 kDa protein)會明顯影響綠球藻(Chlorococcum littorale)的呼吸作用和光合作用, 隨著CO2濃度的增加,H43基因表達(dá)也明顯增加[18]。此外,FEA(Fe-assimilation)基因組也是綠球藻(Chlorococcum littorale)高濃度 CO2耐受性基因, CO2濃度增加,FEA1基因表達(dá)相應(yīng)增加[19]。雖然不少研究表明高CO2耐受性基因影響微藻的 CO2耐受性, 但是單個基因?qū)ξ⒃宓挠绊懞苄? 他們往往是相互協(xié)作, 并影響著微藻的CO2耐受性。

2 影響海洋微藻固碳的環(huán)境因素

2.1 光照強(qiáng)度對海洋微藻固碳的影響

微藻對光照強(qiáng)度有一個飽和度范圍, 高于光飽和度, 藻類的光合速率不再增加, 且超過一定光照強(qiáng)度, 微藻對 CO2的吸收反而受到抑制[20], 會降低微藻的固碳效率[21]。光照周期也決定著微藻的光合作用效率, 在一定的光照時間內(nèi), 生長率與光照時間成正比, 超過一定比率時, 微藻生長不再增加, 碳固定能力顯著降低。孫歲寒等[22]對微藻四列藻研究表明, 當(dāng)光周期小于4 h和大于20 h時都不利于海洋微藻固碳。然而也有部分學(xué)者認(rèn)為光周期對固碳效率的影響不大, 例如Jacob-Lopes等[23]研究了鹽性隱桿藻(Aphanothece microscopicNageli)的生物量和固定CO2能力在不同光周期條件(0: 24, 2: 22, 4: 20, 6:18, 8: 16, 10: 14, 12: 12, 14: 10, 16: 8, 18: 6, 20: 4, 22: 2 and 24: 0 (N: D))下的變化, 發(fā)現(xiàn)固碳作用基本不變。

有證據(jù)表明, 光照強(qiáng)度和光照周期確實(shí)影響微藻的CCM機(jī)制, 高光強(qiáng)會促進(jìn)1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶由葉綠體基質(zhì)向蛋白核中聚集, Rubisco酶在有光照的條件下主要分布在蛋白核中, 而無光照條件下則主要分布于葉綠體基質(zhì)中, 從而影響微藻對CO2的固定[24]。因此, 筆者認(rèn)為, 從微藻生長的角度來看, 是需要適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度和光暗周期, 以利于微藻體內(nèi)代謝的正常運(yùn)行[25]。

2.2 溫度對海洋微藻固碳的影響

溫度對微藻光合作用的影響是多方面的, 高溫不僅直接引發(fā)光合系統(tǒng)的損傷, 同時也影響光合電子傳遞和光合磷酸化等過程[26-27]。歐陽崢嶸等[20]的研究表明, 溫度過高會影響海洋微藻的放氧速率,造成微藻固碳率降低。徐寧等[28]通過對錐狀斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)的研究也表明, 溫度過高,微藻固碳能力變?nèi)?。PSⅡ是熱敏感的色素蛋白復(fù)合體之一[29-30], 其活性在高溫時受到抑制, 進(jìn)而影響光合作用和呼吸作用, 使得微藻的固碳作用發(fā)生變化, 這也是微藻對溫度有一定適應(yīng)范圍的原因。

2.3 pH值對海洋微藻固碳的影響

CO2是海洋浮游植物無機(jī)碳主要利用形式[31-32]。海洋浮游植物在長期的進(jìn)化中形成了主動運(yùn)輸 CO2能力, 或借助碳酸酐酶轉(zhuǎn)化為 CO2, 或直接吸收的生理機(jī)制[33]。培養(yǎng)環(huán)境中的pH大小決定了CO2,, H+轉(zhuǎn)化為游離 CO2或3的方向,此時 CO2才能夠進(jìn)入微藻細(xì)胞進(jìn)行固定[34-35]。研究表明, pH值過低和過高都會抑制海洋微藻的生長。例如: 海水小球藻(Chlorella strainKR-1)的最佳pH值生長范圍是4.2到9.0, 超過這個范圍, 其固定CO2能力降低, 同時生長也會受到抑制[36]。而 Zhao[35]等研究的海洋小球藻(Chlorellasp.)在低pH值條件下有良好的CO2耐受性, 以及較高的CO2固定能力。

3 海洋微藻的固碳培養(yǎng)方式

微藻的培養(yǎng)包括開放式培養(yǎng)與封閉式培養(yǎng), 兩種培養(yǎng)方式都具有其優(yōu)勢與劣勢(表2)。封閉式光生物反應(yīng)器因其具有環(huán)境可操控性, 不容易污染, 且具有高生物量生產(chǎn)力, 在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)廣泛使用,然而由于其造價(jià)都比較昂貴, 空間受限, 使得封閉式光生物反應(yīng)器在商業(yè)化生物碳減排上的應(yīng)用比較困難。近幾年, 美國國家航空航天局(NASA)的Jonathan Trent提出OMEGA計(jì)劃(Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae)[37], 該計(jì)劃將微藻放入 NASA特制的塑料管道中, 再充入沿海城市排放的廢水和電廠(工廠)排放的CO2, 然后把它們一起放到近岸海灣中養(yǎng)殖, 營建一個面積巨大的微藻海上養(yǎng)殖牧場, 微藻在封閉系統(tǒng)中利用廢水和 CO2生長,以實(shí)現(xiàn)城市污水的凈化和碳減排; 同時微藻還可用于食品、飼料、生物質(zhì)能的開發(fā)。此外, 整個系統(tǒng)的運(yùn)行所需的能源還可以結(jié)合其他海洋能獲得, 例如微藻養(yǎng)殖海域同時安放海流能、波浪能裝置, 利用海上風(fēng)能和太陽能驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行。盡管該計(jì)劃理論可行, 但實(shí)際應(yīng)用過程中還需要考慮養(yǎng)殖海灣的選址、藻種的環(huán)境適應(yīng)性以及封閉系統(tǒng)在海上的抗污等諸多技術(shù)細(xì)節(jié)問題。

表2 跑道池與光生物反應(yīng)器的優(yōu)劣勢[38]

相對于封閉式光生物反應(yīng)器, 開放式培養(yǎng)方式相對廉價(jià), 特別是培養(yǎng)海洋微藻時, 搭建開放式跑道池可不占用耕地資源, 在一些偏遠(yuǎn)或海邊鹽堿地等地區(qū)即可建造培養(yǎng)池[39], 而且開放式培養(yǎng)需要的能耗比較少, 污垢容易清洗, 因此更容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模培養(yǎng)[40]。 早在1950年代, 開放式跑道池就已經(jīng)應(yīng)用于微藻的培養(yǎng)[41]。隨后人們開始研究以海洋微藻生產(chǎn)生物燃料結(jié)合減排工程的新型可再生能源培養(yǎng)系統(tǒng)[42-43]。工廠煙氣的CO2濃度約為10%, 適合海洋微藻培養(yǎng)[44](表3)。例如: 通過3%過氧化氫處理的煙氣持續(xù)性通入跑道池, 鹽生微擬球藻(Nannochiloropsis salinaNANNP-2)和三角褐指藻(Phaeodactylum tricounutum)在含有 70×10–6~90×10–6SOX, NOX的煙氣(12% CO2)中生長與通入直接供應(yīng)的實(shí)際濃度 CO2氣體的生物量產(chǎn)率基本一樣, 可達(dá) 8~10 g/(m2·d)[42]。微小單針藻(Monoraphidium minutum)間接性通入無處理的13.6% CO2的煙氣, 其在開放式跑道池的生物量生長率也可達(dá)1 g/(m2·d)[45]。以色列的Ashkelon公司利用400 m2的開放式培養(yǎng)池培養(yǎng)微擬球藻(Nannochiloropsissp.)使用的是脫硫煙氣[46]。Pushparaj等[47]利用 100%濃度的 CO2通過調(diào)節(jié)跑道池內(nèi)的 pH值來培養(yǎng)的海水鈍頂螺旋藻(Arthrospira platensis), 其生物量產(chǎn)率為 14.47 g/(m2·d)±0.16 g/(m2·d)。由于微藻碳減排技術(shù)的提出, 越來越多的公司進(jìn)行了規(guī)?；暮Ｑ笪⒃屦B(yǎng)殖, 但是真正利用海洋微藻, 且結(jié)合電廠煙氣的商業(yè)化碳減排實(shí)例仍然很少。澳大利亞的 Hazelwood 電廠曾經(jīng)開展了利用微藻進(jìn)行煙道氣 CO2減排的嘗試, 收集的微藻用來制備生物質(zhì)油, 盡管年吸收的 CO2達(dá)到了全部排放的 4%,但由于成本高昂, 仍然實(shí)現(xiàn)不了商業(yè)化的碳減排[48]。

無論是開放跑道池還是光生物反應(yīng)器培養(yǎng), 微藻都是在水體中進(jìn)行懸浮培養(yǎng)。懸浮培養(yǎng)微藻易造成光衰減現(xiàn)象, 導(dǎo)致培養(yǎng)效率降低、能耗大等缺點(diǎn)。因此, 近年來, 學(xué)者們開始關(guān)注微藻的生物膜貼壁培養(yǎng)技術(shù)的研究。Liu[49-50]研究團(tuán)隊(duì)提出的微藻貼壁培養(yǎng)技術(shù), 將藻細(xì)胞直接接種于濾膜上形成生物膜,通過培養(yǎng)基浸濕的濾膜為微藻提供所需水分和營養(yǎng)鹽成分, 通入含 1%CO2的空氣作為碳源, 通過自動化刮膜技術(shù)進(jìn)行采收。研究發(fā)現(xiàn), 柵藻、葡萄藻、微擬球藻、筒柱藻和螺旋藻等均可實(shí)現(xiàn)良好的貼壁生長, 生長速度與光照強(qiáng)度和培養(yǎng)基組成有關(guān)。研究結(jié)果表明, 每生產(chǎn)1 kg藻比開放池節(jié)水45%, 節(jié)約脫水能耗 99.7%, 因此微藻的貼壁培養(yǎng)在節(jié)約水耗和采收能耗方面具有明顯優(yōu)勢。

表3 部分海洋微藻煙氣減排的開放式培養(yǎng)

4 展望

利用海洋微藻進(jìn)行固碳減排在理論上日趨成熟,許多公司都開始嘗試?yán)煤Ｑ笪⒃骞烫紲p排并生產(chǎn)生物質(zhì)能, 但是由于技術(shù)的限制, 包括獲得高固碳高油脂產(chǎn)率的優(yōu)良藻株, 微藻培養(yǎng)過程中如何避免污染和浮游動物的捕食, 適合的規(guī)模化培養(yǎng)系統(tǒng)等問題, 使得海洋微藻無論用于 CO2減排生產(chǎn)生物柴油,還是獲取高附加產(chǎn)品在商業(yè)化上還面臨巨大挑戰(zhàn)。

篩選出高生物量產(chǎn)率的物種及高固碳率的海洋微藻仍是海洋微藻固碳減排技術(shù)應(yīng)用的首要問題。目前, 還沒有任何快速篩選藻種的科技手段, 發(fā)展一種新型的物種快速篩選技術(shù)用于提高篩選效率顯得非常必要。通過基因工程的方法將藻種的固碳基因進(jìn)行改造也是獲得高固碳海洋微藻的有效途徑之一。

對于微藻固碳的規(guī)?；囵B(yǎng)方式, 無論是封閉式光生物反應(yīng)器, 還是開放式跑道池, 現(xiàn)階段仍無法達(dá)到商業(yè)化要求。由于開放式與封閉式光生物反應(yīng)器缺陷都很明顯, 因此生物膜貼壁培養(yǎng)是否可以發(fā)展成一種新型的培養(yǎng)模式已成為一個技術(shù)熱點(diǎn)。

目前, 海洋微藻固碳減排技術(shù)還是處于初級階段, 需要解決的問題仍然很多。隨著溫室效應(yīng)凸顯,能源短缺和生態(tài)環(huán)境的破壞, 發(fā)展海洋微藻固碳減排技術(shù)將為減排產(chǎn)能帶來一定的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價(jià)值,符合現(xiàn)今科技的可持續(xù)發(fā)展道路。

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