基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的微藻生物技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

楊曉秋，吳寅嵩，閆金定，宋海剛，范建華，李元廣

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基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的微藻生物技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

楊曉秋1，吳寅嵩2，閆金定1，宋海剛1，范建華2，李元廣2

1科學(xué)技術(shù)部基礎(chǔ)研究管理中心，北京 100864 2 華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237

楊曉秋, 吳寅嵩, 閆金定, 等. 基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的微藻生物技術(shù)發(fā)展趨勢(shì). 生物工程學(xué)報(bào), 2015, 31(10): 1415–1436.Yang XQ, Wu YS, Yan JD, et al. Trends of microalgal biotechnology: a view from bibliometrics. Chin J Biotech, 2015, 31(10): 1415–1436.

微藻作為一類單細(xì)胞光合生物，具有光能利用率高、生長(zhǎng)速度快、生物活性成分和儲(chǔ)能物質(zhì)含量高等特點(diǎn)，在食品、飼料、生物能源、碳減排和廢水處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文系統(tǒng)查閱了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外微藻領(lǐng)域發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)和專利，藉此對(duì)微藻生物技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及存在問(wèn)題進(jìn)行了梳理和分析，并對(duì)我國(guó)微藻生物技術(shù)的科技布局、重要成果及發(fā)展瓶頸進(jìn)行了概述，最后對(duì)微藻生物技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)予以展望。

微藻，生物技術(shù)，微藻能源，微藻固碳，廢水處理，發(fā)展趨勢(shì)

微藻是一類介于微生物與高等植物細(xì)胞之間的單細(xì)胞生物，可以進(jìn)行光合作用，能有效利用太陽(yáng)能將水、CO2和無(wú)機(jī)鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)物[1]。微藻具有對(duì)光能的利用率高、生長(zhǎng)速度快、對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求低及儲(chǔ)能物質(zhì)(油脂、烴) 含量高等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為最具發(fā)展?jié)摿Φ牡谌锬茉丛蟍2-3]。此外，微藻的固碳效率是植物的10倍以上，可解決CO2的點(diǎn)源排放問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)外生物固碳之首選[4-5]；微藻生長(zhǎng)過(guò)程需要大量的N/P等營(yíng)養(yǎng)，是凈化富含N/P廢水的有效途徑[6-7]；除儲(chǔ)能物質(zhì)外，微藻還含有大量蛋白質(zhì)、多糖、色素、多不飽和脂肪酸等生物活性成分，其應(yīng)用面廣、價(jià)值高[8]。微藻生長(zhǎng)所需要的陽(yáng)光取之不竭，所需碳源正是人類亟待大量固定的CO2，所需營(yíng)養(yǎng)正是造成我國(guó)水體大面積富營(yíng)養(yǎng)化的N/P，而利用微藻為原料加工而成的能源、水產(chǎn)餌料及飼料添加劑、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑及新資源食品等大健康產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量極大。由此可見(jiàn)，微藻培養(yǎng)所用原料來(lái)源極其豐富且多為嚴(yán)重污染環(huán)境的“廢物”，量大面廣，而微藻產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量也極其巨大，二者之間正好可以匹配，因此微藻生物技術(shù)這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)可以被培育為一個(gè)應(yīng)用面很廣的“大產(chǎn)業(yè)”，其發(fā)展趨勢(shì)非常值得探究[9]。

自然界中微藻的種類數(shù)以萬(wàn)計(jì)，形態(tài)各異，細(xì)胞生長(zhǎng)迅速，并能夠適應(yīng)不同的光強(qiáng)、溫度、濕度和營(yíng)養(yǎng)生境，是人類尚未充分開(kāi)發(fā)利用的重要生物資源。但是，迄今為止，僅有少數(shù)幾種微藻(如螺旋藻、小球藻、鹽藻及雨生紅球藻等) 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[10-12]，而且整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍然較小[13]，全球微藻藻粉的年產(chǎn)量約為數(shù)萬(wàn)噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮微藻資源的開(kāi)發(fā)價(jià)值[14]。

微藻生物技術(shù)是以微藻生物學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物學(xué)和工程學(xué)原理，研究微藻藻種選育、細(xì)胞培養(yǎng)及其裝備、采收及水的循環(huán)利用與處理、藻細(xì)胞的深加工及其應(yīng)用等的生物技術(shù)。我國(guó)微藻生物學(xué)研究自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。本文首次對(duì)近9年來(lái)國(guó)內(nèi)外已發(fā)表的有關(guān)微藻方面的論文及專利進(jìn)行系統(tǒng)梳理與分析，藉此來(lái)探究微藻生物技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為該領(lǐng)域的科技工作者的研究方向把握及相關(guān)政府部門(mén)的決策提供參考。

1 論文數(shù)據(jù)來(lái)源及分析

本文以Web of Science 的SCI-Expanded 數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源進(jìn)行檢索，選擇主題詞為“microalgae”，時(shí)間跨度為2006年1月1日至2014年12月31日。

檢索時(shí)間：2015年4月10日。檢索微藻主題詞的相關(guān)研究文獻(xiàn)，共檢索到7 588篇文獻(xiàn)。主要從以下幾個(gè)方面予以分析。

1.1 年度分布分析

2006–2014年，微藻相關(guān)研究論文發(fā)表量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其是2011–2013年增長(zhǎng)顯著(表1，圖1)，年增長(zhǎng)率均超過(guò)25%。2014年微藻領(lǐng)域相關(guān)研究論文發(fā)表量較2013年增長(zhǎng)了11%，截止至本文檢索時(shí)間，數(shù)據(jù)庫(kù)中2014年研究論文數(shù)據(jù)仍在持續(xù)更新，論文數(shù)量增長(zhǎng)率仍有可能進(jìn)一步提高。

1.2 國(guó)家或地區(qū)分布分析

2006–2014年期間，共有超過(guò)100個(gè)國(guó)家或地區(qū)發(fā)表了有關(guān)微藻方面研究的論文，其中有24個(gè)國(guó)家或地區(qū)發(fā)文量超過(guò)100篇。美國(guó)發(fā)表了1 479篇論文，占總發(fā)文量的近20%，排名位居第一。緊隨其后的依次是中國(guó)、西班牙、法國(guó)、澳大利亞。從論文的平均被引頻次來(lái)看，發(fā)文量前十的國(guó)家中，德國(guó)最高，平均被引頻次為16.17次，其次為美國(guó)和澳大利亞，平均被引頻次超過(guò)15次。中國(guó)、韓國(guó)和日本的論文平均被引頻次相對(duì)較低，說(shuō)明我國(guó)微藻領(lǐng)域發(fā)表論文的質(zhì)量還有待提高。2011年以來(lái)我國(guó)在微藻領(lǐng)域的發(fā)文量增長(zhǎng)迅速，發(fā)文量?jī)H次于美國(guó)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家或地區(qū)(圖2)，這與近年來(lái)中美等國(guó)家在微藻生物技術(shù)領(lǐng)域的大量投入是密不可分的。

1.3 主要研究機(jī)構(gòu)分布

分析發(fā)表論文的主要研究機(jī)構(gòu)結(jié)果表明，發(fā)文量大于100篇的共有6個(gè)機(jī)構(gòu)，由高到低依次是法國(guó)科學(xué)研究中心、中國(guó)科學(xué)院、法國(guó)發(fā)展研究所、美國(guó)加州大學(xué)、西班牙國(guó)家科學(xué)研究理事會(huì)和美國(guó)能源部。其中，法國(guó)科學(xué)研究中心發(fā)表論文數(shù)量最多，為316篇；美國(guó)能源部論文平均被引頻次最高，為33.98。

表1 SCI-Expanded 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索到的每年以“microalgae”為主題詞的論文數(shù)量

圖1 SCI-Expanded數(shù)據(jù)庫(kù)檢索到的以“microalgae”為主題詞的論文數(shù)量及年增長(zhǎng)率變化

表2 2006–2014年微藻領(lǐng)域研究發(fā)文量位居前20位的國(guó)家或地區(qū)

圖2 2006?2014年主要國(guó)家或地區(qū)微藻領(lǐng)域論文發(fā)表情況

表3 2006?2014年微藻領(lǐng)域研究發(fā)文量位居前10位的機(jī)構(gòu)

表4 2006–2014年微藻領(lǐng)域研究發(fā)文量位居前10位的國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)

中國(guó)科學(xué)院發(fā)表論文301篇，僅次于法國(guó)科學(xué)研究中心，位居第二。中國(guó)科學(xué)院包括的研究單位較多，主要有青島生物能源與過(guò)程研究所、海洋研究所、大連化學(xué)物理研究所、武漢水生生物研究所、廣州能源研究所等多個(gè)機(jī)構(gòu)，但論文的平均被引頻次和H-指數(shù)在前6位機(jī)構(gòu)中均最低。

國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)中，在微藻領(lǐng)域發(fā)文量較多的有中國(guó)科學(xué)院(含中國(guó)科學(xué)院大學(xué))、中國(guó)海洋大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、暨南大學(xué)和香港大學(xué)等。其中，文章平均引用頻次最高的是香港大學(xué)。

1.4 主要研究方向

2006?2014年微藻領(lǐng)域相關(guān)論文的研究方向主要集中在生物技術(shù)和應(yīng)用微生物學(xué)(Biotechnology & Applied Microbiology)、水生生物學(xué)(Marine & Freshwater Biology)、能源與燃料(Energy & Fuels)環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)(Environmental Science & Ecology) 以及農(nóng)學(xué)(Agriculture) 等(表5)。

分析2006–2014年微藻生物技術(shù)領(lǐng)域各研究方向每年論文發(fā)表情況，發(fā)現(xiàn)生物技術(shù)和應(yīng)用微生物學(xué)、能源與燃料、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)以及農(nóng)學(xué)4個(gè)研究方向增長(zhǎng)十分明顯(圖3)。尤其是能源與燃料研究方向，2006年僅發(fā)表6篇論文，到2014年則增長(zhǎng)到452篇，這也說(shuō)明了近年來(lái)微藻能源的開(kāi)發(fā)已逐漸成為全球的研究熱點(diǎn)。

表5 2006?2014年微藻領(lǐng)域主要研究方向研究論文分布情況

圖3 2006?2014年微藻領(lǐng)域主要研究方向發(fā)表論文的時(shí)間分布

1.5 高頻文章分析

通過(guò)對(duì)2006?2014年微藻領(lǐng)域相關(guān)論文的研究發(fā)現(xiàn)，論文總引用次數(shù)超過(guò)200次的有15篇，其中Rodolfi等2009年在上發(fā)表的論文“Microalgae for oil: strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a low-cost photobioreactor”[31]的引用總次數(shù)及年平均引用次數(shù)均最高(表6)。在引用次數(shù)前20篇的研究論文中，有18篇論文與微藻能源相關(guān)，研究?jī)?nèi)容包括高產(chǎn)油藻種的篩選、微藻培養(yǎng)、油脂提取、全生命周期分析及油脂代謝調(diào)控等 (表6)。由此可見(jiàn)，微藻能源是近年來(lái)微藻生物技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

表6 2006?2014年微藻生物技術(shù)領(lǐng)域引用次數(shù)前20的研究論文

續(xù)表6

12Effect of iron on growth and lipid accumulation in Chlorella[42]Bioresource Technology200822928.62 13A high throughput Nile red method for quantitative measurement of neutral lipids in microalgae[43]Microbiological Methods200922031.43 14Biosorption of lead from aqueous solutions by green algae Spirogyra species: Kinetics and equilibrium studies[44]Journal of Hazardous Materials200821727.12 15The potential of sustainable algal biofuel production using wastewater resource[45]Bioresource Technology201121543.00 16Biomass and lipid productivities of Chlorella vulgaris under autotrophic, heterotrophic and mixotrophic growth conditions[46]Biotechnology Letters200919628.00 17Comparison of several methods for effective lipid extraction from microalgae[47]Bioresource Technology201019432.33 18Lipid accumulation and CO(2) utilization of Nannochloropsis oculata in response to CO(2) aeration[48]Bioresource Technology200918828.86 19Micro and macroalgal biomass: A renewable source for bioethanol[49]Bioresource Technology201118236.40 20The promise and challenges of microalgal-derived biofuels[50]Biofuels Bioproducts & Biorefining-biofpr200918125.86

2 專利數(shù)據(jù)來(lái)源及其分析

德溫特創(chuàng)新索引(Derwent innovations index，縮寫(xiě)為DII) 是世界上最全面的國(guó)際專利信息數(shù)據(jù)庫(kù)，收錄來(lái)自全球40 多個(gè)專利機(jī)構(gòu)(涵蓋100 多個(gè)國(guó)家) 的1 000 多萬(wàn)條基本發(fā)明專利。采用德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(kù)，以“microalgae”為主題詞進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間段為2006–2014年。

檢索時(shí)間2015年4月10日，共檢索到 1 729個(gè)專利族。其中，有2 989條專利公開(kāi)年為2006–2014年。

2.1 專利公開(kāi)年分布

從專利的公開(kāi)年份數(shù)據(jù)來(lái)看，近年來(lái)微藻領(lǐng)域相關(guān)專利數(shù)量增長(zhǎng)較快 (圖4)?？紤]到專利公開(kāi)有一定的滯后，2014年微藻相關(guān)專利數(shù)量仍會(huì)有大幅增加。

圖4 2006?2014年微藻生物技術(shù)相關(guān)專利公開(kāi)年分布

2.2 專利優(yōu)先權(quán)國(guó)家及地區(qū)分布

分析2006–2014年微藻領(lǐng)域相關(guān)專利的優(yōu)先權(quán)國(guó)家或地區(qū)分布 (圖5)，中國(guó)專利數(shù)量最多為1 093項(xiàng)，緊隨其后的是韓國(guó)(468項(xiàng))、美國(guó) (445項(xiàng))。僅中美韓三國(guó)的專利就占總專利數(shù)的67%，說(shuō)明微藻生物技術(shù)的開(kāi)發(fā)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)在這3個(gè)國(guó)家較為重視。

2009年以來(lái)，我國(guó)微藻領(lǐng)域相關(guān)專利增長(zhǎng)迅速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家 (圖6)，表明近年來(lái)微藻相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)開(kāi)發(fā)在我國(guó)企業(yè)界和學(xué)術(shù)界受到重視，預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)有很廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。

2.3 專利分類代碼分布

2006–2014年微藻領(lǐng)域相關(guān)專利的德溫特手工代碼主要集中在B04-F08A (藻類)、D05-A03 (發(fā)酵裝置)、D05-H08 (細(xì)胞及組織培養(yǎng)) 和D05-H02 (培養(yǎng)裝置) (表7)，這些專利主要涵蓋藻種、培養(yǎng)工藝及生物反應(yīng)器相關(guān)技術(shù)，說(shuō)明開(kāi)發(fā)高效的培養(yǎng)工藝和生物反應(yīng)器裝置所涉及的相關(guān)技術(shù)均是目前微藻領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖5 2006?2014年微藻生物技術(shù)相關(guān)專利優(yōu)先權(quán)國(guó)家及地區(qū)分布

圖6 2006?2014年主要國(guó)家微藻相關(guān)專利公開(kāi)年分布

表7 2006?2014年微藻相關(guān)專利德溫特手工代碼分布

3 主要技術(shù)的文獻(xiàn)及專利分析

3.1 研究的主要微藻種類分布

對(duì)近年來(lái)藻類生物技術(shù)研究領(lǐng)域涉及的主要微藻種類進(jìn)行檢索，在檢索的7種微藻種類中，與小球藻相關(guān)的論文數(shù)量最多，達(dá)1 805篇，遠(yuǎn)高于其他藻類 (表8)。同時(shí)，與相關(guān)研究論文數(shù)量呈逐年增加 (圖7)，研究方向主要集中在生物技術(shù)和應(yīng)用微生物學(xué) (Biotechnology & Applied Microbiology)、能源與燃料 (Energy & Fuels)、農(nóng)業(yè) (Agriculture)、工程學(xué) (Engineering) 以及環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué) (Environmental Science & Ecology) 等幾個(gè)方向。2006?2014年衣藻、微擬球藻、三角褐指藻和雨生紅球藻相關(guān)研究論文數(shù)量均呈逐年上升趨勢(shì)，但螺旋藻和杜氏藻相關(guān)研究論文的發(fā)表數(shù)量在2014年有所下降。由此可見(jiàn)，是目前微藻生物技術(shù)研究中最為廣泛的微藻種類。

表8 2006?2014年微藻生物技術(shù)領(lǐng)域主要微藻種類發(fā)表論文情況

圖7 2006?2014年小球藻相關(guān)研究論文發(fā)表的時(shí)間分布

在2006–2014年微藻生物技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利中，對(duì)7種主要微藻種類進(jìn)行檢索 (表9) ，結(jié)果顯示小球藻相關(guān)專利數(shù)量最多，其次是螺旋藻和杜氏藻，這3種藻均是目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的主要藻種。有174個(gè)專利族，包括358項(xiàng)公開(kāi)專利與小球藻相關(guān)，遠(yuǎn)高于其他藻種，說(shuō)明小球藻是目前微藻生物技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化中涉及最多的藻種，這與研究論文分析的結(jié)果相一致。

3.2 微藻研究涉及主要技術(shù)方向的分布

對(duì)SCI-Expanded 數(shù)據(jù)庫(kù)中近年來(lái)藻類領(lǐng)域涉及的主要技術(shù)進(jìn)行了檢索，包括藻種選育、培養(yǎng)技術(shù)、光生物反應(yīng)器、采收技術(shù)、加工技術(shù)及分子生物學(xué)技術(shù)等6個(gè)方面。其中微藻培養(yǎng)技術(shù)相關(guān)研究論文數(shù)量最多，達(dá)3 063篇，其次是藻種 (藻株) 選育和微藻加工技術(shù) (包括能源、食品、飼料加工技術(shù)等)，分別為2 552篇和1 159篇。論文數(shù)量較少的依次是微藻采收技術(shù)、微藻分子生物學(xué)技術(shù)及光生物反應(yīng)器3個(gè)研究方向(表10)，論文數(shù)量分別為521篇、616篇和781篇。不同技術(shù)研究情況仍存在一些差距，這與各技術(shù)所在領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和研究難度密切相關(guān)。

比較6個(gè)主要技術(shù)方向研究論文逐年的發(fā)表情況，增長(zhǎng)最快的為微藻采收技術(shù)，由2006年的5篇，增長(zhǎng)到2014年的159篇。此外，增長(zhǎng)較快的還有光生物反應(yīng)器及微藻加工技術(shù)相關(guān)研究論文，這些技術(shù)早期研究較少，研究基礎(chǔ)較差，隨著近年來(lái)微藻能源和微藻固碳等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展才逐漸引起人們的重視，進(jìn)而成為全球的研究熱點(diǎn) (圖8)。

表9 2006?2014年微藻生物技術(shù)相關(guān)專利涉及主要藻種分布

表10 2006?2014年微藻領(lǐng)域研究論文主要研究方向分布情況

圖8 2006?2014年每年主要微藻技術(shù)方向研究論文發(fā)表情況

中美目前是微藻生物技術(shù)研究最主要的兩個(gè)國(guó)家，比較兩國(guó)在6個(gè)主要技術(shù)研究方向的論文發(fā)表情況，我國(guó)在微藻采收及加工技術(shù)上的研究與美國(guó)差距較大，發(fā)文量不及美國(guó)的50%。但是我國(guó)在微藻培養(yǎng)方面的研究發(fā)文量已與美國(guó)接近，這與我國(guó)微藻養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展較早、產(chǎn)品已廣泛用于食品及水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)、微藻產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大、微藻培養(yǎng)技術(shù)研究較早等因素有關(guān)。

對(duì)德溫特創(chuàng)新索引中6個(gè)主要技術(shù)方向相關(guān)的專利進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)與微藻培養(yǎng)技術(shù)相關(guān)的專利最多，共檢索到985個(gè)專利族，遠(yuǎn)高于其他技術(shù)。其次是光生物反應(yīng)器，有336個(gè)專利族 (圖9)。微藻高效培養(yǎng)工藝及光生物反應(yīng)器是微藻培養(yǎng)的核心技術(shù)，是微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

3.3 微藻能源、固碳及廢水處理研究的分布

近年來(lái)由于全球能源及環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，微藻能源、微藻固碳及廢水處理成為了微藻生物技術(shù)領(lǐng)域主要的研究熱點(diǎn)[15-16]。對(duì)SCI-Expanded 數(shù)據(jù)庫(kù)中近年來(lái)微藻能源、微藻固碳及污水處理相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索 (表11)，其發(fā)表量逐年遞增，其中，微藻能源發(fā)展最快 (圖10)。

從發(fā)文量看，中美在微藻能源、固碳及污水處理3個(gè)研究方向較其他國(guó)家和地區(qū)均處于領(lǐng)先地位。但無(wú)論是發(fā)文量還是論文的影響力我國(guó)與美國(guó)仍存在一定的差距 (表12)，其中最突出的是微藻固碳研究方向，發(fā)文量?jī)H為美國(guó)的59.82%，論文平均引用頻率僅為美國(guó)的39.71%。

目前，中國(guó)科學(xué)院在微藻能源、固碳及污水處理3個(gè)方向研究論文的發(fā)表量均高于國(guó)內(nèi)外其他研究機(jī)構(gòu)，但文章的平均引用頻次及H-指數(shù)與國(guó)際上其他研究機(jī)構(gòu)還有差距 (表13)。微藻能源方面，發(fā)文量前五位的機(jī)構(gòu)中，美國(guó)能源部發(fā)表的研究論文平均引用頻次最高，得益于美國(guó)能源部在微藻能源研究方面的重視和支持，以及美國(guó)國(guó)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)的參與。微藻固碳方面，西班牙國(guó)家科學(xué)研究理事會(huì)所發(fā)表研究論文的平均引用頻次最高，達(dá)37.27；其次是美國(guó)加州大學(xué)，平均引用頻次為36.76。微藻污水處理方面，美國(guó)明尼蘇達(dá)州大學(xué)所發(fā)表論文的質(zhì)量較高，平均引用頻次25.48。

對(duì)德溫特創(chuàng)新索引中微藻能源、微藻固碳及污水處理相關(guān)的專利進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)3個(gè)領(lǐng)域的專利公開(kāi)數(shù)均有較大增長(zhǎng) (圖11)。中美兩國(guó)是主要的專利授權(quán)國(guó)，在微藻固碳及微藻污水處理領(lǐng)域，我國(guó)已成為最大的專利國(guó)，均占相關(guān)技術(shù)研究領(lǐng)域?qū)＠倲?shù)的37%左右 (圖12)。

圖9 2006?2014年主要微藻技術(shù)方向的專利分布

表11 微藻能源、微藻固碳及微藻污水處理相關(guān)的文獻(xiàn)檢索關(guān)鍵詞

圖10 2006?2014年微藻能源、微藻固碳及廢水處理研究相關(guān)論文發(fā)表的時(shí)間分布

4 微藻生物技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

通過(guò)對(duì)2006?2014年微藻生物技術(shù)研究論文和專利數(shù)量的統(tǒng)計(jì)和分析，可以看出，當(dāng)前微藻生物技術(shù)已步入快速發(fā)展階段，除了把微藻開(kāi)發(fā)成傳統(tǒng)意義上的新食品原料、功能食品外，隨著新能源、碳減排和環(huán)保等方面的迫切需要，微藻在生物能源、生物固碳、富含N/P廢水、動(dòng)物飼料及食品等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[17]。尤其是在生物能源與固碳減排方面，微藻具有無(wú)可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[18-19]。與其他能源特別是生物質(zhì)能源相比，微藻能源的生物質(zhì)來(lái)源不具有既得性 (其他能源的原料可由其他領(lǐng)域提供，如纖維素乙醇的原料由農(nóng)業(yè)部門(mén)提供[20])，微藻能源加工所用的原料——能源微藻細(xì)胞必須自行利用陽(yáng)光、碳源及N/P等培養(yǎng)而獲得；此外，能源微藻是從懸浮于低密度大體積的水相狀態(tài)中采收而獲得且水含量很高[21]，這與能源作物及其他能源原料完全不同。再者，利用高效的光合作用所獲得的微藻，其細(xì)胞的化學(xué)組分非常復(fù)雜 (大規(guī)模光自養(yǎng)培養(yǎng)的微藻細(xì)胞中油脂或烴類含量一般不超過(guò)40%，其余為蛋白質(zhì)、多糖及色素等生物活性物質(zhì))，這既為人類提供了多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和儲(chǔ)能物質(zhì)，也對(duì)從微藻細(xì)胞中同時(shí)分離提取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和儲(chǔ)能物質(zhì)的技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，因此微藻能源的生產(chǎn)過(guò)程，必然伴隨著大量基于營(yíng)養(yǎng)及生物活性的生物制品的生產(chǎn)，這兩類產(chǎn)品的耦合是國(guó)內(nèi)外微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的“必經(jīng)之路”[22-23]。

表12 2006?2014年中美微藻能源、微藻固碳及廢水處理相關(guān)研究論文發(fā)表情況比較

表13 2006?2014年微藻能源、微藻固碳及污水處理發(fā)文量位居前五位的機(jī)構(gòu)

圖11 2006?2014年微藻能源、微藻固碳及廢水處理技術(shù)相關(guān)專利公開(kāi)的時(shí)間分布

當(dāng)前國(guó)際微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢(shì)頭迅猛，以微藻能源 (固碳) 為例，多數(shù)微藻能源公司和研究機(jī)構(gòu)紛紛轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)耦合“微藻能源、碳減排、廢水資源化利用、高附加值產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”的一體化技術(shù)，在追求“高產(chǎn)”的同時(shí)均采用了“多聯(lián)產(chǎn)”策略以緩解“成本”壓力，并大力推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化，開(kāi)展工程示范。

圖12 2006?2014年微藻能源、微藻固碳及污水處理相關(guān)專利優(yōu)先權(quán)國(guó)家及地區(qū)分布

隨著碳減排的迫切需要，微藻固碳技術(shù)將得到各界的紛紛關(guān)注。例如美國(guó)政府將發(fā)布由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署擬定的“清潔能源計(jì)劃”[24]，闡明了針對(duì)美國(guó)發(fā)電廠的環(huán)保條例及法規(guī)，限制美國(guó)發(fā)電廠的碳排放量，并要求到2030年美國(guó)所有發(fā)電廠的碳排放量減少30%，相當(dāng)于該國(guó)每年超過(guò)一半家庭的碳排放量，這一法規(guī)的出臺(tái)，無(wú)疑將推動(dòng)微藻固碳技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。此外，2015年7月，美國(guó)能源部又資助了6項(xiàng)關(guān)于微藻能源方面的項(xiàng)目，總資助金額高達(dá) 1 800萬(wàn)美元，項(xiàng)目將圍繞微藻高附加值產(chǎn)品、微藻固碳以及敵害生物防治等方面展開(kāi)重點(diǎn)研究，預(yù)期在2019年把微藻生物燃料的成本降低到5美元/加侖[25]。

隨著實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的迫切需要，相信制約微藻能源 (固碳) 產(chǎn)業(yè)化的高成本這一瓶頸問(wèn)題必將逐步得以解決。短期內(nèi)的成本問(wèn)題可以通過(guò)以下幾個(gè)方面的集成來(lái)平衡：1) 持續(xù)的技術(shù)研發(fā)提高效率；2) CO2廢氣、富含N/P廢水等廢物資源化以節(jié)省原輔材料消耗成本；3) 非油脂組分的低成本綜合利用 (需建立嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，研究開(kāi)發(fā)相應(yīng)的后處理技術(shù)，避免廢物資源化利用后對(duì)藻體綜合利用所引起的負(fù)面效應(yīng))。按照上述思路，在適合于能源微藻終年培養(yǎng)且具有CO2資源及廉價(jià)的N/P資源的我國(guó)部分地區(qū) (如我國(guó)云南等地)，微藻能源及微藻固碳有望在2020年前后實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

前文對(duì)文獻(xiàn)與微藻生物技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，下面兩部分將對(duì)我國(guó)的情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹與展望。

5 我國(guó)目前微藻生物技術(shù)的科技布局、重要成果及發(fā)展瓶頸

多年來(lái)，在預(yù)見(jiàn)到微藻能源在未來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力競(jìng)爭(zhēng)中的地位后，科技部和有關(guān)部門(mén)先后啟動(dòng)了一系列相關(guān)研究計(jì)劃，為該研究領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破奠定了很好的基礎(chǔ)。如科技部的“十五”863計(jì)劃項(xiàng)目“富含EPA、DHA等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的海洋微藻開(kāi)發(fā)技術(shù)” (819-02-01)、重大基礎(chǔ)研究前期研究專項(xiàng)“微綠球藻spEPA生成途徑與酶系表達(dá)生態(tài)調(diào)控研究”(2005–2007)，“十一五”863計(jì)劃項(xiàng)目 (2007AA09Z400)“海洋微藻合成PUFA關(guān)鍵酶基因研究技術(shù)”、“產(chǎn)能海洋微藻的分離篩選和高效培養(yǎng)”(2008–2010)、重點(diǎn)項(xiàng)目“CO2-油藻-生物柴油關(guān)鍵技術(shù)研究”(2009年批準(zhǔn))、“十一五”科技支撐項(xiàng)目課題 (2006BAD09A12)“海洋微藻高效培養(yǎng)工程化技術(shù)集成與示范”(2006?2010) 等；中國(guó)科學(xué)院2008年啟動(dòng)的“太陽(yáng)能計(jì)劃”、中國(guó)-俄羅斯科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目“海洋產(chǎn)能微生物采集與篩選”(2008?2009) 等。

“十二五”期間，我國(guó)政府對(duì)微藻能源和微藻固碳及廢物資源化利用等方面給予了高度重視?？萍疾吭?73計(jì)劃、863計(jì)劃和科技支撐計(jì)劃中從不同角度對(duì)微藻能源和微藻固碳及廢物資源化利用予以大力支持，資助總額為1.600 7億元人民幣，具體見(jiàn)表14。此外，中國(guó)石化、國(guó)家海洋局、山西省、廣東省、上海市等也對(duì)微藻能源和微藻固碳等給予了大力支持。

我國(guó)在微藻生物技術(shù)領(lǐng)域如種質(zhì)資源和大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)等方面具有較好的研究工作基礎(chǔ)，且微藻產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，如螺旋藻產(chǎn)量居世界第一[16]。近年來(lái)，我國(guó)發(fā)展微藻生物技術(shù)的最大推動(dòng)力來(lái)自于保障國(guó)家能源和資源戰(zhàn)略安全的迫切需求，即在微藻能源 (固碳) 方面予以了大量關(guān)注。面向全世界掀起的微藻能源及微藻固碳開(kāi)發(fā)熱潮，為了提升相關(guān)技術(shù)的原始創(chuàng)新能力，我國(guó)許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量研究工作，在微藻優(yōu)良藻種的選育 (如中國(guó)科學(xué)院水生生物學(xué)研究所、中國(guó)海洋大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院海洋所、暨南大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)等)、代謝調(diào)控與基因工程 (如中國(guó)科學(xué)院青島能源所、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院水生生物學(xué)研究所、華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所、北京大學(xué)、華東理工大學(xué)等)、微藻規(guī)模培養(yǎng) (如華東理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所、新奧集團(tuán)、中國(guó)科學(xué)院廣州能源所、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院青島能源所、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、浙江大學(xué)等)、高效光生物反應(yīng)器研制 (如華東理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所、中國(guó)科學(xué)院青島能源所等)、藻體高效采收 (如中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所、中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所等)、油脂提取與生物柴油制備 (如北京化工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院廣州能源所、上海交通大學(xué)等)、藻體其他成分綜合利用 (如南京工業(yè)大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué) (北京) 等) 等方面，已取得許多可喜結(jié)果，例如我國(guó)在微藻培養(yǎng)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了“異養(yǎng)-稀釋-光誘導(dǎo)”串聯(lián)培養(yǎng)[26]、異養(yǎng)細(xì)胞作為種子的光自養(yǎng)培養(yǎng)[27]等新模式，在光生物反應(yīng)器研制方面獲得敏感性參數(shù)可用于指導(dǎo)光生物反應(yīng)器的優(yōu)化等[28-30]。把握時(shí)機(jī)，加大發(fā)展力度，我國(guó)在該領(lǐng)域?qū)⒂型芸熠s超國(guó)際先進(jìn)水平。

表14 “十二五”期間科技部對(duì)微藻能源和微藻固碳及廢物資源化利用等領(lǐng)域的科研投入

眾所周知，微藻大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的首要問(wèn)題是要解決微藻規(guī)模化培養(yǎng)問(wèn)題。結(jié)合國(guó)內(nèi)外微藻生物技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及我國(guó)國(guó)情，當(dāng)前微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化在技術(shù)層面主要在以下幾個(gè)方面需要集中攻克：1) 光生物反應(yīng)器及微藻培養(yǎng)工藝的優(yōu)化與放大；2) 微藻高效光合固碳和生長(zhǎng)代謝網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)與改造；3) 碳源選擇、CO2的高效吸收及其與微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程的耦合；4) 微藻養(yǎng)殖用水的循環(huán)利用及處理；5) 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程敵害生物的有效防治；6) 微藻生產(chǎn)系統(tǒng)的原料、過(guò)程、產(chǎn)物檢測(cè)方法與標(biāo)準(zhǔn)；7) 微藻采收，色素、蛋白、油脂等有效成分提取及產(chǎn)品加工與應(yīng)用；8) 集“微藻能源、微藻固碳、高附加值產(chǎn)品”一體化技術(shù)的集成、優(yōu)化與示范。

其中如何開(kāi)發(fā)高效低成本的大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)及系統(tǒng)、建立適合于我國(guó)國(guó)情的微藻產(chǎn)業(yè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系等，則是當(dāng)前促進(jìn)我國(guó)微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展中亟待解決的瓶頸問(wèn)題之一。

6 相關(guān)發(fā)展建議

在大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新，科技驅(qū)動(dòng)型發(fā)展的背景下，緩解能源短缺壓力、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)新型循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保護(hù)環(huán)境與改善生態(tài)、解決“三農(nóng)”問(wèn)題、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，都呼喚微藻生物技術(shù)這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)優(yōu)化集成方面的研究不足，導(dǎo)致了成本高、效率低，從而制約了我國(guó)微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

6.1 技術(shù)研發(fā)層面

藻種方面：繼續(xù)開(kāi)展新的藻種資源，特別是具工業(yè)應(yīng)用性狀、高附加值產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)性狀的特色藻種的發(fā)掘及篩選；加大現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行微藻藻種的改良與構(gòu)建，推動(dòng)可工業(yè)化應(yīng)用的新型燃料分子合成與固碳的基因工程藻株的構(gòu)建。

生物質(zhì)規(guī)模化獲得方面：建立低成本、高密度、低能耗、低水耗的微藻創(chuàng)新培養(yǎng)方法；發(fā)展低成本、易放大、少維護(hù)和高光效的微藻培養(yǎng)裝備技術(shù)；建立基于富含N/P廢水、CO2廢氣等資源化利用的微藻培養(yǎng)技術(shù)體系，建立連續(xù)或半連續(xù)的高效培養(yǎng)工藝；解決戶外大規(guī)模培養(yǎng)過(guò)程中的敵害生物防治問(wèn)題。

產(chǎn)業(yè)技術(shù)模式方面：突出微藻高值化產(chǎn)品耦聯(lián)及與碳減排耦聯(lián)的微藻能源生產(chǎn)技術(shù)模式的創(chuàng)立與示范；加強(qiáng)微藻生物煉制技術(shù)的研發(fā)，以大幅降低微藻生物能源的綜合成本，促進(jìn)微藻能源 (固碳) 產(chǎn)業(yè)的形成。

6.2 政策方面

“十二五”期間科技部在微藻能源與微藻固碳方面相繼布置了包括973、支撐計(jì)劃及多個(gè)863項(xiàng)目，但項(xiàng)目支持較分散且部分關(guān)鍵技術(shù)的研究?jī)?nèi)容重疊，不利于真正實(shí)現(xiàn)重大創(chuàng)新、關(guān)鍵突破與系統(tǒng)集成，建議在“十三五”期間能夠集中優(yōu)勢(shì)單位、通過(guò)鏈條式分解，以微藻生物技術(shù)專項(xiàng)形式予以重點(diǎn)支持。其立題的指導(dǎo)思想應(yīng)該調(diào)整為“市場(chǎng)、質(zhì)量、成本”，圍繞此開(kāi)展技術(shù)集成、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及相關(guān)重大基礎(chǔ)研究。

由于目前微藻能源和微藻固碳的商業(yè)化應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性尚無(wú)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此應(yīng)加強(qiáng)支持以關(guān)鍵單元技術(shù)突破與單元技術(shù)中試放大為核心的研究，加快推進(jìn)微藻能源與微藻固碳研究平臺(tái)的構(gòu)建、系統(tǒng)集成優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)化示范。

鼓勵(lì)與支持微藻能源與微藻固碳及廢物資源化利用產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)有微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合；著重微藻高值化產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)、中試與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為微藻能源與微藻固碳及富含氮/磷資源有效利用的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的形成奠定技術(shù)和工程方面的基礎(chǔ)。

加強(qiáng)“官產(chǎn)學(xué)研用”緊密結(jié)合，大力推動(dòng)具備產(chǎn)業(yè)化條件的地方政府、企業(yè)及國(guó)際合作，同時(shí)要大力支持微藻生物技術(shù)方面的人才培養(yǎng)，特別是工程方面人才亟待培養(yǎng)；盡快成立中國(guó)微藻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與國(guó)家級(jí)微藻生物技術(shù)工程研究中心及微藻生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，聚集我國(guó)微藻生物技術(shù)領(lǐng)域的核心力量，突破體制及機(jī)制約束，實(shí)現(xiàn)真正的優(yōu)勢(shì)力量整合，形成合力，結(jié)合我國(guó)的資源特點(diǎn)盡快形成微藻能源與微藻固碳及富含氮/磷資源有效利用這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

目前，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家處在相近的起跑線上，面對(duì)微藻生物技術(shù)大發(fā)展的極好機(jī)遇，我國(guó)應(yīng)全局性、戰(zhàn)略性地選擇重大科技方向，聚焦既可固碳產(chǎn)油、又能高產(chǎn)蛋白色素等高附加值的全能藻種，發(fā)揮我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)和資源優(yōu)勢(shì)，在微藻生物技術(shù)這一領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得領(lǐng)先地位，這既是微藻生物技術(shù)本身發(fā)展的迫切需要，也是我國(guó)微藻能源 (固碳) 及富含氮/磷資源有效利用這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育和發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要，同時(shí)也是對(duì)我國(guó)大健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一種有力支撐。

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(本文責(zé)編 陳宏宇)

Trends of microalgal biotechnology: a view from bibliometrics

Xiaoqiu Yang1, Yinsong Wu2, Jinding Yan1, Haigang Song1, Jianhua Fan2, and Yuanguang Li2

1 Basic Research Management Center, Ministry of Science and Technology, Beijing 100864, China 2 State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

Microalgae is a single-cell organism with the characteristics of high light energy utilization rate, fast growth rate, high-value bioactive components and high energy material content. Therefore, microalgae has broad application prospects in food, feed, bioenergy, carbon sequestration, wastewater treatment and other fields. In this article, the microalgae biotechnology development in recent years were fully consulted, through analysis from the literature and patent. The progress of microalgal biotechnology at home and abroad is compared and discussed. Furthermore, the project layout, important achievements and development bottlenecks of microalgae biotechnology in our country were also summarized. At last, future development directions of microalgae biotechnology were discussed.

microalgae, biotechnology, microalgae energy, microalgae carbon biofixation, wastewater treatment, development tendency

10.13345/j.cjb.150311

July 6, 2015; Accepted: September 6, 2015

Yuanguang Li. Tel/Fax: +86-21-64250964; E-mail: ygli@ecust.edu.cn