碳中和背景下微藻的應(yīng)用價(jià)值

曾予昳，廖 芬

(貴州省生態(tài)環(huán)境廳六盤(pán)水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，貴州 六盤(pán)水 553000)

1 引言

自工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)生活水平不斷提高，同時(shí)碳排放量也在逐漸增加，人們賴以生存和發(fā)展的環(huán)境正在發(fā)生變化并面臨巨大的威脅。隨著碳排放量增加，全球氣候變暖，溫室效應(yīng)發(fā)生，極端惡劣天氣頻繁出現(xiàn)，冰川加速融化，海平面逐漸上升，地球生態(tài)環(huán)境面臨危機(jī)。1992 年，第一個(gè)以全面控制CO2等溫室氣體排放、應(yīng)對(duì)氣候變暖問(wèn)題為主旨的國(guó)際公約——《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》在巴西里約熱內(nèi)盧舉行的聯(lián)合國(guó)環(huán)境大會(huì)上發(fā)布。1997年，為了防止氣候改變對(duì)人類(lèi)造成危害，《京都議定書(shū)》于12月在日本京都通過(guò)，2005年2月正式生效，成為人類(lèi)歷史上首次以法規(guī)的形式限制溫室氣體排放的條約。作為二氧化碳排放大國(guó)，中國(guó)是《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》的首批締約國(guó)，并于1998年5月簽署了《京都議定書(shū)》，于2002年8月核準(zhǔn)了該議定書(shū)，2009年我國(guó)首次提出具體溫室氣體減排目標(biāo)，2020年習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上首次提出“雙碳”目標(biāo)，即“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。

“碳中和”又稱為“CO2凈零排放”，是指在一定時(shí)期內(nèi)通過(guò)一系列措施對(duì)CO2進(jìn)行處理，以抵消人為直接或間接排放的CO2，實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放。實(shí)現(xiàn)“碳中和”任務(wù)艱巨，一方面應(yīng)當(dāng)大力提倡節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化升級(jí)，淘汰落后產(chǎn)能，以清潔能源(如氫能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等)替代傳統(tǒng)的富碳化石能源，減少碳排放；另一方面應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)科技創(chuàng)新，強(qiáng)化CO2捕獲、利用與封存(Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS)技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外已大力開(kāi)展CCUS技術(shù)研究，并建有不同規(guī)模的CCUS項(xiàng)目，CCUS項(xiàng)目對(duì)解決碳排放問(wèn)題有較好的前景[1]。微藻固碳技術(shù)也屬于CCUS技術(shù)之一，微藻不僅能夠固定大氣中的低濃度 CO2，還可以固定特殊來(lái)源(如燃煤發(fā)電廠)中的高濃度 CO2，以及廢水中的無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳，這些“碳”經(jīng)轉(zhuǎn)化后形成微藻生物質(zhì)，經(jīng)過(guò)提取和加工可制成生物柴油、乙醇、甲烷等生物燃料或其他高附加值產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文就“碳中和”背景下，微藻的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景進(jìn)行分析和探討。

2 CO2固定方法

目前，固定CO2的方法可以大致分為物理封存法、化學(xué)吸附法和生物固定轉(zhuǎn)化法[2, 3]，物理法主要是通過(guò)物理封存的方法將CO2注入深?；虻刭|(zhì)底層將其在地下封存起來(lái)，物理封存技術(shù)對(duì)地質(zhì)條件和空間環(huán)境有一定要求，并且能耗高、成本高，存在泄露風(fēng)險(xiǎn)，不宜作為長(zhǎng)期儲(chǔ)存的方法[4]。目前，CO2驅(qū)替煤層氣封存(CO2Enhanced Coalbed Methane Recovery，CO2-ECBM)、CO2咸水層封存與采水(CO2Enhanced Saline Water Recovery，CO2-ESWR)等技術(shù)仍處于先導(dǎo)試驗(yàn)階段，而CO2驅(qū)替天然氣封存(CO2Enhanced Natural Gas Recovery，CO2-ENGR)、CO2驅(qū)替頁(yè)巖氣封存(CO2Enhanced Shale Gas Recovery，CO2-ESGR)等技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段[5]；化學(xué)法主要是通過(guò)化學(xué)吸附材料直接或間接固定CO2，該方法簡(jiǎn)單有效，相對(duì)安全，但是如果固定大量CO2，則需要大量化學(xué)試劑，其成本高，且產(chǎn)物可能帶來(lái)二次污染；生物固碳主要是指某些生物通過(guò)光合作用吸收并轉(zhuǎn)化CO2，而微藻則是最具潛力的固碳生物，它是地球上已知的最古老的光合生物之一，可以直接利用光能和CO2進(jìn)行光合作用，或直接利用有機(jī)化合物作為碳源或能源代謝生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)周期短，對(duì)極端環(huán)境耐受性強(qiáng)，光合作用效率高，大多數(shù)微藻在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成了CO2濃縮機(jī)制(CO2concentrating mechanism，CCM)，當(dāng)環(huán)境中CO2濃度低時(shí)，藻細(xì)胞便啟動(dòng)CCM進(jìn)行CO2運(yùn)輸，微藻固定CO2的效率是其他常見(jiàn)陸生植物的10～50倍，生物質(zhì)產(chǎn)量是大豆的4.5倍[6, 7]。

3 微藻固碳的應(yīng)用

3.1 微藻固定煙氣中CO2

燃煤電廠排放的煙氣中含有大量CO2以及微量的其他污染物(如SO2、NOx、重金屬以及顆粒物等)，研究表明實(shí)現(xiàn)超低排放的燃煤電廠，其煙氣中雜質(zhì)濃度低于微藻細(xì)胞耐受闊值時(shí)，一些微藻可以以煙氣中的CO2作為無(wú)機(jī)碳源進(jìn)行光合作用從而固定燃煤電廠煙氣中的CO2實(shí)現(xiàn)碳減排[14]，有的藻細(xì)胞還可以利用 NOx和 SOx作為生長(zhǎng)所需的氮源及硫源，Sakai通過(guò)分離篩選從日本溫泉中分離得到一株對(duì)40% CO2和42 ℃高溫具有耐受性的綠藻[17]，黃云通過(guò)核輻射誘變和高濃度CO2馴化篩選，并對(duì)培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化，得到一株對(duì)15%高濃度CO2固定效率峰值達(dá)85.6%的小球藻突變株[18]。

3.2 微藻污水處理

利用廢水中的養(yǎng)分(尤其是氮和磷)作為營(yíng)養(yǎng)源培養(yǎng)微藻，不僅減少微藻的培養(yǎng)成本，同時(shí)還可利用微藻去除水中污染物，凈化水質(zhì)，削減污染[19，23]，因此利用微藻進(jìn)行污水處理受到廣泛關(guān)注。劉林林等用15種藻株對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水進(jìn)行凈化，結(jié)果顯示15個(gè)藻株對(duì)總磷的去除率基本上都超過(guò)90%，并且有兩株多棘柵藻對(duì)總氮和硝態(tài)氮的去除率都分別達(dá)到93.25%和100%[24]，Chen等用藻株ChlorellasorokinianaAK-1處理養(yǎng)豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水，COD、TN 和TP的去除率分別達(dá)到90.1%、97.0% 和 92.8%[25]，Li等從明尼蘇達(dá)州分離得到一株小球藻，將其用于處理活性污泥濃縮過(guò)程產(chǎn)生的高濃度城市廢水，結(jié)果表明，該藻株對(duì)廢水中NH4-N、TN、TP和COD的去除率分別為93.9%、89.1%、80.9%和90.8%[26]。微藻在處理廢水的過(guò)程中，還可以產(chǎn)生生物質(zhì)，藻株ChlorellasorokinianaAK-1在最佳條件下最高生物量濃度、生物量生產(chǎn)力、蛋白質(zhì)生產(chǎn)力和葉黃素生產(chǎn)力可分別達(dá)到8.08 g/L、0.52 g/L/d、0.28 g/L/d 和 3.10 mg/L/d[25]，從明尼蘇達(dá)州分離的小球藻在處理高濃度城市廢水的同時(shí)，每升藻液可生產(chǎn)0.12 g生物柴油，并且能夠成功擴(kuò)大生產(chǎn)[26]，Zhou等通過(guò)使用不同的培養(yǎng)基和光照條件對(duì)60株藻種進(jìn)行馴化，篩選得到5株對(duì)高濃縮城市廢水耐受性好且能生產(chǎn)脂質(zhì)的兼性異養(yǎng)型藻株，這5株藻的脂質(zhì)生產(chǎn)率為74.5～77.8 mg/L/d[27]，此外，Kang等使用雨生紅球藻成功去除了生活污水和養(yǎng)豬廢水中的氮和磷，同時(shí)合成了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.1%和5.9%的蝦青素[28]。由于垃圾滲濾液有機(jī)物含量高，有學(xué)者認(rèn)為有望使用微藻處理經(jīng)預(yù)處理過(guò)的垃圾滲濾液[29]。

3.3 微藻生物質(zhì)能源

與傳統(tǒng)化石燃料相比，生物燃料無(wú)毒無(wú)害、可生物降解，被認(rèn)為是一種綠色環(huán)保、可再生的清潔能源。微藻的油脂含量在1%～70%[30]，主要成分為甘油三酯和長(zhǎng)鏈脂肪酸，被認(rèn)為可為生物柴油、甲烷、氫氣、乙醇等可再生燃料提供原料[31]。以生物柴油為例，陽(yáng)國(guó)軍通過(guò)對(duì)微藻毛油制備的生物柴油的密度、閃點(diǎn)、含硫量等12項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明制備的微藻生物柴油符合國(guó)標(biāo)對(duì)調(diào)和用生物柴油BD100的要求[32，33]。當(dāng)前，已有大量研究對(duì)不同藻種的油脂含量和油脂產(chǎn)量進(jìn)行比較，不同的微藻種類(lèi)油脂含量和油脂產(chǎn)量各不相同，總體來(lái)看，小球藻、萊茵衣藻、微擬球藻平均油脂產(chǎn)量較高[31, 34]，Deng用經(jīng)厭氧消化預(yù)處理的豬糞培養(yǎng)小球藻UTEX 2714，最高油脂產(chǎn)量達(dá)183.7 mg/L/d[35]，Shin等通過(guò)CRISPR-cas9對(duì)萊茵衣藻CC-4349進(jìn)行基因組編輯，其油脂產(chǎn)量增加了64.25%[36]。

3.4 微藻的其他應(yīng)用

微藻就像是碳的單細(xì)胞生物工廠，不僅可以通過(guò)吸收固定碳降低CO2排放量，還可以生成許多有價(jià)值的副產(chǎn)物，例如蛋白質(zhì)、油脂、色素等，這些產(chǎn)物經(jīng)過(guò)深加工可制成食品、化妝品、藥品、醫(yī)用保健品、動(dòng)物和水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料、肥料、生物燃料等，具有很高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。研究結(jié)果表明，大多數(shù)藻類(lèi)的蛋白質(zhì)質(zhì)量等于甚至優(yōu)于其他傳統(tǒng)的高質(zhì)量植物蛋白質(zhì)[38]，Lucas等開(kāi)發(fā)了富含螺旋藻的零食，通過(guò)添加螺旋藻，零食中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、礦物質(zhì)分別增加了22.6%、28.1%和46.4% ，從而使食品具有了更高的營(yíng)養(yǎng)水平和感官接受度[39]。許巖分離純化得到的一株固碳率達(dá)33.71 g/m2/d的螺旋藻，類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)率達(dá)72.29 mg/m2/d，藻藍(lán)蛋白產(chǎn)率達(dá)2.79 g/m2/d[40]，藻藍(lán)蛋白具有極大的醫(yī)藥價(jià)值[41]。微藻還可應(yīng)用于目前備受關(guān)注的微生物燃料電池，在去除污染物的同時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與其他微生物燃料電池相比，將微藻作為陰極底物構(gòu)成的燃料電池在性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[42, 43]。

4 微藻固碳面臨的挑戰(zhàn)

微藻固碳有著廣泛的應(yīng)用前景，但與此同時(shí)，也面臨諸多挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)在對(duì)微藻固碳面臨的問(wèn)題展開(kāi)研究。要想將微藻固碳工業(yè)化，需要進(jìn)一步提升微藻的生長(zhǎng)速度和固碳效率。同時(shí)提升微藻的生長(zhǎng)速度和固碳效率是微藻固碳面臨的挑戰(zhàn)之一，影響微藻生長(zhǎng)速度、固碳效率和生物質(zhì)積累的因素主要包括藻種、碳濃度、營(yíng)養(yǎng)水平、光反應(yīng)器類(lèi)型、光照條件、溫度和pH值等[8, 9]。

微藻種類(lèi)眾多，包括藍(lán)藻、綠藻、紅藻、甲藻、隱藻、裸藻等[10]，有的可以直接固定空氣中氣態(tài)的CO2，有的則需要以吸收水中碳酸鹽的形式固定CO2，不同的藻種固碳效果不同，目前篩選理想藻株的方法主要有自然篩選和基因工程等技術(shù)手段，盧鴻翔通過(guò)核誘變獲得了生物質(zhì)量和油脂含量同時(shí)增加的節(jié)旋藻突變株[11]。不同的藻株對(duì)CO2的濃度要求也不同[3, 12]，并且在不同CO2水平下微藻的生物質(zhì)產(chǎn)量會(huì)有所差異，Tang等發(fā)現(xiàn)高水平的CO2有利于脂質(zhì)的積累[13]。pH值也會(huì)影響微藻的生長(zhǎng)速率，在微藻固定煙氣中CO2的過(guò)程中，由于煙氣中含有CO2、NOx和SOx等氣體，可能導(dǎo)致pH值降低，從而影響微藻生長(zhǎng)和固碳[19]， Lee等通過(guò)控制培養(yǎng)基中的pH值提高了小球藻對(duì)煙氣中NOx和SOx的耐受性[20]，Jiang等也用類(lèi)似的方法，通過(guò)添加碳酸鈣調(diào)節(jié)pH值，增強(qiáng)微藻的耐受性[21]，另外，煙氣中的重金屬離子也可能抑制微藻生長(zhǎng)。因此，優(yōu)化反應(yīng)條件、獲取高耐受的藻種，對(duì)提升微藻的固碳效率具有重要意義[22]。

在規(guī)模化培養(yǎng)中，光生物反應(yīng)器(PBR)對(duì)微藻的生長(zhǎng)和CO2固定效率尤為關(guān)鍵，目前的光生物反應(yīng)器主要有跑道池反應(yīng)器、立柱式反應(yīng)器、平板式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器[14]。不同的反應(yīng)器有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，跑道池反應(yīng)器成本低，易清潔維護(hù)，但由于其開(kāi)放式特征藻液易揮發(fā)損失，CO2傳質(zhì)率低，且占地面積大，管式反應(yīng)器類(lèi)型多樣，有橫管式、彎管式、螺旋管式等，占地面積小，光轉(zhuǎn)換效率高，但能耗和成本較高。除上述懸浮式微藻培養(yǎng)法外，固定式微藻培養(yǎng)法因其采收成本低、生物量密度高成為廣受關(guān)注的新型微藻培養(yǎng)方式[15]，段丹如通過(guò)使用高孔隙率和低密度的泡沫鎳作為固定微藻細(xì)胞的載體，獲得改良后的光生物反應(yīng)器，其最大CO2生物固定率和CO2去除效率分別達(dá)到4549.9 μmol/m3/h和47.39%[16]。

此外，利用微藻生產(chǎn)生物柴油時(shí)，降低生產(chǎn)成本是微藻應(yīng)用的另一大挑戰(zhàn)，Yu通過(guò)構(gòu)建微藻生物柴油生產(chǎn)的數(shù)字模型，發(fā)現(xiàn)微藻生物柴油的生產(chǎn)成本仍高于化石柴油的平均價(jià)格，并提出篩選油脂產(chǎn)量高的藻株是降低成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[33]，除藻種外，微藻的采收、油脂的提取和生物柴油的制備也是降低微藻柴油生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)，目前常見(jiàn)的微藻油脂提取技術(shù)有有機(jī)溶劑提取法、超臨界萃取法、微波輔助提取法、超聲輔助提取法、酸熱法、水酶法等[37]，但是這些方法或成本高、或提取率低，因此，改進(jìn)技術(shù)，提高微藻脂質(zhì)生產(chǎn)能力和油脂提取率，降低微藻柴油成本，是微藻生物柴油從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)的關(guān)鍵。

5 結(jié)論與展望

微藻是極具價(jià)值的固碳微生物，許多研究表明微藻不僅可以固碳，還可以用于處理廢水，生產(chǎn)生物柴油、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、藻蛋白等高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)品，具有極強(qiáng)的潛在價(jià)值，是“碳中和”背景下十分理想的固碳微生物。

充分發(fā)揮微藻的應(yīng)用價(jià)值，形成從固碳除廢到生產(chǎn)附加產(chǎn)品的多模式多組合的復(fù)合綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，形成以微藻為核心的兼環(huán)境治理和附加增值產(chǎn)業(yè)為一體的新型綠色產(chǎn)業(yè)模式具有重要現(xiàn)實(shí)意義，比如“微藻煙氣固碳—生物柴油生產(chǎn)”產(chǎn)業(yè)鏈、“微藻廢水處理—農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖”產(chǎn)業(yè)鏈等。

當(dāng)然，微藻在具備廣闊應(yīng)用前景的同時(shí)，也面臨眾多挑戰(zhàn)，雖然全球已有很多國(guó)家將微藻進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)[44]，但是由于技術(shù)水平和生產(chǎn)成本限制，產(chǎn)業(yè)化微藻固碳技術(shù)仍處于發(fā)展階段，為加快規(guī)?；⒃骞烫?，需要在技術(shù)上進(jìn)行更多創(chuàng)新和改進(jìn)：一方面，篩選具備生長(zhǎng)速度快、易于批量培養(yǎng)、環(huán)境耐受強(qiáng)、具有后期附加應(yīng)用價(jià)值等特性的高性能藻種，或通過(guò)基因工程獲得高固碳效率和高生物質(zhì)產(chǎn)量的固碳藻株；另一方面，通過(guò)更深入地了解微藻固碳機(jī)制，改善二氧化碳轉(zhuǎn)化功能。此外，提高后期產(chǎn)物的采收技術(shù)和提取技術(shù)，將培養(yǎng)工藝優(yōu)化，培養(yǎng)模式擴(kuò)大化，通過(guò)提高工藝水平最大化降低微藻固碳成本?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著科技水平的發(fā)展，微藻在未來(lái)有著巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。