微藻的工業(yè)應(yīng)用及固碳強(qiáng)化措施

孫鑫艷，江雨生，馬東強(qiáng)，李 強(qiáng)

（中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083）

人類活動(dòng)及工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2排放導(dǎo)致了溫室效應(yīng)，產(chǎn)生了一系列的氣候問題。根據(jù)IEA報(bào)告，2022 年全球與能源相關(guān)的CO2排放量達(dá)368億噸，而我國的碳排放量約占全球的1/3，是碳排放量最大的國家。尤其是近年來極端天氣頻發(fā)，人類也逐漸意識(shí)到碳排放給人類生存帶來的危害，碳減排及降碳技術(shù)的開發(fā)迫在眉睫[1]。世界上很多國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰，并提出了碳中和計(jì)劃，我國制定了“雙碳”目標(biāo)，力爭2030年前CO2排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

碳捕集、利用與封存（CCUS）是一種重要的碳減排途徑，主要包括物理方法、化學(xué)方法、生物方法等[2]。物理方法是將CO2注入深海或地下暫時(shí)封存起來，對地質(zhì)環(huán)境有較高的要求，且存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)?；瘜W(xué)方法通過化學(xué)試劑對CO2進(jìn)行吸收固定，試劑消耗量大。生物方法，尤其是微藻光合作用固碳，將吸收的CO2轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能儲(chǔ)存在生物體內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)利用，且微藻是一種很有價(jià)值的可再生生物質(zhì)資源，有利于減少對化石能源的依賴。因此，微藻通過光合作用固碳是一種通過碳循環(huán)有效實(shí)現(xiàn)碳減排的方法[3]。

1 微藻的工業(yè)應(yīng)用

微藻的工業(yè)應(yīng)用包括微藻固碳耦合廢氣廢水處理，以及微藻生物質(zhì)作為一種可再生生物質(zhì)在生物燃料制備方面的應(yīng)用。

1.1 微藻光合作用固碳

微藻光合作用吸收CO2的同時(shí)，還需要其他營養(yǎng)物質(zhì)，如氮、磷、硫等。工業(yè)廢氣中含有大量CO2、氮氧化物和硫氧化物，可為微藻生長提供營養(yǎng)，因此，可以利用微藻處理工業(yè)廢氣，減少溫室氣體及污染氣體的排放。張大偉等[6]采用小球藻處理模擬煙道氣，發(fā)現(xiàn)其可以使煙道氣中的NO 含量從400 mL/m3降至150 mL/m3。同時(shí)，NO 在液相中的溶解度較低，限制了NO 的脫除。通過向培養(yǎng)液中添加絡(luò)合劑可以促進(jìn)NO 從氣相轉(zhuǎn)移到液相中，從而提高脫除率。Jin 等[7]利用綠藻光合作用從模型煙氣混合物中去除NO 時(shí)發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)液中添加Fe（Ⅱ）EDTA 絡(luò)合劑可以提高NO 在培養(yǎng)液中的溶解度，從而提高藻類對NO的脫除率。Santiago等[8]發(fā)現(xiàn)采用含有5mmol Fe（Ⅱ）EDTA的綠藻培養(yǎng)物處理含有300 μL/L NO的氣體混合物時(shí)，NO的去除率可達(dá)80%～85%。

微藻對廢水中的氮、磷和有機(jī)物均有脫除能力，還可以通過吸附作用脫除污水中的重金屬[9]。王亞潔等[10]采用微擬球藻對氮磷污水進(jìn)行凈化，發(fā)現(xiàn)其對污水中的氮、磷具有較強(qiáng)的去除能力，處理13天后污水中的氨氮、磷和化學(xué)需氧量（COD）分別達(dá)到96.0%、94.0%和72.9%。張玉榮等[11]發(fā)現(xiàn)微綠球藻、中肋骨條藻和塔瑪亞歷山大藻對質(zhì)量濃度為2～6 mg/L的石油烴的降解率均在99%以上，說明這3 種藻對石油烴都有較好的降解能力。劉星辰等[12]采用三角褐藻和小球藻對石油水溶性成分進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種藻均具有一定的降解能力，其中三角褐藻的降解能力更好，對質(zhì)量濃度3.49 mg/L的石油水溶性成分的降解率為78.9%。

利用微藻處理廢氣廢水，可以在固碳的同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢氣廢水的資源化利用，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，是一種極具應(yīng)用前景的廢氣廢水處理技術(shù)[4,13]。然而廢氣廢水中的碳、氮、磷濃度高于常規(guī)培養(yǎng)液的濃度，因此，為了不影響微藻的生長并達(dá)到較優(yōu)的處理效果，需要選育具有較高耐受性的藻種。

1.2 微藻生物質(zhì)資源

微藻通過光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)，再通過一系列的加工過程可以制備得到如生物柴油、生物航煤、生物氫、生物乙醇等多種生物燃料或高價(jià)值化學(xué)品。因此微藻被認(rèn)為是可以替代化石能源的可持續(xù)生物質(zhì)資源[5]。

1.2.1 微藻制生物柴油

生物柴油的分子量和燃燒特性與石化柴油相近，具有較好的生物可降解性，是一種環(huán)境友好的可再生清潔能源，可以作為石化柴油的替代品。第一代生物柴油的生產(chǎn)通常以大豆、油菜籽等糧食作物為原料，不利于糧食安全；以地溝油等廢棄油脂為原料制備的第二代生物柴油存在原料來源不穩(wěn)定、原料處理難度大的問題。作為制備生物柴油的第三代生物原料，微藻具有培養(yǎng)周期短，油脂含量高，不占用耕地的優(yōu)點(diǎn)。微藻的油脂含量可以達(dá)到20%～50%，有些甚至可以達(dá)到80%，這為微藻制生物柴油提供了很好的物質(zhì)基礎(chǔ)[14]。以微藻為原料制備生物柴油，首先進(jìn)行微藻油脂的提取，然后再采用酯交換或加氫法制備生物柴油[15]。微藻中油脂的提取通常采用甲醇、異丙醇等極性溶劑，石油醚等非極性溶劑，或極性溶劑與非極性溶劑的混合物來實(shí)現(xiàn)。研究人員采用石油醚與甲醇的混合物進(jìn)行微藻油脂提取，發(fā)現(xiàn)與單一石油醚溶劑相比，油脂提取率大幅提高[16]。超臨界流體由于其獨(dú)特的溶解性能也被應(yīng)用于微藻油脂提取過程。研究人員還開發(fā)了原位轉(zhuǎn)脂反應(yīng)工藝，采用甲醇同時(shí)作為提取溶劑和酯交換反應(yīng)原料，使油脂提取與酯交換過程一步完成，降低了微藻生物柴油制備過程的復(fù)雜程度[17]。

1.2.2 微藻制氫

4.提高市場融資能力。為了深圳企業(yè)更好地發(fā)展，政府應(yīng)該多方位為各類企業(yè)提供便捷通道，提高企業(yè)的融資能力。對于上市公司，公司本身應(yīng)該不斷優(yōu)化股權(quán)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)盈利，適當(dāng)拓寬融資渠道，比如采用配股、增發(fā)、發(fā)行可轉(zhuǎn)換債券等再融資的方式；對于未上市公司，政府應(yīng)該鼓勵(lì)并積極引導(dǎo)那些能達(dá)到上市條件的公司準(zhǔn)備上市工作，可以制定相關(guān)政策為其創(chuàng)造優(yōu)厚的條件，輔助其成功上市，提高企業(yè)融資能力；而對于未能滿足上市條件的中小企業(yè)，則應(yīng)鼓勵(lì)其積極拓寬融資渠道，采用非上市或海外上市的方式募集資金。

相比傳統(tǒng)的制氫方法，微藻制氫是一種可持續(xù)的綠氫生產(chǎn)技術(shù)，有助于減少對化石能源的依賴。微藻制氫途徑包括發(fā)酵制氫和光合作用制氫[18]。微藻發(fā)酵制氫是通過微藻生物質(zhì)分解產(chǎn)氫，光合作用制氫是利用光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能。在氫化酶的作用下，微藻利用光合作用直接光解水產(chǎn)生氫氣的同時(shí)，會(huì)生成大量氧氣，而氫化酶對氧氣很敏感，氧氣會(huì)抑制氫化酶的活性，降低氫氣產(chǎn)量。產(chǎn)氫效率低制約了微藻制氫技術(shù)的發(fā)展。為提高微藻產(chǎn)氫效率，實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)產(chǎn)氫，研究者采取了缺硫、缺氮、缺磷、缺鎂等措施，其中研究最多的是缺硫[19]。藻類首先在光合作用下吸收CO2儲(chǔ)存為自身所需的糖類等碳水化合物，然后在缺硫的條件下，光合系統(tǒng)Ⅱ（PSII）活性很快喪失，產(chǎn)氧速率降低；而未受到影響的線粒體通過呼吸作用將培養(yǎng)基中的氧氣逐漸消耗掉，微藻細(xì)胞處于無氧狀態(tài)，從而使氫化酶活性提高。為進(jìn)一步提升微藻產(chǎn)氫能力，推進(jìn)微藻產(chǎn)氫技術(shù)發(fā)展，需要對微藻產(chǎn)氫代謝過程、氫化酶的活性及抗氧性能的提高等方面進(jìn)行深入研究。

1.2.3 微藻制乙醇

燃料乙醇是一種優(yōu)質(zhì)的液體燃料[20]。微藻細(xì)胞中含有豐富的淀粉、纖維素等碳水化合物，是制備燃料乙醇的理想非糧食原料。微藻制乙醇過程，首先利用機(jī)械或酶解方法對微藻進(jìn)行破壁預(yù)處理，然后微藻生物質(zhì)通過微生物發(fā)酵得到乙醇。可以利用基因工程等手段篩選培育高產(chǎn)乙醇的優(yōu)良藻種，提高乙醇產(chǎn)量。

微藻固碳是一種有效的降碳措施，利用微藻固碳可以實(shí)現(xiàn)廢氣、廢水處理，同時(shí)微藻本身也是一種高價(jià)值的生物質(zhì)資源，具有優(yōu)良的能源價(jià)值。然而，微藻固碳及其生物質(zhì)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)仍面臨一些挑戰(zhàn)，微藻較低的光合效率制約了其規(guī)?；B(yǎng)殖，使微藻固碳作用及能源優(yōu)勢并不能得到充分發(fā)揮。

2 微藻的光合效率及其影響因素

微藻固碳及其能源優(yōu)勢的發(fā)揮是以微藻的高效規(guī)?；B(yǎng)殖為基礎(chǔ)的。以太陽光為光源進(jìn)行微藻養(yǎng)殖，微藻的理論光合效率為9%～10%[21]。然而微藻的實(shí)際光合效率卻遠(yuǎn)低于該理論值，較低的光合效率限制了其規(guī)?；B(yǎng)殖。微藻的實(shí)際光合效率低主要是由于微藻細(xì)胞的大型葉綠素天線對光子的吸收速率遠(yuǎn)超過光合作用利用光子的速率，從而導(dǎo)致被吸收的多余光子通過非光化學(xué)淬滅過程浪費(fèi)掉[22]。由于大型葉綠素天線對光子的快速吸收，導(dǎo)致反應(yīng)器下層微藻細(xì)胞接受光照的概率降低，使微藻生長受到影響。

另外，微藻的實(shí)際光合效率也受到養(yǎng)殖條件（如光、營養(yǎng)物質(zhì)、溫度等）的影響[23-25]。其中光對微藻生長的影響較為復(fù)雜，且光照指標(biāo)較難控制。

2.1 光源

光源類型主要分為太陽光和人工光。太陽光的不可控性使微藻很難處于最佳光強(qiáng)范圍內(nèi)，導(dǎo)致不能保持最佳條件進(jìn)行養(yǎng)殖。采用人工光可以實(shí)現(xiàn)全天候養(yǎng)殖，且人工光可以根據(jù)微藻的生長需要定制特定光譜，光強(qiáng)度可調(diào)，有利于微藻生長條件的最優(yōu)化[26]。然而采用人工光源進(jìn)行養(yǎng)殖又存在電耗成本高的問題[27]。

微藻通過葉綠素及光合輔助色素對光進(jìn)行吸收、捕集。不同藻類的捕光色素存在差異，因此進(jìn)行光合作用時(shí)可利用的光譜也不相同。對于大部分微藻，影響它們生長的最重要的光質(zhì)是紅光，而藍(lán)光由于能量較高，可以提高微藻生物質(zhì)濃度或促進(jìn)關(guān)鍵代謝產(chǎn)物的合成[28]。微藻在生長及關(guān)鍵代謝產(chǎn)物積累階段所需的最佳波長可能并不相同[24]。對于某一特定微藻的養(yǎng)殖，應(yīng)該系統(tǒng)地研究光波長對養(yǎng)殖的影響規(guī)律，從而在人工養(yǎng)殖時(shí)獲得最佳的生長效率。

2.2 光強(qiáng)度

根據(jù)光合作用速率與光強(qiáng)度的關(guān)系[21,25]，微藻生長需要適宜的光強(qiáng)度才能保持最快的光合作用速率，這一適宜的光強(qiáng)度也稱為光飽和強(qiáng)度。一方面，如果光強(qiáng)低于飽和水平，微藻生長就會(huì)受到限制，也稱光限制現(xiàn)象，此時(shí)微藻的光合作用速率處于較低水平；如果光強(qiáng)過低，使微藻光合作用速率低于呼吸作用速率，則會(huì)導(dǎo)致微藻的總生長速率為負(fù)值，微藻處于消耗自身生物量的狀態(tài)。另一方面，如果光強(qiáng)遠(yuǎn)高于光飽和強(qiáng)度，微藻細(xì)胞吸收過強(qiáng)的光會(huì)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)葉綠素，這種激發(fā)態(tài)葉綠素不僅不能用于光化學(xué)反應(yīng)，反而會(huì)形成有害活性氧，破壞色素、蛋白質(zhì)和脂類，導(dǎo)致關(guān)鍵蛋白質(zhì)的降解、生物量的降低，使微藻生長受到抑制，稱為光抑制現(xiàn)象。因此，應(yīng)該使光強(qiáng)處于光飽和強(qiáng)度范圍，以達(dá)到最優(yōu)的生長速率。

2.3 光分布

要實(shí)現(xiàn)微藻養(yǎng)殖產(chǎn)量的最大化，必須使反應(yīng)器內(nèi)的微藻細(xì)胞都處于光飽和強(qiáng)度范圍內(nèi)。然而在大規(guī)模養(yǎng)殖中要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是很困難的。因?yàn)楣鈱ξ⒃迳L的影響不僅存在上述光限制、光抑制問題，還存在另一個(gè)問題——光衰減[29]。

由于光在傳輸過程中被沿途的藻液及其他吸光物質(zhì)吸收，導(dǎo)致光傳輸存在衰減問題，使得反應(yīng)器內(nèi)的光強(qiáng)存在梯度變化。反應(yīng)器內(nèi)微藻接受到的光強(qiáng)是入射光強(qiáng)度、藻液深度和藻液濃度的函數(shù)。光衰減現(xiàn)象通常用Beer–Lambert定律[29-30]描述，隨著藻液深度的增加，光逐漸衰減，而且隨著藻液濃度增大，光衰減問題更嚴(yán)重，導(dǎo)致反應(yīng)器中光沿路徑方向分布極不均勻，存在幾個(gè)光強(qiáng)不同的區(qū)域[31]：反應(yīng)器表層的微藻細(xì)胞可以接觸到光照，但為了使下層細(xì)胞更好受光，提供的入射光強(qiáng)太強(qiáng)，而導(dǎo)致光抑制；隨著藻液深度增加，過渡到光飽和區(qū)、光限制區(qū)和暗區(qū)。光在反應(yīng)器中的不均勻分布嚴(yán)重影響了下層藻細(xì)胞的受光性，進(jìn)而影響其正常生長。

3 微藻固碳強(qiáng)化措施

3.1 基因工程改良

在自然環(huán)境中，微藻細(xì)胞需要獲取盡可能多的光以維持自身的生長，提高自身的生存幾率。長期的自然選擇使微藻形成了大型葉綠素天線以獲取更多的光，同時(shí)也形成了避免受到光過量影響的自我保護(hù)機(jī)制—非光化學(xué)淬滅[22]。然而，人工養(yǎng)殖微藻的最終目標(biāo)是產(chǎn)量最大化、成本最小化。每個(gè)微藻細(xì)胞只需要吸收足夠的能量來有效地進(jìn)行光反應(yīng)即可，而大型葉綠素天線的存在使得反應(yīng)器表層微藻細(xì)胞吸收了大量的入射光而使下層藻細(xì)胞處于光限制或無光狀態(tài)，而被表層細(xì)胞吸收了的光有大部分以非光化學(xué)淬滅形式損失掉，造成大量的光被浪費(fèi)。顯然，大型葉綠素天線限制了微藻養(yǎng)殖產(chǎn)量的最大化。

研究人員提出可以通過基因工程方法減小葉綠素天線尺寸，減少單個(gè)細(xì)胞對光的吸收，提高光向藻液下層的傳輸，使光分布更加均勻，從而提高微藻的光合效率[21-22]。但是由于大型葉綠素天線是微藻長期適應(yīng)環(huán)境所具有的特性，減小葉綠素天線尺寸是否會(huì)對微藻的生長產(chǎn)生其他負(fù)面影響具有不確定性，因此，還需對微藻的生長特性進(jìn)行深入研究以保證在微藻正常生長的前提下提高其光合效率。

3.2 光源選擇

在光源類型選擇上，需要平衡成本與產(chǎn)量的關(guān)系。將太陽光與人工光結(jié)合起來進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)是較優(yōu)的方案。將風(fēng)、光綠電應(yīng)用到養(yǎng)殖過程將進(jìn)一步促進(jìn)碳減排。

在光質(zhì)選擇方面，根據(jù)微藻自身特性，定制合適的光譜使其生長效率最快[26,32]。通過波長轉(zhuǎn)換材料，如有機(jī)和無機(jī)染料、熒光粉等，可以將無光合作用潛力的光轉(zhuǎn)化為具有更高光合作用潛力的光來提高光利用率[33]。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是開展具有高轉(zhuǎn)換效率的波長轉(zhuǎn)化材料的研究。

3.3 改善光分布

改善反應(yīng)器內(nèi)光的均勻分布，可以從降低光衰減和光源布置兩方面進(jìn)行。

在降低光衰減方面，首先是光路最小化。在反應(yīng)器設(shè)計(jì)和選擇上，增大反應(yīng)器的受光面積與體積比。如選用薄層反應(yīng)器或直徑較小的反應(yīng)器[34]等，使藻液整體處于適宜的光照范圍內(nèi)，降低光衰減的影響。另外，改善藻液的流動(dòng)特性使反應(yīng)器內(nèi)表層與下層藻液交替在光區(qū)及暗區(qū)間穿梭，使反應(yīng)器表層及下層的藻細(xì)胞均能受光[35]；還可以提高營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞，利于微藻生長；但要注意擾動(dòng)過大造成的剪切力可能會(huì)破壞微藻細(xì)胞。

在光源布置方面，光源內(nèi)置和光傳導(dǎo)可以從根本上解決反應(yīng)器內(nèi)光分布不均勻的問題，也可以改善立體養(yǎng)殖的光線遮擋問題。將人工燈置于藻液內(nèi)，能有效改善下層藻細(xì)胞的受光問題，提高光的分布均勻性；但是內(nèi)置光源存在漏電安全隱患，要求燈具有很好的防水性能。而采用光傳導(dǎo)方式將光導(dǎo)入藻液內(nèi)，不僅可以改善反應(yīng)器內(nèi)部的光分布，而且不存在用電的安全問題。Wondraczek等[36]利用浸沒在反應(yīng)器中的側(cè)發(fā)光光纖將入射光進(jìn)行稀釋后再分配，很好地改善了反應(yīng)器內(nèi)的光分布情況，使雨生紅球藻的生長速率增加了93%。

3.4 閃光效應(yīng)

研究人員發(fā)現(xiàn)在平均光強(qiáng)相同的情況下，與連續(xù)光照相比，微藻細(xì)胞在閃爍光條件下表現(xiàn)出相似或更高的光合作用速率現(xiàn)象，被稱為閃光效應(yīng)[37]。

為了實(shí)現(xiàn)閃光效應(yīng)，一方面可以通過采用光源的閃爍，即閃光來實(shí)現(xiàn)[38]。通過較短時(shí)間的高強(qiáng)度光（光亮期）與較長時(shí)間的黑暗期交替出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)閃光。Janssen 等[39]觀察到與連續(xù)光照相比，在445 μmol/（m2·s）的低光強(qiáng)下，采用94/94 ms的光暗循環(huán)，微藻生長速率顯著增加。另外，通過藻液的快速擾動(dòng)，使藻細(xì)胞在明暗區(qū)域?qū)崿F(xiàn)交替運(yùn)動(dòng)，以獲得閃光效果[40]。程軍等[41]在平板氣升環(huán)流式反應(yīng)器內(nèi)增加交叉導(dǎo)流橫向隔板后，加強(qiáng)了氣液混合和物質(zhì)傳遞，藻液光暗循環(huán)周期顯著降低到無橫向隔板時(shí)的1/19，微藻生物質(zhì)產(chǎn)量提高了25%。盡管文獻(xiàn)中通過快速擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)了較高的生長速率，但是微藻生長過程受到很多因素的影響，因此并不能排除可能是傳質(zhì)、傳熱的改善引起的[42]。

大部分研究學(xué)者通過閃光或藻液擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)了閃光效應(yīng)，提高了微藻的生長速率。但是有文獻(xiàn)[43]提到，微藻細(xì)胞快速的暴露在光暗不同的光照條件下，可能會(huì)由于沒有足夠時(shí)間來激活調(diào)節(jié)機(jī)制影響其正常生長。因此閃光效應(yīng)的規(guī)律還有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)語

微藻光合作用固碳是一種實(shí)現(xiàn)碳減排的有效方法。微藻光合作用一方面可以降碳，另一方面微藻產(chǎn)品也是一種很有價(jià)值的可再生生物質(zhì)資源。未來可以在以下幾方面進(jìn)行更深入研究，以充分利用微藻實(shí)現(xiàn)碳減排。在微藻的應(yīng)用方面，應(yīng)進(jìn)一步挖掘微藻生物質(zhì)資源化利用的潛力，使微藻生物質(zhì)的各種組分得到充分利用，發(fā)揮其生物質(zhì)價(jià)值；開發(fā)低成本微藻生物質(zhì)處理技術(shù)，提高競爭優(yōu)勢。在微藻固碳強(qiáng)化策略方面，注重開展加快光合作用暗反應(yīng)速率的相關(guān)研究，開發(fā)新型反應(yīng)器。另外，如何平衡藻液濃度與微藻受光性的關(guān)系，降低光的無效吸收及逃逸也有待更深入的研究。