萬(wàn)春，張曉月，趙心清，白鳳武

?

利用絮凝進(jìn)行微藻采收的研究進(jìn)展

萬(wàn)春，張曉月，趙心清，白鳳武

大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116024

萬(wàn)春, 張曉月, 趙心清, 等. 利用絮凝進(jìn)行微藻采收的研究進(jìn)展. 生物工程學(xué)報(bào), 2015, 31(2): 161–171.Wan C, Zhang XY, Zhao XQ,et al. Harvesting microalgae via flocculation: a review. Chin J Biotech, 2015, 31(2): 161–171.

微藻可生產(chǎn)不飽和脂肪酸及色素等多種高附加值產(chǎn)品，同時(shí)也可用來(lái)生產(chǎn)可再生清潔能源如生物柴油等，具有良好的應(yīng)用前景。但是，目前微藻細(xì)胞的采收成本高居不下，已成為限制微藻生物技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要因素之一。與其他方法相比，絮凝采收成本低、操作簡(jiǎn)便，是很有應(yīng)用前景的采收方法。本文綜述了國(guó)內(nèi)外利用化學(xué)絮凝、物理絮凝及生物絮凝等方法對(duì)不同微藻細(xì)胞進(jìn)行采收的研究，重點(diǎn)對(duì)生物絮凝方法進(jìn)行了總結(jié)。利用微生物絮凝劑及微藻細(xì)胞的自絮凝進(jìn)行微藻生物量的回收，是微藻采收技術(shù)中環(huán)境友好、低成本和行之有效的新方法之一。

微藻，絮凝，采收，生物絮凝，微藻自絮凝

微藻是地球上最早的重要生產(chǎn)者，其個(gè)體微小 (幾微米至幾十微米)、種類繁多、生存能力強(qiáng)，在地球上分布廣泛。微藻可通過(guò)高效的光合作用吸收CO2，將光能轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳化合物并釋放氧氣，在降低溫室效應(yīng)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。微藻能產(chǎn)生多種多不飽和脂肪酸如omega-3脂肪酸、EPA、DHA等[1]，同時(shí)也能在體內(nèi)積累葉綠素或者類胡蘿卜素等化妝品顏色添加劑[2]。另外，微藻可在生活及工業(yè)廢水中生長(zhǎng)，不僅可有效去除廢水中的有毒重金屬離子，而且積累的生物量可用作高附值產(chǎn)品如多不飽和脂肪酸和色素等生產(chǎn)原料[3]。此外，化石燃料日益枯竭及其使用引起的溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題的凸顯，利用微藻生產(chǎn)新型清潔能源是國(guó)內(nèi)外研究者普遍關(guān)注的重要技術(shù)之一[4-6]。微藻藻體可用于發(fā)酵生產(chǎn)清潔燃料，如甲烷，氫氣等[7]；而且藻體本身也可作畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料和餌料。然而，雖然微藻有著很高的綜合利用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，但是影響其工業(yè)化應(yīng)用的最大問(wèn)題是生產(chǎn)成本過(guò)高，特別是采收環(huán)節(jié)，占整個(gè)微藻生物量成本的20%–30%甚至更高[8]。對(duì)于光合自養(yǎng)培養(yǎng)的微藻，培養(yǎng)液中的藻密度普遍較低(約1 g/L左右)[9]，導(dǎo)致含水量較大(99%以上)。無(wú)論是獲得藻細(xì)胞本身作為餌料和營(yíng)養(yǎng)品，還是提取微藻胞內(nèi)的高價(jià)值產(chǎn)品，都必須將藻細(xì)胞與培養(yǎng)基分開，因此都需要利用采收技術(shù)獲得藻細(xì)胞。除螺旋藻個(gè)體大可用篩網(wǎng)采收外，其他微藻因藻密度低、藻細(xì)胞穩(wěn)定懸浮于培養(yǎng)液等特點(diǎn)致使微藻采收困難。因此，提高微藻細(xì)胞采收效率和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)微藻的工業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義，特別是在利用能源微藻生產(chǎn)生物能源的過(guò)程中，降低成本非常關(guān)鍵。

目前微藻采收的方法主要有過(guò)濾法、氣浮法、離心法以及絮凝法等[10-11]。過(guò)濾和氣浮法依賴于藻種特性，且過(guò)濾法涉及到濾膜堵塞與污染的問(wèn)題；離心法雖然普適性強(qiáng)，但是從較低密度藻液中，特別是在開放培養(yǎng)方式中的藻液中收集微藻設(shè)備消耗大而且耗能高。同其他采收方法相比，絮凝法可用于大規(guī)模微藻采收，其藻種適用范圍廣，且能耗相對(duì)較低，被認(rèn)為是更可靠經(jīng)濟(jì)的方法[8]。通過(guò)絮凝法預(yù)先濃縮藻液可顯著降低整個(gè)微藻采收的能耗費(fèi)用，這也使得絮凝法成為微藻采收中最具有前景的方法[12]。微藻細(xì)胞采收的絮凝技術(shù)主要包括化學(xué)絮凝、物理絮凝和生物絮凝等，本文對(duì)這些方法的最新研究進(jìn)行了論述，強(qiáng)調(diào)了生物絮凝法，特別是細(xì)胞自絮凝在微藻采收中的應(yīng)用潛力，以期對(duì)微藻低成本高效采收以及微藻的產(chǎn)業(yè)化有所貢獻(xiàn)。

1 絮凝采收微藻

1.1 傳統(tǒng)絮凝采收技術(shù)

1.1.1 化學(xué)絮凝

微藻細(xì)胞表面多帶負(fù)電荷[12]，因此所用絮凝劑為陽(yáng)離子絮凝劑，包括金屬鹽類和高分子聚合物類。常用于化學(xué)絮凝的金屬離子有A13+、Fe3+、Zn2+等，這些金屬離子能強(qiáng)吸附在微藻細(xì)胞表面，電中和其表面的負(fù)電荷，消除細(xì)胞間的靜電排斥，進(jìn)而達(dá)到絮凝的效果。在特定pH下，金屬離子可形成Al(OH)3(s)、Fe(OH)3(s)和Zn(OH)2(s) 等難溶物，將微藻細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)其中而實(shí)現(xiàn)藻細(xì)胞絮凝。另外，A13+、Fe3+等金屬鹽還能形成[Al(OH)3]n和[Fe(OH)3]n等聚合體，連接到兩個(gè)或多個(gè)藻細(xì)胞，以吸附架橋形式聚集藻細(xì)胞，進(jìn)而絮凝沉淀。高分子聚合物能通過(guò)吸附架橋作用和網(wǎng)捕作用高效絮凝采收微藻，包括無(wú)機(jī)絮凝劑如聚合氯化鋁(PAC) 和聚丙烯酰胺(PAM) 等，有機(jī)聚合物絮凝劑如殼聚糖，多聚g-谷氨酸(g-PGA) 等。現(xiàn)已利用化學(xué)絮凝成功實(shí)現(xiàn)了柵藻、小球藻、微擬球藻、新綠藻和褐藻等微藻的采收。各種化學(xué)絮凝劑采收微藻的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1所示。

由于微藻表面帶有電荷，通過(guò)調(diào)節(jié)微藻培養(yǎng)液pH而改變微藻細(xì)胞表面之間電荷平衡，亦能達(dá)到絮凝采收微藻的目的。通過(guò)Ca(OH)2將濃度為6′107個(gè)/mL的微擬球藻培養(yǎng)液調(diào)節(jié)到pH 10時(shí)，微藻絮凝率達(dá)90%，且其成本僅為$7.5/t；當(dāng)藻密度達(dá)到108個(gè)/mL時(shí)，采收成本能縮減到$3.5/t，然而高pH的培養(yǎng)液需要中和處理再做重復(fù)利用[22]。此外，將柵藻sp. (0.54 g/L) 培養(yǎng)液調(diào)節(jié)到pH 11.5時(shí)，10 min內(nèi)微藻絮凝率高達(dá)97.4%[14]；而且高pH培養(yǎng)液中的鎂離子亦能協(xié)助絮凝采收小球藻，(0.9 g/L)、柵藻，sp. (1.1 g/L) 和三角褐指藻(2.2 g/L) 等多種藻類，其效率超過(guò)90%[23-24]；但鎂離子同藻細(xì)胞共沉降，會(huì)額外增加后續(xù)藻生物量中金屬離子去除過(guò)程?；瘜W(xué)絮凝研究較早、工藝成熟，但是存在的問(wèn)題是操作過(guò)程中成本高，而且金屬離子和高聚合物在水中殘留極難降解，對(duì)環(huán)境易造成二次污染。此外，高pH培養(yǎng)液上清需經(jīng)過(guò)處理后才能繼續(xù)用于微藻培養(yǎng)，不適用于大規(guī)模應(yīng)用。

表1 不同化學(xué)絮凝劑采收微藻比較

* - data of concentration is unavailable.

1.1.2 物理絮凝

物理絮凝主要包括電絮凝和超聲絮凝。在電絮凝過(guò)程中，帶負(fù)電的微藻細(xì)胞向正電極靠攏而失去其離子層，進(jìn)而與周圍細(xì)胞易形成聚集體，被電解產(chǎn)生的氣體 (氧氣和氫氣) 帶動(dòng)浮至上層實(shí)現(xiàn)微藻富集，該方法對(duì)綠藻、藍(lán)綠藻和硅藻(0.001–0.05 g/L) 的絮凝率能達(dá)95%，而且不需添加任何化學(xué)絮凝劑，能耗僅為 0.3 kW·h/m3[25]。而當(dāng)少量Fe3+存在時(shí)，該方法對(duì)綠球藻sp. (0.6 g/L) 和小球藻(0.3 g/L) 的絮凝率接近100%，然而能耗高達(dá)1–2 kW·h/kg[26-27]。電絮凝對(duì)設(shè)備和操作技術(shù)要求較高，而且需及時(shí)更換電極；另外，金屬離子仍然會(huì)殘留在回收后的微藻培養(yǎng)液及微藻生物量里，不利于培養(yǎng)液的再利用以及微藻后續(xù)加工[25-27]。此外，F(xiàn)e3O4磁性納米顆粒(IONP) 可通過(guò)靜電吸附作用粘附在微藻細(xì)胞表面，在磁場(chǎng)存在下能有效采收微藻。中科院過(guò)程所學(xué)者利用250 mg/L IONP在40 s內(nèi)對(duì)橢圓小球藻(0.75 g/L) 絮凝率達(dá)95%，而且在藻液流速為100 mL/min時(shí)絮凝率仍高于90%[28]，由于該方法絮凝率隨著藻液體積的增大而降低，在大規(guī)模培養(yǎng)中的應(yīng)用仍有待驗(yàn)證；回收或去除IONP，不僅可降低操作費(fèi)用，也可避免對(duì)后續(xù)的加工造成影響。

另外，可利用超聲進(jìn)行絮凝采收。在超聲處理微藻時(shí)，藻細(xì)胞趨于超聲波節(jié)點(diǎn)而相互聚集沉降；該法雖電耗高(345 kW/d)，但對(duì)濃度為108個(gè)/mL單胞藻的絮凝率可達(dá)90%[29]。

物理絮凝法相對(duì)于化學(xué)絮凝法沒有二次污染，但是局限于操作環(huán)境，而且耗能大 (1–9 kW·h/kg)，不適于大規(guī)模應(yīng)用。

1.2 生物絮凝采收技術(shù)

生物絮凝是利用生物體本身或其代謝產(chǎn)生的粘性物質(zhì)，通過(guò)網(wǎng)捕或鍵橋作用，使藻細(xì)胞相互聚集，對(duì)微藻進(jìn)行采收的過(guò)程，被認(rèn)為是最有希望成為規(guī)?；瘧?yīng)用的絮凝采收技術(shù)。生物絮凝分為微生物絮凝和微藻細(xì)胞自絮凝。

1.2.1 微生物絮凝劑

微生物絮凝劑因其生物安全可降解、絮凝效率高以及無(wú)二次污染等特點(diǎn)，不僅在食品加工和污水處理中應(yīng)用廣泛[30]，最近亦被用于微藻采收。微生物絮凝劑在污水處理中的作用機(jī)理主要有氫鍵等作用下的吸附架橋模式和兩性電解質(zhì)的電中和模式等[30]，然而其在微藻采收中的作用機(jī)理尚不清楚，推測(cè)該過(guò)程涉及微生物絮凝劑中的羥基和羧基等引起的靜電吸附作用，或該官能團(tuán)結(jié)合微藻細(xì)胞而增強(qiáng)的架橋 作用[31]。

韓國(guó)學(xué)者從擬盤多毛孢菌sp. KCTC 8637P中分離得到絮凝劑后并將其用于采收布朗葡萄藻，取得了一定成 效[32-33]。隨后該課題組又將類芽胞桿菌sp. 所產(chǎn)的絮凝物質(zhì)(7–8 g/L) 添加到小球藻(0.062 g/L) 的培養(yǎng)液中，在Ca2+協(xié)助下能得到83%的絮凝率，高于傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑而且受pH影響不大；另外該絮凝劑對(duì)布朗葡萄藻、柵藻和羊角月牙藻有近90%的絮凝率[34]；進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該絮凝物質(zhì)是由類芽胞桿菌AM49分泌到胞外的多聚物 (~3.5 g/L)，在8.5 mmol/L CaCl2和0.2 mmol/L FeCl3協(xié)助下對(duì)柵藻sp. (0.83 g/L) 絮凝率高達(dá)95%，且培養(yǎng)基可以重復(fù)利用[35]。龔良玉等利用一株假單胞菌sp. 的發(fā)酵液研究了該菌產(chǎn)絮凝劑對(duì)園甲藻和裸甲藻sp. 的絮凝去除作用，結(jié)果表明，在2 mmol/L Ca2+和4 mmol/L Mg2+協(xié)助下，對(duì)赤潮藻類絮凝率達(dá)90%，但受pH影響較大[36]。然而金屬離子的添加會(huì)造成環(huán)境二次污染，而且不利于后續(xù)微藻加工。

本課題組成功從活性污泥中篩選出一株絮凝劑產(chǎn)生菌并鑒定為土壤芽胞桿菌，在不需要金屬離子的條件下該絮凝劑(1.1 g/L) 對(duì)海洋微擬球藻(0.8 g/L)的絮凝率超過(guò)80%，而且對(duì)淡水柵藻和小球藻也有一定絮凝能力；生理生化分析表明該絮凝物質(zhì)由蛋白和糖類物質(zhì)組成，不同于多糖類微生物絮凝劑[31]。

生物絮凝劑的生產(chǎn)涉及到絮凝劑產(chǎn)生菌的培養(yǎng)以及絮凝劑的分離純化，且生物絮凝劑產(chǎn)量不高而使用量大，致使生物絮凝劑成本較高；但其因生物安全可降解、避免二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在微藻采收中仍有良好的應(yīng)用前景。

1.2.2 微生物絮凝微藻

細(xì)菌和真菌可以誘導(dǎo)微藻絮凝，并在污水處理中應(yīng)用廣泛[3]。細(xì)菌主要通過(guò)粘附作用吸附在鄰近微藻細(xì)胞表面而引起藻細(xì)胞聚集，并且細(xì)菌菌絲、胞壁蛋白、細(xì)胞表面電荷以及胞外透明多聚顆粒均能促進(jìn)藻細(xì)胞絮凝[37-39]。真菌主要通過(guò)菌絲引起微藻絮凝[40-41]。

微藻與細(xì)菌相互作用研究由來(lái)已久[42]，早在2003年意大利Rodolfi等發(fā)現(xiàn)在大規(guī)模培養(yǎng)微擬球藻sp.的后期出現(xiàn)藻細(xì)胞絮凝現(xiàn)象，通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM) 確定了該絮凝由細(xì)菌及其菌體碎片誘導(dǎo)[43]。中國(guó)學(xué)者從地下水中分離出隸屬于假單胞菌目的新型細(xì)菌HW001，菌體與海洋微擬球藻IMET1細(xì)胞數(shù)目比為30∶1時(shí)，共培養(yǎng)3 d藻細(xì)胞絮凝率超過(guò)90%；此外，該細(xì)菌對(duì)扁藻和藍(lán)藻WH8007絮凝效果明顯[37]。在該研究的基礎(chǔ)上，美國(guó)學(xué)者從被污染的HW001培養(yǎng)液中分離得到一株芽胞桿菌RP1137，該菌體與海洋微擬球藻IMET1數(shù)目比為1:1時(shí)，在30 s內(nèi)對(duì)該藻細(xì)胞絮凝率達(dá)95%，而且受溫度和鹽度影響不大；但是pH適用范圍較窄(pH 9–10)，另外絮凝過(guò)程需要Ca2+和Mg2+協(xié)助[38]。細(xì)菌跟顆石藻共培養(yǎng)亦能誘導(dǎo)該藻細(xì)胞絮凝，Lee等將假單胞菌和芽胞桿菌等細(xì)菌同顆石藻在含有乙酸、葡萄糖和甘油(0.1 g/L) 的有機(jī)碳培養(yǎng)基中共培養(yǎng)24 h，能絮凝90%的藻細(xì)胞，由于無(wú)需金屬離子協(xié)助，絮凝過(guò)程對(duì)藻細(xì)胞活性無(wú)影響，且采收后的培養(yǎng)液可重復(fù)利用[44]。此外，當(dāng)細(xì)菌與海鏈藻共培養(yǎng)96 h后通過(guò)粘附作用可顯著誘導(dǎo)藻細(xì)胞絮凝[39]。

霉菌菌絲形成的球狀顆?？蓪⑽⒃寮?xì)胞包裹其中而應(yīng)用于微藻采收 (圖1)，另外其菌絲帶正電荷，可通過(guò)電中和作用絮凝微藻[40-41]。小球藻UMN235在含有20 g/L葡萄糖和108個(gè)/L黑曲霉sp. 孢子培養(yǎng)基中共培養(yǎng)2 d后全部被囊括在菌絲球中，并且能有效去除污水中的氮和磷[40]。當(dāng)小球藻(6.9′109個(gè)細(xì)胞/L) 與黑曲霉Ted S-OSU孢子(7.6′106個(gè)細(xì)胞/L) 共培養(yǎng)3 d后，藻細(xì)胞絮凝率超過(guò)60%；而且二者在異養(yǎng)培養(yǎng)的條件下，總脂肪酸含量顯著提高且其組成適于生物柴油煉制[41]。

A

B

圖1 霉菌菌絲球采收微藻

Fig. 1 Harvest microalgae via co-pellets with fungi.

(A) Insight structure of pelletization. (B) Photo of co-pellets ofsp. and

微生物菌體與微藻細(xì)胞共培養(yǎng)能有效誘導(dǎo)藻細(xì)胞絮凝，雖然該過(guò)程pH適用范圍較窄，但是一些微生物特別是霉菌在聚集微藻的過(guò)程中不需要金屬離子的協(xié)助，并且形成的復(fù)合微生物顆粒在污水處理中表現(xiàn)出了巨大的潛力。然而，該采收方案需要有機(jī)碳源供細(xì)菌或真菌生長(zhǎng)，且這些菌體可能會(huì)影響到微藻在飼料和食品加工的安全性。另外，在培養(yǎng)微藻的過(guò)程中引入外源微生物不僅會(huì)同微藻生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)，而且微生物污染也對(duì)后續(xù)加工產(chǎn)生影響，特別是在開放低成本培養(yǎng)方式中通過(guò)添加有機(jī)碳源、細(xì)菌和霉菌孢子，再通過(guò)共培養(yǎng)方式采收微藻其成本和操作費(fèi)用相對(duì)較高。此外，該方法采收的微藻種類不多，實(shí)用性和普適性仍有待研究。

1.2.3 微藻細(xì)胞自絮凝

細(xì)胞自絮凝在自然界中普遍存在，隨著研究的深入，越來(lái)越多具有自絮凝性狀的微生物被發(fā)現(xiàn)[45]。本課題組長(zhǎng)期從事酵母絮凝分子機(jī)理的研究和應(yīng)用[46]，表征了自絮凝釀酒酵母SPSC01的絮凝基因[47]，實(shí)現(xiàn)了釀酒酵母的可誘導(dǎo)絮凝[48]，而且將自絮凝運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌成功應(yīng)用于高濃度乙醇發(fā)酵[49]。具有自絮凝特征的酵母和細(xì)菌細(xì)胞在停止發(fā)酵時(shí)沉積在發(fā)酵罐底部而無(wú)需額外采收，為利用自絮凝技術(shù)采收微藻提供理論了基礎(chǔ)。

微藻細(xì)胞自絮凝是微藻培養(yǎng)過(guò)程中合成絮凝物質(zhì) (糖苷[50]或多糖[51-52]) 并分泌到細(xì)胞壁上，該物質(zhì)能粘附鄰近藻細(xì)胞進(jìn)而引發(fā)的絮凝現(xiàn)象 (圖2)；且培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分 (如N/P比例) 或生長(zhǎng)條件如溫度、pH、光照強(qiáng)度等自然變化會(huì)影響藻細(xì)胞絮凝[53]；自絮凝微藻亦能絮凝游離微藻[54]。Schenk等報(bào)道了自絮凝骨藻能絮凝采收微擬球藻[55]；此外，鐮形纖維藻，斜生柵藻和扁藻也被發(fā)現(xiàn)具有自絮凝性狀[56]。在這些研究基礎(chǔ)上，Salim課題組將這些具有絮凝特性的微藻培養(yǎng)液以2–5倍體積添加到游離小球藻和富油新綠藻培養(yǎng)液中，最高絮凝率分別能達(dá)到41%和46%[54]；隨后通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)絮凝微藻與小球藻比例為1∶4時(shí)即可誘導(dǎo)40%的藻細(xì)胞絮凝，扁藻與富油新綠藻比例為0.25時(shí)可獲得50%的絮凝率，而且經(jīng)過(guò)3 h沉降再離心的能耗同直接離心相比降低了8倍[57]。對(duì)自絮凝微藻的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)該藻種的絮凝現(xiàn)象隨著生物量積累而增強(qiáng)，無(wú)金屬離子協(xié)助時(shí)靜置3 h，藻細(xì)胞(~2.5 g/L) 絮凝率接近90%[58]。

圖2 自絮凝微藻S. obliquus AS-6-1和C. vulgaris JSC-7的掃描電鏡照片[51-52]

本課題組通過(guò)對(duì)自絮凝柵藻AS-6-1和自絮凝小球藻JSC-7研究發(fā)現(xiàn)，兩株藻在30 min內(nèi)藻細(xì)胞基本全部沉降，并且在Al3+或Fe3+的協(xié)助下對(duì)游離的柵藻和小球藻(~1 g/L) 的絮凝率接近70%；另外從自絮凝微藻中分離得到絮凝物質(zhì)在0.6 mg/L時(shí)對(duì)柵藻和小球藻(~1 g/L) 的絮凝率都超過(guò)60%，低濃度的Al3+和Fe3+能協(xié)助采收微藻[51-52]。

隨著微藻分子生物學(xué)研究越來(lái)越多，多種微藻的基因操作方法也日益成熟[59-60]，為構(gòu)建轉(zhuǎn)基因絮凝微藻奠定了基礎(chǔ)。在微藻中過(guò)表達(dá)微藻自絮凝物質(zhì)的合成基因，或者其他微生物的絮凝基因等，可構(gòu)建轉(zhuǎn)基因絮凝微藻。在不同微藻中分別表達(dá)對(duì)應(yīng)的配體和受體蛋白，混合后的藻細(xì)胞通過(guò)配體-受體識(shí)別結(jié)合而實(shí)現(xiàn)微藻絮凝采收[61]。同微生物絮凝劑和微生物與微藻共培養(yǎng)絮凝采收微藻的技術(shù)相比，自絮凝微藻因其采收效率高、操作簡(jiǎn)單、生物安全以及成本能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在絮凝采收技術(shù)中越來(lái)越受到關(guān)注，然而其規(guī)?；瘧?yīng)用仍有待時(shí)日。

2 結(jié)論與展望

隨著全球氣候變暖以及化石燃料的日益枯竭，微藻愈來(lái)愈成為緩解這些危機(jī)以及生產(chǎn)新型清潔能源的重要角色。但是微藻能源生產(chǎn)成本過(guò)高，特別是其高居不下的采收成本嚴(yán)重阻礙了微藻能源產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，因此，尋求經(jīng)濟(jì)高效的微藻采收方法是促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程亟需解決的重要問(wèn)題之一。與離心和浮選等采收方法相比，絮凝具有能耗低、設(shè)備及其維護(hù)費(fèi)用低以及操作方便等特點(diǎn)可明顯降低采收成本，并且成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)綠藻門中柵藻、小球藻、衣藻等，硅藻門中海鏈藻以及藍(lán)藻門中的藍(lán)藻高效采收。雖然傳統(tǒng)化學(xué)絮凝和物理絮凝有較好的微藻采收效率，但是前者處理中化學(xué)絮凝劑的殘留對(duì)環(huán)境造成二次污染以及后者采收中能耗及設(shè)備要求高，不利于大規(guī)模經(jīng)濟(jì)采收。新興生物絮凝法采收微藻具有可降解，安全高效，并且絮凝后的培養(yǎng)基無(wú)需預(yù)處理可直接再用于微藻培養(yǎng)；霉菌菌絲球與微藻形成的復(fù)合顆粒在污水處理中效果顯著；特別是微藻細(xì)胞自絮凝既避免了外源微生物添加造成污染的風(fēng)險(xiǎn)，又不影響后續(xù)微藻加工，此外，構(gòu)建轉(zhuǎn)基因自絮凝微藻為微藻采收提供了綠色高效容易操作的方法。和其他轉(zhuǎn)基因生物一樣，轉(zhuǎn)基因微藻的生物安全性也是比較重要的問(wèn)題，需要引起重視。轉(zhuǎn)基因絮凝藻比較理想的構(gòu)建方法是采用微藻自身的基因序列不引入外源序列，但目前所報(bào)道的研究中轉(zhuǎn)基因微藻仍然帶有抗性基因進(jìn)行選擇[59]。未來(lái)隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展，可以使用更安全的選擇標(biāo)記，如轉(zhuǎn)基因植物中使用的糖代謝相關(guān)基因等[62]。為避免轉(zhuǎn)基因微藻的生物安全性風(fēng)險(xiǎn)，可將轉(zhuǎn)基因絮凝微藻在封閉反應(yīng)器中培養(yǎng)。但用于生產(chǎn)生物能源的微藻的培養(yǎng)，為了降低成本需要使用開放培養(yǎng)體系，這時(shí)候應(yīng)選擇合適的培養(yǎng)區(qū)和培養(yǎng)方法，盡量避免微藻擴(kuò)散到自然環(huán)境中。雖然微藻細(xì)胞自絮凝研究尚處于起步階段，但是該技術(shù)不需要外源添加有毒或昂貴的絮凝物質(zhì)，能顯著降低采收成本，提高微藻產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

REFERENCES

[1] De Swaaf ME, Sijtsma L, Pronk JT. High-cell-density fed-batch cultivation of the docosahexaenoic acid producing marine alga. Biotechnol Bioeng, 2003, 81(6): 666–672.

[2] Draaisma RB, Wijffels RH, Ellen Slegers P, et al. Food commodities from microalgae. Curr Opin Biotechnol, 2012, 24(2): 169–177.

[3] Olguin EJ. Dual purpose microalgae-bacteria-based systems that treat wastewater and produce biodiesel and chemical products within a biorefinery. Biotechnol Adv, 2012, 30(5): 1031–1046.

[4] Wijffels RH, Barbosa MJ. An outlook on microalgal biofuels. Science, 2010, 329(5993): 796–799.

[5] Miao XL, Wu QY. Exploitation of biomass renewable engery sources of microalgae. Renew Energ, 2003, 3(109): 13–16 (in Chinese).

繆曉玲, 吳慶余. 微藻生物質(zhì)可再生能源的開發(fā)利用. 可再生能源, 2003, 3(109): 13–16.

[6] Li YG, Tan TW, Huang YM. Some scientific issues to be resolved in the process for producing biodiese form nicromigae. Chin Basic Sci, 2009, 64(5): 64–70 (in Chinese).

李元廣, 譚天偉, 黃英明. 微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化技術(shù)中的若干科學(xué)問(wèn)題及其分析. 中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué), 2009, 64(5): 64–70.

[7] Zhao B, Ma J, Zhao Q, et al. Efficient anaerobic digestion of whole microalgae and lipid-extracted microalgae residues for methane energy production. Bioresour Technol, 2014, 161: 423–430.

[8] Milledge JJ, Heaven S. A review of the harvesting of micro-algae for biofuel production. Rev Environ Sci Biotechnol, 2012, 12(2): 165–178.

[9] Huerlimann R, de Nys R, Heimann K. Growth, lipid content, productivity, and fatty acid composition of tropical microalgae for scale-up production. Biotechnol Bioeng, 2010, 107(2): 245–257.

[10] Zhang HY, Kuang YL, Lin Z. Research process of harvesting technologies of energy microalgae. Chem Ind Eng Prog, 2013, 32(9): 2092–2098 (in Chinese).

張海陽(yáng), 匡亞莉, 林喆. 能源微藻采收技術(shù)研究進(jìn)展. 化工進(jìn)展, 2013, 32(9): 2092–2098.

[11] Lin Z, Kuang YL, Guo J, et al. A review of microalgae recovery technology. Chin J Prog Eng, 2009, 9(6): 1242–1248 (in Chinese).

林喆, 匡亞莉, 郭進(jìn), 等. 微藻采收技術(shù)的進(jìn)展與展望. 過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2009, 9(6): 1242–1248.

[12] Vandamme D, Foubert I, Muylaert K. Flocculation as a low-cost method for harvesting microalgae for bulk biomass production. Trend Biotechnol, 2013, 31(4): 233–239.

[13] Papazi A, Makridis P, Divanach P. Harvestingusing cell coagulants. J Appl Phycol, 2009, 22(3): 349–355.

[14] Chen L, Wang C, Wang W, et al. Optimal conditions of different flocculation methods for harvestingsp. cultivated in an open-pond system. Bioresour Technol, 2013, 133: 9–15.

[15] Rwehumbiza VM, Harrison R, Thomsen L. Alum-induced flocculation of preconcentrated: Residual aluminium in the biomass, FAMEs and its effects on microalgae growth upon media recycling. Chem Eng J, 2012, 200: 168–175.

[16] Chen F, Liu Z, Li D, et al. Using ammonia for algae harvesting and as nutrient in subsequent cultures. Bioresour Technol, 2012, 121: 298–303.

[17] Zhang YJ, Luo SJ, Jiang LL, et al. Effect of cationic flocculants on microalgae harvesting. Renew Energ Resour, 2010, 28(3): 35–38 (in Chinese).

張亞杰, 羅生軍, 蔣禮玲, 等. 陽(yáng)離子絮凝劑對(duì)小球藻濃縮收集效果的研究. 可再生能源, 2010, 28(3): 35–38.

[18] Beach ES, Eckelman MJ, Cui Z, et al. Preferential technological and life cycle environmental performance of chitosan flocculation for harvesting of the green algae. Bioresour Technol, 2012, 121: 445–449.

[19] Zheng BS, Cai MY, Guo SY, et al. Application of chitosan to the harvest of. J Salt Chem Ind, 2003, 32(1): 7–9 (in Chinese).

鄭必勝, 蔡妙顏, 郭祀遠(yuǎn), 等. 殼聚糖在小球藻采收中的應(yīng)用. 海湖鹽與化工, 2003, 32(1): 7–9.

[20] Vandamme D, Foubert I, Meesschaert B, et al. Flocculation of microalgae using cationic starch. J Appl Phycol, 2009, 22(4): 525–530.

[21] Zheng H, Gao Z, Yin J, et al. Harvesting of microalgae by flocculation with poly (gamma-glutamic acid). Bioresour Technol, 2012, 112: 212–220.

[22] Schlesinger A, Eisenstadt D, Bar-Gil A, et al. Inexpensive non-toxic flocculation of microalgae contradicts theories; overcoming a major hurdle to bulk algal production. Biotechnol Adv. 2012, 30(5): 1023–1030

[23] Wu Z, Zhu Y, Huang W, et al. Evaluation of flocculation induced by pH increase for harvesting microalgae and reuse of flocculated medium. Bioresour Technol, 2012, 110: 496–502.

[24] Vandamme D, Foubert I, Fraeye I, et al. Flocculation ofinduced by high pH: role of magnesium and calcium and practical implications. Bioresour Technol, 2012, 105: 114–119.

[25] Poelman E, De Pauw N, Jeurissen B. Potential of electrolytic flocculation for recovery of micro-algae. Resour Conserv Recy, 1997, 19(1): 1–10.

[26] Uduman N, Bourniquel V, Danquah MK, et al. A parametric study of electrocoagulation as a recovery process of marine microalgae for biodiesel production. Chem Eng J, 2011, 174(1): 249–257.

[27] Vandamme D, Pontes SC, Goiris K, et al. Evaluation of electro-coagulation-flocculation for harvesting marine and freshwater microalgae. Biotechnol Bioeng, 2011, 108(10): 2320–2329.

[28] Hu YR, Guo C, Xu L, et al. A magnetic separator for efficient microalgae harvesting. Bioresour Technol, 2014, 158: 388–391.

[29] Bosma R, Van Spronsen WA, Tramper J, et al. Ultrasound, a new separation technique to harvest microalgae. J Appl Phycol, 2003, 15(2/3): 143–153.

[30] Ma F, Duan SY, Kong XZ, et al. Present status and development trend of studies on microbial flocculants. China Water Wastewater, 2012, 28(2): 14–17 (in Chinese).

馬放, 段姝悅, 孔祥震, 等. 微生物絮凝劑的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì). 中國(guó)給水排水, 2012, 28(2): 14–17.

[31] Wan C, Zhao XQ, Guo SL, et al. Bioflocculant production fromW01 and its application in cost-effective harvest of marine microalgaby flocculation. Bioresour Technol, 2013, 135: 207–212.

[32] Kwon GS, Moon SH, Hong SD, et al. A novel ?occulant biopolymer produced bysp. KCTC 8637P. Biotechnol Lett, 1996, 18(12): 1459–1464.

[33] Lee SL, Kim SB Kim JE, et al. Effects of harvesting method and growth stage on the flocculation of the green alga. Lett Appl Microbiol, 1998, 27(1): 14–18.

[34] Oh HM, Lee SJ, Park MH, et al. Harvesting ofusing a bioflocculant fromsp. AM49. Biotechnol Lett, 2001, 23(15): 1229–1234.

[35] Kim DG, La HJ, Ahn CY, et al. Harvest ofsp. with bioflocculant and reuse of culture medium for subsequent high-density cultures. Bioresour Technol, 2011, 102: 3163–3168.

[36] Gong LY, Liang SK, Li YB, et al. Study on HAB removed with extracellular biopolymeric focculant. Marin Environ Sci, 2009, 28(3): 247–250 (in Chinese).

龔良玉, 梁生康, 李雁賓, 等. 一株海洋假單胞菌產(chǎn)生物絮凝劑去除赤潮生物的實(shí)驗(yàn)研究. 海洋環(huán)境科學(xué), 2009, 28(3): 247–250.

[37] Wang H, Laughinghouse HDT, Anderson MA, et al. Novel bacterial isolate from Permian groundwater, capable of aggregating potential biofuel-producing microalgaIMET1. Appl Environ Microbiol, 2012, 78(5): 1445–1453.

[38] Powell RJ, Hill RT. Rapid aggregation of biofuel-producing algae by the bacteriumsp. strain RP1137. Appl Environ Microbiol, 2013, 79(19): 6093–6101.

[39] Gardes A, Iversen MH, Grossart HP, et al. Diatom-associated bacteria are required for aggregation of. ISME J, 2011, 5(3): 436–445.

[40] Zhou W, Cheng Y, Li Y, et al. Novel fungal pelletization-assisted technology for algae harvesting and wastewater treatment. Appl Biochem Biotechnol, 2012, 167(2): 214–228.

[41] Zhang J, Hu B. A novel method to harvest microalgae via co-culture of filamentous fungi to form cell pellets. Bioresour Technol, 2012, 114: 529–535.

[42] Amin SA, Parker MS, Armbrust EV. Interactions between diatoms and bacteria. Microbiol Mol Biol R, 2012, 76(3): 667–684.

[43] Rodolfi L, Zittelli GC, Barsanti L, et al. Growth medium recycling insp. mass cultivation. Biomol Eng, 2003, 20(4): 243–248.

[44] Lee AK, Lewis DM, Ashman PJ. Microbial flocculation, a potentially low-cost harvesting technique for marine microalgae for the production of biodiesel. J Appl Phycol, 2008, 21(5): 559–567.

[45] Salehizadeh H, Shojaosadati SA. Extracellular biopolymeric flocculants: recent trends and biotechnological importance. Biotechnol Adv, 2001, 19(5): 371–385.

[46] Zhao XQ, Bai FW. Yeast flocculation: New story in fuel ethanol production. Biotechnol Adv, 2009, 27(6): 849–856.

[47] He LY. Isolation and functional analysis of flocculation genes from the flocculating yeast SPSC01 [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2012 (in Chinese).

賀雷雨. 絮凝酵母 SPSC01 絮凝基因的分離及功能研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2012.

[48] Li Q, Zhao XQ, Chang AK, et al. Ethanol-induced yeast flocculation directed by the promoter ofencoding trehalose-6-phosphate synthase 1 for efficient ethanol production. Metab Eng, 2012, 14(1): 1–8.

[49] Zhao N, Bai Y, Liu CG, et al. Flocculatingis a promising host to be engineered for fuel ethanol production from lignocellulosic biomass. Biotechnol J, 2013, 9(3): 262–271.

[50] Salim S, Kosterink NR, Tchetkoua Wacka ND, et al. Mechanism behind autoflocculation of unicellular green microalgae. J Biotechnol, 2014, 174: 34–38.

[51] Guo SL, Zhao XQ, Wan C, et al. Characterization of flocculating agent from the self-flocculating microalgaAS-6-1 for efficient biomass harvest. Bioresour Technol, 2013, 145: 285–289.

[52] Alam MA, Wan C, Guo SL, et al. Characterization of the flocculating agent from the spontaneously flocculating microalgaJSC-7. J Biosci Bioeng, 2014, 118(1): 29–33.

[53] Sukenik A, Shelef G. Algal autoflocculation- verification and proposed mechanism. Biotechnol Bioeng, 1984, 26(2): 142–147.

[54] Salim S, Bosma R, Vermue MH, et al. Harvesting of microalgae by bio-flocculation. J Appl Phycol, 2011, 23(5): 849–855.

[55] Schenk PM, Thomas-Hall SR, Stephens E, et al. Second generation biofuels: High-efficiency microalgae for biodiesel production. Bioenerg Res, 2008, 1(1): 20–43.

[56] Griffiths MJ, Harrison STL. Lipid productivity as a key characteristic for choosing algal species for biodiesel production. J Appl Phycol, 2009, 21(5): 493–507.

[57] Salim S, Vermue MH, Wijffels RH. Ratio between autoflocculating and target microalgae affects the energy-efficient harvesting by bio-flocculation. Bioresour Technol, 2012, 118: 49–55.

[58] Salim S, Shi Z, Vermu? MH, et al. Effect of growth phase on harvesting characteristics, autoflocculation and lipid content offor microalgal biodiesel production. Bioresour Technol, 2013, 138: 214–221.

[59] Guo SL, Zhao XQ, Tang Y, et al. Establishment of an efficient genetic transformation system in. J Biotechnol, 2013, 163(1): 61–68.

[60] Georgianna DR, Mayfield SP. Exploiting diversity and synthetic biology for the production of algal biofuels. Nature, 2012, 488(7411): 329–335.

[61] Mendez M, Behnke C, Poon Y, et al, Induction of flocculation in photosynthetic organisms: US, 7643008. 2008-06-27.

[62] LaFayett PR, Kane PM, Phan BH, et al. Arabitol dehydrogenase as a selectable marker for rice. Plant Cell Rep, 2005, 24: 596–602.

(本文責(zé)編 郝麗芳)

Harvesting microalgae via flocculation: a review

Chun Wan, Xiaoyue Zhang, Xinqing Zhao, and Fengwu Bai

,,116024,,

Microalgae have been identified as promising candidates for biorefinery of value-added molecules. The valuable products from microalgae include polyunsaturated fatty acids and pigments, clean and sustainable energy (e.g. biodiesel). Nevertheless, high cost for microalgae biomass harvesting has restricted the industrial application of microalgae. Flocculation, compared with other microalgae harvesting methods, has distinguished itself as a promising method with low cost and easy operation. Here, we reviewed the methods of microalgae harvesting using flocculation, including chemical flocculation, physical flocculation and biological flocculation, and the progress and prospect in bio-flocculation are especially focused. Harvesting microalgae via bio-flocculation, especially using bio-flocculant and microalgal strains that is self-flocculated, is one of the eco-friendly, cost-effective and efficient microalgae harvesting methods.

microalgae, flocculation, harvest, bio-flocculation, microalgal cells self-flocculation

May 20, 2014; Accepted: September 11, 2014

Xinqing Zhao. Tel: +86-411-84706319; Fax: +86-411-84706329; E-mail: xqzhao@dlut.edu.cn

Supported by:National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2011CB200905), Scientific Research Program of Jiaxing, China (No. 2013AZ21009).

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973計(jì)劃) (No. 2011CB200905)，嘉興市科技研究計(jì)劃(No. 2013AZ21009) 資助。