廖莎　薛冬　李曉姝　唐開(kāi)宇　師文靜　李瀾鵬　彭紹忠

摘????? 要： ?簡(jiǎn)要綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外微藻固定二氧化碳的研究進(jìn)展，著重討論了光照、溫度、pH和營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)微藻固碳生長(zhǎng)的影響。從光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、光的供給、混合與傳質(zhì)入手，合理設(shè)計(jì)反應(yīng)器來(lái)提高效率。探討了微藻固碳后的采集及其潛在的應(yīng)用，破解長(zhǎng)期存在于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和二氧化碳排放之間的矛盾，對(duì)微藻的應(yīng)用研究有所啟示。

關(guān)? 鍵? 詞： 二氧化碳固定;微藻生長(zhǎng);光生物反應(yīng)器;生物質(zhì)利用

中圖分類號(hào)：Q819??????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?????? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）06-1175-06

Research Progress in Carbon Dioxide Fixation by Microalgae and Its Biomass Application

LIAO Sha^*， XUE Dong， LI Xiao-shu， TANG Kai-yu， SHI Wen-jing， LI Lan-peng， PENG Shao-zhong

（Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Dalian Liaoning 116045， China）

Abstract： The research status of CO₂ fixation using microalgae was summarized. The environmental factors affecting the growth of microalgae were discussed， including light， temperature， pH and nutrition. In addition， key elements for designing suitable reactor to improve CO₂ fixation and microalgae growth were presented， including configuration， light， mixing and gas transfer. The biomass harvest and utilization after CO₂ fixation were also discussed， in order to resolve the long-standing contradiction between economic development and carbon dioxide emissions.

Key words： Carbon dioxide fixation; Microalgae growth; Photobioreactor; Biomass utilization

近幾十年來(lái)，全球變暖問(wèn)題是眾多地球環(huán)境問(wèn)題中最受關(guān)注的，因此二氧化碳（CO₂）減排成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題^[1]。常見(jiàn)的減排方法包括物化吸附法、海底儲(chǔ)存法以及生物固碳法。吸附材料（如LiOH）是典型的不可再生材料，而且需要一定的空間來(lái)封存CO₂^[2]。海底儲(chǔ)存是直接把CO₂注射到深海、地層、廢礦場(chǎng)、廢油井或鹽堿含水層的方法以及CO₂礦物碳化法。這些方法存在的主要問(wèn)題是長(zhǎng)期封存對(duì)空間要求高且CO₂容易泄漏^[3]。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看生物固碳法是一種經(jīng)濟(jì)可行且環(huán)境友好的減排技術(shù)。生物燃料在燃燒過(guò)程中所釋放的碳，進(jìn)入光合作用循環(huán)利用，整個(gè)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生額外的CO₂，可以達(dá)到營(yíng)養(yǎng)利用和能源生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。

藻類是最原始的生物之一，分布很廣，可直接利用太陽(yáng)能合成有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)提供好氧生物（包括動(dòng)物、植物及多數(shù)微生物）所必需的O₂，整個(gè)過(guò)程包括光能吸收、能量轉(zhuǎn)換、電子傳遞、ATP合成到CO₂固定，光合效率高于傳統(tǒng)生物能源作物^[4]。微藻經(jīng)光合作用后利用厭氧細(xì)菌發(fā)酵可將微藻生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷或氫氣，有的通過(guò)調(diào)控培養(yǎng)積累油脂或淀粉，進(jìn)而生產(chǎn)生物柴油或乙醇，有的可在胞內(nèi)或胞外產(chǎn)生微藻多糖，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品領(lǐng)域^[4-6]。微藻生物質(zhì)的生產(chǎn)還可偶聯(lián)電廠和污水處理設(shè)備，這樣更能推動(dòng)微藻固定CO₂和生產(chǎn)生物燃料技術(shù)的發(fā)展^[7]。

本文綜述了微藻固定CO₂技術(shù)和顯著影響微藻生長(zhǎng)和光生物反應(yīng)器的關(guān)鍵問(wèn)題，重點(diǎn)闡述了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的相關(guān)特點(diǎn)，討論了微藻固定CO₂后其生物質(zhì)加工過(guò)程中下游高價(jià)值產(chǎn)品的生產(chǎn)，為實(shí)現(xiàn)微藻的綜合利用提供一定參考。

1 ?微藻固定二氧化碳的關(guān)鍵問(wèn)題

微藻是一種在海洋和陸地分布廣泛而且種類繁多的光合微生物，可以是單細(xì)胞、鏈或群體。大多數(shù)環(huán)境相關(guān)的因素都會(huì)影響到微藻的生長(zhǎng)，包括光照、溫度、鹽度、pH、營(yíng)養(yǎng)成分、溶氧以及金屬元素^[8]。微藻的生長(zhǎng)還可能受反應(yīng)器操作條件的影響，如水力停留時(shí)間、收集率、氣體傳遞和混合設(shè)備，這些都影響到CO₂的利用率、剪切速率和光照，進(jìn)而影響微藻生長(zhǎng)^[9]

1.1 ?環(huán)境

1.1.1? 光照

光照是培養(yǎng)微藻最普遍的能量來(lái)源，也是影響微藻生長(zhǎng)的顯著因素。不同微藻對(duì)光照強(qiáng)度有不同的飽和度范圍。當(dāng)光照為唯一的限制因素時(shí)，微藻的產(chǎn)率與光照轉(zhuǎn)化效率呈正相關(guān)^[10]。同高等植物相比，微藻需要的光照強(qiáng)度低，如小球藻和柵藻培養(yǎng)時(shí)需要的飽和光照強(qiáng)度大約200 μmol·m^-2·s^-1，但隨著光照強(qiáng)度的增加到400 μmol·m^-2·s^-1，微藻活性通常也會(huì)增加^[11]。光照周期也對(duì)微藻光合效率產(chǎn)生一定的影響^[8]。

1.1.2 ?溫度

溫度是調(diào)節(jié)微藻細(xì)胞形態(tài)和生理反應(yīng)的一個(gè)主要因素，關(guān)系到微藻固碳效率。高溫通常會(huì)加速微藻的代謝速度，相反低溫則抑制微藻的生長(zhǎng)^[9]。不同的微藻其最適溫度也不同，而其他環(huán)境參數(shù)也會(huì)影響微藻生長(zhǎng)的最佳溫度，如光照^[12]。文獻(xiàn)報(bào)道多數(shù)藻種的最適培養(yǎng)溫度為15～30 ℃，溫度小于15 ℃或者超過(guò)35 ℃都會(huì)導(dǎo)致微藻生長(zhǎng)緩慢^[13]。

1.1.3 ?pH

大多數(shù)藻種適合在中性pH條件下培養(yǎng)，也有一些藻種能耐受較高pH或較低pH。有文獻(xiàn)報(bào)道Spirulina platensis耐受pH達(dá)到9，Chlorococcum littorale耐受pH達(dá)到4^[14﹣15]。CO₂、H₂CO₃、HCO₃^-和CO₃^2-相互之間存在一些化學(xué)平衡，培養(yǎng)體系中CO₂體積分?jǐn)?shù)和pH之間關(guān)系復(fù)雜。增加CO₂體積分?jǐn)?shù)可能會(huì)提高生物質(zhì)產(chǎn)率，但同時(shí)也會(huì)降低pH，可能對(duì)微藻產(chǎn)生一定的副作用。如在開(kāi)放池培養(yǎng)微藻時(shí)，由于吸收了CO₂，即使在pH=10～11下培養(yǎng)微藻也會(huì)增加產(chǎn)率;在污水中培養(yǎng)微藻時(shí)，提高pH有利于抑制污水中的病原體，但也可能抑制微藻的生長(zhǎng)。微藻光合系統(tǒng)中pH-NH₃分開(kāi)進(jìn)行電子傳遞，同時(shí)在氧化反應(yīng)中同水分子競(jìng)爭(zhēng)，在光生物反應(yīng)器中產(chǎn)生NH₃和NH₄⁺，并釋放O₂^[14]。

1.1.4 ?營(yíng)養(yǎng)

碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素是微藻細(xì)胞合成基礎(chǔ)。營(yíng)養(yǎng)成分的種類、形態(tài)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定程度上影響微藻的光合作用。

微藻中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)近50%。生物固碳就是利用高等植物或微藻光合作用吸收CO₂來(lái)完成，其中微藻固定CO₂過(guò)程相對(duì)較容易，但不同微藻對(duì)CO₂的耐受性不同^{[3， 12]}。常見(jiàn)的CO₂來(lái)自大氣、工業(yè)廢氣（如煙道氣和化工廠廢氣）及可溶性碳酸鹽（如NaHCO₃和Na₂CO₃）。大氣中所含CO₂體積分?jǐn)?shù)，一般在0.038 7%左右，還無(wú)法滿足高濃度微藻生長(zhǎng)的需求。比較典型的燃燒過(guò)程產(chǎn)生的廢氣，其中CO₂體積分?jǐn)?shù)超過(guò)15%。理論上，燃燒廢氣中的CO₂能夠滿足微藻大規(guī)模生產(chǎn)的需要，但考慮到上游CO₂氣體的分離成本，因此可以直接將電廠煙道氣通入微藻培養(yǎng)系統(tǒng)^[3，13]。

氮也是微藻生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，直接影響到微藻的初級(jí)代謝，是核酸和蛋白質(zhì)的組成元素之一^[16]。不同形式的氮源，微藻的代謝機(jī)制不同。以硝酸鹽作為微藻氮源，培養(yǎng)過(guò)程缺乏氮源時(shí)，如果間歇性地補(bǔ)充硝酸鹽可以促進(jìn)微藻的生長(zhǎng);如果持續(xù)缺氮，微藻處于環(huán)境脅迫狀態(tài)，轉(zhuǎn)而合成更多的脂類儲(chǔ)存于胞內(nèi)。Yang 等研究發(fā)現(xiàn)，萊茵衣藻經(jīng)? 4 h缺氮處理后，細(xì)胞中脂質(zhì)積累量明顯增加^[17]。

磷是微藻生長(zhǎng)所必需的第三大營(yíng)養(yǎng)元素，是構(gòu)成DNA、RNA、ATP和細(xì)胞膜的必要元素^[18]。由于微藻不能吸收利用所有的磷化合物，因此在培養(yǎng)過(guò)程提供過(guò)量的磷酸。海洋微藻通常在海水中添加工業(yè)用的硝酸鹽和磷酸鹽肥料進(jìn)行培養(yǎng)^[14]。為了提高培養(yǎng)效率，通常還會(huì)添加一些微量元素，如金屬（Fe、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu和Mb）和維生素^[16]。Wykoff研究發(fā)現(xiàn)，萊茵衣藻在磷限制4 d后，由于細(xì)胞中磷濃度降低導(dǎo)致光合磷酸化水平下降，ATP合成、卡爾文循環(huán)效率、NADPH和NADP⁺ 受到影響，從而影響PSI和PSII，最終光合放氧率降低75%^[19]。

1.2 ?反應(yīng)器

1.2.1 ?反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

光生物反應(yīng)器是光合生物生長(zhǎng)或進(jìn)行光合反應(yīng)的反應(yīng)器，如微生物、微藻及植物細(xì)胞^[20]。微藻光生物反應(yīng)器一般有兩大類，包括開(kāi)放式光生物反應(yīng)器和封閉式光生物反應(yīng)器。開(kāi)放式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便，但容易污染。封閉式光生物反應(yīng)器能夠很好地控制培養(yǎng)條件、降低污染，從而相比開(kāi)放式可以獲得更高的生物量，但成本也更高，適合高附加值微藻的培養(yǎng)。

常見(jiàn)的光生物反應(yīng)器有平板反應(yīng)器、水平管反應(yīng)器、螺旋管反應(yīng)器、垂直管反應(yīng)器和中空纖維膜反應(yīng)器等，各類光生物反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。但目前還沒(méi)有一種反應(yīng)器能有效控制所有參數(shù)，實(shí)現(xiàn)微藻生長(zhǎng)、光合效率和代謝速率的最大化，可以通過(guò)改進(jìn)光的供給和CO₂的利用、氣體傳遞及混合等幾個(gè)方面來(lái)增加產(chǎn)率^{[20﹣21﹣22]}。

1.2.2 ?光的供給

光是微藻生長(zhǎng)的基本能量來(lái)源，因此光照強(qiáng)度和利用效率對(duì)光生物反應(yīng)器非常重要。當(dāng)微藻達(dá)到高密度培養(yǎng)時(shí)，光的強(qiáng)度急劇降低。因此在設(shè)計(jì)光生物反應(yīng)器時(shí)，要充分考慮光學(xué)深度問(wèn)題，衡量光沿著路徑穿過(guò)部分透明介質(zhì)吸收或分散比例。除了利用自然光外，一般認(rèn)為光合有效輻射為43%～45%。

在高密度培養(yǎng)時(shí)，由于高細(xì)胞濃度微藻之間的相互遮擋會(huì)減弱光的吸收。為了實(shí)現(xiàn)光吸收最大和光衰減最小，設(shè)計(jì)表面積/體積比高的生物反應(yīng)器，同時(shí)縮短光線的傳輸距離。有文獻(xiàn)報(bào)道微藻在光強(qiáng)度為4 000 μmol·m^?2·s^?1時(shí)可以生長(zhǎng)較好，此時(shí)培養(yǎng)基中的光照強(qiáng)度相當(dāng)于夏天中午太陽(yáng)光的2倍^[23]。相反，如果光照強(qiáng)度超過(guò)光飽和點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生光抑制，通過(guò)縮短微藻培養(yǎng)的光暗循環(huán)周期可以抵消產(chǎn)生的抑制^[24]。

光暗比是影響微藻產(chǎn)率的一個(gè)關(guān)鍵因素，總摩爾的光量子不一定產(chǎn)生等量的微藻^[16]。如果光暗循環(huán)周期等于光合單元循環(huán)時(shí)間，光合作用效率達(dá)到最大。在連續(xù)光照培養(yǎng)時(shí)，周期性的低光照強(qiáng)度可以明顯提高CO₂同化速率、微藻生長(zhǎng)速率和胞內(nèi)代謝物產(chǎn)率。通過(guò)設(shè)計(jì)人工光源來(lái)實(shí)現(xiàn)上面類型的光供給，如雜交光源系統(tǒng)^[25]。不同的燈可以產(chǎn)生不同類型的光譜，不同藻種有不同最佳吸收光。研究顯示，在不同的輻射能和光譜下Phorphyridum cruentum的指數(shù)生長(zhǎng)速率都不同，結(jié)果表明藍(lán)光（400～500 nm）下培養(yǎng)可以促進(jìn)微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)和多糖的生產(chǎn)^[26]。目前，在人們?cè)O(shè)計(jì)使用和試驗(yàn)的反應(yīng)器中，槽面和管式光生物反應(yīng)器的捕光能力最強(qiáng)。

1.2.3 ?混合速率

混合速率是光生物反應(yīng)器是否合格的一個(gè)重要參數(shù)^[27]。混合速率過(guò)高，可能嚴(yán)重破壞細(xì)胞，還需要投入更多的能量;混合速率過(guò)低，抑制氣相傳質(zhì)，容易產(chǎn)生沉淀。不良的混合都可能會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)停滯區(qū)，區(qū)域內(nèi)光合效率低而且營(yíng)養(yǎng)利用不充分，一方面造成缺氧的環(huán)境，導(dǎo)致產(chǎn)率下降;另一方面停滯區(qū)內(nèi)積累有毒化合物，對(duì)培養(yǎng)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生影響。光生物反應(yīng)器最常用混合方式見(jiàn)表2。

1.2.4 ?氣體傳遞

微藻培養(yǎng)過(guò)程中，向生物反應(yīng)器內(nèi)通入氣體，提供CO₂、NO_x或SO_x等其他氣體，其目的是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部均勻混合，避免營(yíng)養(yǎng)成分不均產(chǎn)生的細(xì)胞濃度梯度。通過(guò)CO₂的溶解調(diào)控pH值，避免細(xì)胞濃度梯度;提高所有高密度培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞的曝光率，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞自我遮擋，達(dá)到光毒性最小;除去積累的溶解氧，降低對(duì)微藻的毒害^[30﹣31]。因此，光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，就是CO₂的有效吸收和光合作用產(chǎn)生的氧累積。

有效的氣體傳遞設(shè)備有機(jī)械系統(tǒng)、粗細(xì)氣泡擴(kuò)散器、U形管等，常用的通氣方法是利用鼓泡分散器將富含CO₂空氣的氣泡從光生物反應(yīng)器底部通入，其總傳遞效率可以達(dá)到13%～20%^[32]。此外，微藻光合作用運(yùn)輸CO₂，混合過(guò)程會(huì)促進(jìn)CO₂和H⁺、OH^-、H₂O和NH₃之間的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響CO₂的吸收速率。這是一個(gè)是可逆反應(yīng)，因此在光生物反應(yīng)器中必須通過(guò)調(diào)控pH值來(lái)控制CO₂傳遞。常見(jiàn)的pH值控制系統(tǒng)是當(dāng)培養(yǎng)過(guò)程pH值超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)注入CO₂。此時(shí)，CO₂既充當(dāng)關(guān)鍵的營(yíng)養(yǎng)成分，也起到緩沖作用。同其他生物反應(yīng)器相比，這也增加了光生物反應(yīng)器的復(fù)雜性。

光合作用速率通常影響到CO₂傳遞速率，尤其是光合作用速率較快時(shí)。通過(guò)脫氣裝置或者設(shè)置氣體交換單元，保證最小的氣泡也能從液相分離出來(lái)，釋放出溶解氧，實(shí)現(xiàn)氣、液相有效分離^[33]。如在管式光生物反應(yīng)器中，管與管之間可以連接一個(gè)排氧管或一組平行管：下層管用來(lái)通空氣培養(yǎng)微藻，上層管作為脫氣器。

2? 固定二氧化碳微藻生物質(zhì)的應(yīng)用

2. 1 ?微藻的采集

在連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中，微藻的采集十分重要。目前微藻采集面臨兩個(gè)主要難題，一是微藻細(xì)胞較小，二是微藻生物量相對(duì)較低。微藻生物質(zhì)的采集占整個(gè)過(guò)程成本的20%～30%^[10]，由此開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)可行的采集方式是微藻培養(yǎng)的核心問(wèn)題。微藻的種類、培養(yǎng)環(huán)境以及細(xì)胞濃度都極大影響了采集方法?，F(xiàn)有微藻采集的主要方法有離心、絮凝、過(guò)濾、泡沫分離和浮集法等，也有研究團(tuán)隊(duì)提出采用微藻細(xì)胞固定化技術(shù)來(lái)采集微藻，但尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用^[10]。近年來(lái)關(guān)注較多的薄膜過(guò)濾方法可能在微藻采集方面有很好的應(yīng)用前景。

脫水處理式微藻產(chǎn)業(yè)面臨的又一挑戰(zhàn)。微藻經(jīng)過(guò)離心或過(guò)濾得到藻泥，其中含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到90%，可用來(lái)厭氧消化。如果要用于提取油脂，要求微藻的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能超過(guò)50%^[34]。常用干燥法可以用于微藻脫水，但能耗大、成本高。陽(yáng)光干燥法簡(jiǎn)單方便且成本低廉，成為脫水的首選方法，但是工業(yè)生產(chǎn)存在占地面積大的問(wèn)題。利用電廠廢熱進(jìn)行微藻脫水，可能是更有效的方法^[34]。

2.2 ?微藻的利用

微藻經(jīng)光合作用生成各種生物質(zhì)，是理想的細(xì)胞工廠，如圖1。

微藻經(jīng)光合作用，可將CO₂轉(zhuǎn)化成淀粉、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、蝦青素及維生素等生物質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、能源等行業(yè)^[35﹣36]。如近期在我國(guó)爆發(fā)的新型冠狀病毒，患者肺部受到劇烈的炎癥反應(yīng)，研究表明雨生紅球藻富含蝦青素，蝦青素具有一定抗急性炎癥的作用^[37]。

目前對(duì)微藻應(yīng)用研究較多且更具工業(yè)化前景的是生產(chǎn)生物能源產(chǎn)品。1939年，Gaffron發(fā)現(xiàn)厭氧條件下Scenedesmus obliquus有氫氣代謝相關(guān)的活動(dòng)，科學(xué)家們陸續(xù)開(kāi)展了綠藻產(chǎn)氫方面的研究^[38]。1957年，Oswald 提出利用微藻處理污水的理念，此后微藻處理污水技術(shù)開(kāi)始發(fā)展^[39]。1960年，科學(xué)家們第一次提出利用微藻發(fā)酵生產(chǎn)甲烷并得到驗(yàn)證，提出將能源生產(chǎn)同污水處理耦聯(lián)，利用微藻進(jìn)行厭氧消化，或同城市污泥聯(lián)合發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，或生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電，或微藻生產(chǎn)的沼氣發(fā)電^[40]。1976年，有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)利用微藻作為原料生產(chǎn)乙醇進(jìn)行研究，一方面研究微藻經(jīng)光合作用積累胞內(nèi)淀粉，經(jīng)酵母發(fā)酵生成乙醇;還有的研究微藻直接黑暗厭氧發(fā)酵生成乙醇^[4]。2006年，微藻生物柴油成為研究熱點(diǎn)，微藻培養(yǎng)后提取微藻油脂，然后同短鏈酯化生產(chǎn)柴油^[41]。近年來(lái)也有一些研究其他替代能源產(chǎn)品或耦聯(lián)其他工藝提高微藻產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。Lan等將5個(gè)關(guān)鍵的異源酶基因共整合到聚球藻PCC 7942基因組中， 實(shí)現(xiàn)了第一代自養(yǎng)型改造菌株的1-丁醇的表達(dá)^[42]。Lindberg等通過(guò)敲除集胞藻 PCC6803控制鯊烯（航空燃料的潛在原料）轉(zhuǎn)化的slr2089（Shc）基因，實(shí)現(xiàn)鯊烯細(xì)胞內(nèi)的積累量超過(guò)野生型70倍^[43]。JENA等研究熱解微藻生物質(zhì)生成焦油和焦炭^[44]。微藻培養(yǎng)耦聯(lián)廢水廢氣治理提高微藻的附加值，在含鹽水池培養(yǎng)微藻后用于發(fā)電和生產(chǎn)生物柴油;同煤一起燃燒;利用電廠排出的CO₂培養(yǎng)微藻然后提取油脂;微藻厭氧消化制沼氣等^[45-48]。

3 ?總結(jié)與展望

同傳統(tǒng)能源作物相比，微藻具有生長(zhǎng)速度快和固定CO₂效率高等優(yōu)勢(shì)，微藻生物質(zhì)還可以用作動(dòng)物和人類的食品添加劑或植物肥料，可以生產(chǎn)生物燃料或生物基化學(xué)品，同時(shí)有潛力減少溫室氣體和處理污水，微藻固碳技術(shù)仍然是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)。但是，目前利用微藻固定CO₂仍然存在很多挑戰(zhàn)。

1）高效的光生物反應(yīng)器。目前大多數(shù)研究還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，且關(guān)注封閉式反應(yīng)器較多，對(duì)大規(guī)模反應(yīng)器可行性的了解很少。應(yīng)該加強(qiáng)大規(guī)模高效開(kāi)放式反應(yīng)器的研制，提高CO₂吸收率和微藻產(chǎn)率。

2）CO₂的固定。隨著CO₂體積分?jǐn)?shù)的增加（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了空氣中的標(biāo)準(zhǔn)濃度），需要提高微藻生長(zhǎng)代謝效率、CO₂固定效率。擴(kuò)寬CO₂的來(lái)源，提高微藻對(duì)不同來(lái)源CO₂的適應(yīng)性，加強(qiáng)對(duì)固碳機(jī)理的研究等方面需要加強(qiáng)。建議通過(guò)基因工程手段，選育固碳效率高的藻種。

（3）微藻的高密度培養(yǎng)和采集。由于微藻培養(yǎng)細(xì)胞以及生物量水平相對(duì)較低，因此在微藻收獲及下游應(yīng)用過(guò)程需要消耗大量能量，也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。開(kāi)放式培養(yǎng)獲得高密度的微藻仍然是一項(xiàng)關(guān)鍵的工作?？梢越Y(jié)合耦聯(lián)富含N和P的污水來(lái)培養(yǎng)微藻，需要確定的是利用污水培養(yǎng)微藻生物質(zhì)是否還會(huì)再向環(huán)境排放大量污水，或是否可以重復(fù)利用污水。微藻的收獲未來(lái)可多關(guān)注微藻細(xì)胞自絮凝方面的研究。

總的來(lái)說(shuō)，將微藻同廢氣、廢水治理耦聯(lián)下游應(yīng)用集成一體化，可提高微藻產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張哲.中國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題思考[J].科技創(chuàng)新.2016（22）：75.

[2]KROUMOV A D， MODENES A N， ?TRIGUEROS D E G， et al. A systems approach for CO₂ fixation from flue gas by microalgae：Theory review [J]. Process Biochemistry，2016， 51 （11）：1817–1832.

[3]K S. LACKNER. Climate change： aguide to CO₂ sequestration [J]. Science， 2003， 300：1677–1678

[4]廖莎.利用富含淀粉的亞心型四爿藻生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2011.

[5]HAIDUC A G， BRANDENBERGER M， SUQUET S， et al. SunCHem： an integrated process for the hydrothermal production of methane from microalgae and CO₂ mitigation [J]. J. Appl. Phycol.，2009. 21： 529–541.

[6]范道春，張紅兵，劉壘.富油脂微藻育種技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 微生物學(xué)雜志，2019（1）：115-121.

[7]尚海，薛林貴，馬萍，等. 微藻降解廢水污染物的研究進(jìn)展 [J].微生物學(xué)雜志，2018，38（3）：114-121.

[8]CHEN C Y， YEH K L， AISYAH R， et al. Cultivation， photobioreactor design and harvesting of microalgae for biodiesel production： A critical review [J]. Bioresource Technology，2011， 102 （1）：71-81.

[9]MUNOZ R， GUIEYSSE B. Algal-bacterial processes for the treatment of hazardous contaminants： a review [J]. Water Research，2006， 40 （15）： 2799-2815.

[10]ANDERS S C， JAN B V B， PALF M， et al. Micro and micro-algae： utility for industrial applications [D]. University of York， 2007.

[11]LUCIELEN O S， KRICELLE M D， BRUNO C M， et al. Magnetic treatment of microalgae for enhanced product formation [J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology，2017， 33： 169.

[12]BHOLA V， SWALAHA F， RANJITH K R， et al. Overview of the potential of microalgae for CO₂ sequestration [J]. International Journal of Environmental Science and Technology， 2014， 11 （7）： 2103–2118.

[13]ZHOU， G J， YING， G G， LIU， S， et al. Simultaneous removal of inorganic and organic compounds in wastewater by freshwater green microalgae [J].Environmental Science： Processes & Impacts， 2014， 16 （8）： 2018-2027.

[14]HU Q， YAIR Z， AMOS R. Combined effects of light intensity， light-path and culture density on output rate of Spirulina platensis （Cyanobacteria） [J]. European Journal of Phycology， 33 （2）， 165–171.

[15]KODAMA N， IKEMOTO H， MIAYCHI S. A new species of highly CO₂- tolerant fast-growing marine microalga suitable for high-density culture [J]. Journal of Marine Biotechnology， 1993， 1 （1）： 21-25.

[16]鄧祥元.應(yīng)用微藻生物學(xué)[M]. 北京：海洋出版社，2016.

[17]YANG M，MENG Y，CHU Y，et al.Triacylglycerol accumulates exclusively outside the chloroplast in short-term nitrogen-deprived Chlamydom- onas reinhardtii [J]. Biochimic et Biophysica Acta， 2018， 1863（12）： 1478-1487.

[18]KUMAR A， YUAN X ， SAHU A K， et al. Hollow fiber membrane photo-bioreactor for CO₂ sequestration from combustion gas coupled with wastewater treatment： a process engineering approach [J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology，2009， 85： 387-394.

[19]WYKOFF D D， DAVIES J P， MELIS A， et al. The regulation of Photosynthetic Electron Transport during Nutrient Deprivation in Chlamydomonas reinhardti [J]. Plant Physiol， 1998， 117： 129-139.

[20]XOJO E O， AUT H， BAGANZ F，et al. Design and arallelization of a miniature photobioreactor platform for microalgal culture evaluation and optimization [J].Biochemical Engineering Journal， 2015， 103： 93-102.

[21]SATO T， USUI S， TSUCHIYA Y， et al. Invention of outdoor closed type photobioreactor for microalgae [J].Energy Conversion and Management， 2006， 47 （6）：791-799.

[22]P?ACZEK M， PATYNA A， WITCZAK S. Technical evaluation of photobioreactors for microalgae cultivation[J]. E3S Web of Conferences， 2017， 19： 20-32.

[23]BARBOSA M J， ALBRECHT M， WIJFFELS R H. Hydrodynamic stress and lethal events in sparged microalgae culture [J].Biotechnology and Bioengineering，2003， 83： 112–120.

[24]PULZ O. Photobioreactors： production systems for phototrophic microorganisms [J]. Applied Microbiology & Biotechnology，2001， 57： 287-293.

[25]MUHS， J. Design and analysis of hybrid solar lighting and fullspectrum solar energy systems [C]∥Proceedings of the International Solar Energy Conference， Solar Engineering， 2000.

[26]HANAGATA N. Tolerance of microalgae to high CO₂ and high temperature [J]. Phytochemictry，1992， 31： 3345-3348.

[27]康少鋒.基于CFD的平板式光生物反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海：華東理工大學(xué)，2012.

[28]WANG B， LAN C Q， HORSMAN M.?Closed photobioreactors for production of microalgal biomasses [J]. Biotechnology Advances， 2012， 30 （4）： 904-912.

[29]AMOS R， ZHANG C W. Optimization of a flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. Outdoors [J].Journal of Biotechnology，2001. 85： 259–269.

[30]PULZ O. Photobioreactors： production systems for phototrophic microorganisms [J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2001， 57： 287-293.

[31]UGWU C， AOYAGI H， UCHIYAMA H. Photobioreactors for mass cultivation of algae [J]. Bioresource technology， 2008， 99 （10）： 4021-4028.

[32]CARVALHO A P， MEIRELES L A， MALCATA F X， et al. Microalgal reactors： a review of enclosed systems design and performances [J]. Biotechnology Progress，2006. 22 （6）： 1490–1506.