毛煒煒，張 磊，尹慶蓉，李鵬程，胡 氈，宋春風(fēng)

(1.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.一汽豐田汽車(chē)有限公司，天津 300350)

0 引 言

CO2排放量急劇上升導(dǎo)致全球氣候變暖，成為人類(lèi)迄今為止面臨的最嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)之一[1]。2022年3月國(guó)際能源署(IEA)發(fā)表的最新報(bào)告顯示，截至2021年，全球CO2排放量已增至363億t，達(dá)到歷史最高水平[2]。大氣中CO2濃度增加引起地表溫度持續(xù)升高，對(duì)自然環(huán)境造成不良影響，如海平面上升、冰川融化等，這些變化導(dǎo)致極端天氣事件發(fā)生、生物物種變化[3]。如何實(shí)現(xiàn)CO2減排已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。

CO2捕集利用與封存技術(shù)(CCUS)作為一種重要的溫室氣體減排技術(shù)，是我國(guó)構(gòu)建生態(tài)文明和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)至關(guān)重要[4]。目前已有多種碳捕獲方法，如化學(xué)吸收、吸附、膜分離、微藻固碳法等。從可持續(xù)發(fā)展角度來(lái)看，微藻介導(dǎo)的CCUS技術(shù)由于能吸收CO2并將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能源，已成為現(xiàn)階段資源化利用CO2和開(kāi)發(fā)新能源的熱門(mén)課題[5-6]。與此同時(shí)，利用微藻固碳作為一種經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)保、可持續(xù)的固碳技術(shù)，應(yīng)用潛力巨大[7]。

微藻由真核微藻(如硅藻、綠藻等)和原核微藻(如藍(lán)藻等)組成，可以利用太陽(yáng)能，通過(guò)光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)、淀粉、脂類(lèi)等生物質(zhì)。與傳統(tǒng)的碳捕獲方法相比，微藻固碳主要有以下優(yōu)勢(shì)：① 能直接利用太陽(yáng)能，相比于物理和化學(xué)法，節(jié)省大量能源。② 微藻固碳過(guò)程環(huán)境友好，代謝物中無(wú)二次污染物。③ 微藻生長(zhǎng)周期短(4～10 d)，光合效率高，是一般陸生植物的10～50倍[8]。④ 微藻是水生生物，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在沿海泥灘、鹽堿地和沙漠中栽培，不與陸生植物爭(zhēng)奪土壤。我國(guó)擁有廣闊的海洋和泥灘等可培養(yǎng)微藻進(jìn)行資源化利用，不但能減少大氣中CO2，還能帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[9]。⑤ 微藻生物質(zhì)中50%左右都是碳，其生長(zhǎng)可消耗大量CO2，實(shí)現(xiàn)固定和轉(zhuǎn)化發(fā)電廠(chǎng)或其他工業(yè)廢氣中CO2的目的[10]。且城市廢水和工農(nóng)業(yè)廢水可作為培養(yǎng)微藻的營(yíng)養(yǎng)源，降低成本[11-12]。⑥ 微藻生物質(zhì)含有豐富的脂類(lèi)和碳水化合物等成分，可生產(chǎn)高附加值生物質(zhì)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品可用于制備食品、動(dòng)物和水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料、化妝品、藥品、肥料、保健品、具有特殊用途的生物活性物質(zhì)和生物燃料(包括生物柴油、生物氫、染料油、乙醇等)[13]。而其轉(zhuǎn)化制備的生物燃料被認(rèn)為是極具潛力替代石油的生物質(zhì)資源之一[14]。

微藻捕獲CO2的效率主要取決于微藻種類(lèi)、培養(yǎng)系統(tǒng)和生長(zhǎng)條件(CO2濃度、培養(yǎng)基、pH、溫度、光照強(qiáng)度、溶解氧)。常用于捕獲CO2的微藻種類(lèi)包括螺旋藻、小球藻、柵藻、葡萄藻、裸藻、綠球藻等。研究表明，在高濃度CO2條件下養(yǎng)殖微藻，會(huì)大幅提高微藻的固碳效率和生物質(zhì)產(chǎn)量，還會(huì)增加脂類(lèi)積累。RODAS-ZULUAGA等[15]發(fā)現(xiàn)隨CO2體積分?jǐn)?shù)增加(0.03%～20.00%)，Scenedesmussp.的生物量和蛋白質(zhì)隨之增加。光是微藻生長(zhǎng)和代謝的基本條件之一，為光合作用和一系列生理反應(yīng)提供動(dòng)力，然而微藻的光合作用效率并不隨光強(qiáng)度或光照時(shí)間的增加而增加。通過(guò)控制適當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)度和照射時(shí)間，可提高微藻細(xì)胞的光利用效率，如12 h∶12 h或18 h∶6 h的光照-黑暗時(shí)間。培養(yǎng)基應(yīng)有足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)提供微藻生長(zhǎng)，C、N、P和S是微藻細(xì)胞的重要成分。此外，培養(yǎng)基成分不同會(huì)使微藻產(chǎn)生不同的目標(biāo)產(chǎn)物，可通過(guò)改變微藻培養(yǎng)條件的手段調(diào)控。

2050年能源科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略已明確將微藻固碳和能源利用作為中國(guó)的潛在發(fā)展方向，但利用微藻對(duì)CO2進(jìn)行捕獲仍面臨一些挑戰(zhàn)。筆者從影響微藻光合作用效率的主要因素出發(fā)，介紹了微藻的光合作用和固碳機(jī)理，回顧微藻固碳的研究現(xiàn)狀并探討了其研究制約因素，總結(jié)提高微藻光合效率的策略，包括誘變、馴化、基因工程以及納米材料的干預(yù)等，最后，對(duì)未來(lái)微藻固碳領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 微藻光合作用固碳

1.1 光合作用

微藻光合作用利用光能將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物同時(shí)釋放分子氧，是微藻固定和儲(chǔ)存CO2的基礎(chǔ)[16]。研究表明，微藻的光合效率高達(dá)12%，是固定CO2的首選[17]。除固碳外，微藻還能合成不同生物分子，如蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)等[18]。通常，光合作用的整體反應(yīng)用式(1)描述：

(1)

真核微藻的光合作用發(fā)生在葉綠體中，但原核微藻藍(lán)藻發(fā)生在類(lèi)囊體中，這是因?yàn)樵松镏腥狈θ~綠體細(xì)胞器[19]。光捕獲天線(xiàn)復(fù)合物由光捕獲色素組成，在光合作用過(guò)程中具有多種功能，其捕獲光能并轉(zhuǎn)移到光合反應(yīng)中心以觸發(fā)有氧光合作用[20]。這些天線(xiàn)系統(tǒng)將吸收的光子能量傳遞給葉綠素分子，并以葉綠素形式保存能量，從而為光合作用提供動(dòng)力[21]。微藻細(xì)胞中的光合作用分2個(gè)階段進(jìn)行：光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段。光合作用的第1階段光反應(yīng)由光驅(qū)動(dòng)，利用光能將氧化態(tài)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)和二磷酸腺苷(ADP)轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存能量的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和三磷酸腺苷(ATP)分子[22]。第2階段暗反應(yīng)不需光參與，且與第1階段光反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，微藻細(xì)胞不斷消耗光反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的NADPH和ATP固定大氣中CO2并形成碳水化合物[22]。

光合作用的核心是2個(gè)主要的光活性復(fù)合物(光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII))，通過(guò)激發(fā)的葉綠素二聚體將陽(yáng)光轉(zhuǎn)移到電子傳輸鏈中。通過(guò)激發(fā)葉綠素P680驅(qū)動(dòng)電子傳遞二聚體進(jìn)入PSI。此外，PSI通過(guò)葉綠素P700轉(zhuǎn)移從PSII接受的電子，葉綠素從光激發(fā)的天線(xiàn)葉綠素氧化成強(qiáng)烈還原的NADPH[23]。同時(shí)，可通過(guò)光磷酸化過(guò)程中形成ATP儲(chǔ)存光反應(yīng)收集的能量，每對(duì)通過(guò)光合電子傳遞鏈的電子可形成1.3個(gè)ATP分子[24]。

暗反應(yīng)中，藻類(lèi)通過(guò)卡爾文循環(huán)(圖1)固定CO2，其中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)在CO2固定中發(fā)揮關(guān)鍵作用[25]。Rubisco是雙功能酶，具有催化2種不同反應(yīng)的能力。① 羧化反應(yīng)中，利用CO2和核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)形成2個(gè)分子的3-磷酸甘油酸(3-PGA)。3-PGA被用于卡爾文循環(huán)中RuBP再生，并為微藻進(jìn)一步碳代謝提供受體。3-PGA通過(guò)微藻中1,7-二磷酸景天庚酮糖蛋白(SBPase蛋白)調(diào)控。② Rubisco可作為加氧酶引起光呼吸，此時(shí)Rubisco利用O2和RuBP產(chǎn)生2-磷酸乙醇酸酯(2-PGA)和3-PGA。2-PGA進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙醇酸鹽。后者通過(guò)C2循環(huán)、甘油酸途徑或通過(guò)脫羧作用代謝[26]。

圖1 卡爾文循環(huán)反應(yīng)Fig.1 Reactions during the Calvin cycle

1.2 微藻中無(wú)機(jī)碳的跨膜形式

1.3 微藻種類(lèi)的影響

微藻種類(lèi)直接影響CO2固定和生物質(zhì)產(chǎn)量。典型微藻種類(lèi)對(duì)生物質(zhì)產(chǎn)量和最大CO2固定率參數(shù)的影響以及最佳CO2濃度見(jiàn)表1。

表1 不同種類(lèi)下微藻生物質(zhì)產(chǎn)量和最大CO2固定率Table 1 Microalgal biomass yield and maximum CO2 fixation rates under different species

CO2固定和生物質(zhì)生產(chǎn)性能因微藻種類(lèi)而異，但由于微藻具有不同的生物學(xué)性能并在不同條件下培養(yǎng)，因此數(shù)據(jù)可能不具有嚴(yán)格的可比性。然而，與其他物種相比，觀(guān)察到小球藻性能更好，生長(zhǎng)速度快、更耐受惡劣環(huán)境。其生物質(zhì)產(chǎn)量和CO2固定率分別高達(dá)10.02 g/L和2.22 g/(L·d)[40]。

微藻-CO2生物固定和生物質(zhì)生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。實(shí)現(xiàn)高CO2固定率和生物質(zhì)產(chǎn)量的最佳范圍或最佳值因微藻物種不同而存在差異。有必要開(kāi)發(fā)高性能物種，在更復(fù)雜和惡劣的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)微藻CO2固定和生物質(zhì)生產(chǎn)最大化。因此，選擇、分離和培養(yǎng)生長(zhǎng)速度快、光合速率高、環(huán)境耐受/適應(yīng)性強(qiáng)、脂質(zhì)含量高的微藻物種將是未來(lái)研究方向[27]。

2 微藻光合效率提高策略

2.1 隨機(jī)誘變

2.1.1 化學(xué)誘變

化學(xué)誘變是突變育種領(lǐng)域一種高效易行的技術(shù)，通過(guò)化學(xué)誘變劑處理生物細(xì)胞，以誘發(fā)基因突變產(chǎn)生遺傳性狀的改變。根據(jù)育種目標(biāo)對(duì)產(chǎn)生的突變體進(jìn)行篩選培育，最終得到具有理想特征的新品種，如高CO2固定率、高脂質(zhì)含量、強(qiáng)耐酸性等，具有很高專(zhuān)一性。目前最廣泛使用的化學(xué)誘變劑包括甲基磺酸乙酯(EMS)和亞硝基胍(NTG)[53-54]。

KAO等[55]使用EMS誘導(dǎo)小球藻得到MM-2突變體。MM-2在生物量質(zhì)量濃度為1.2 g/L時(shí)，對(duì)脫硫沼氣(～20% CO2、～70% CH4和H2S體積分?jǐn)?shù)<100×10-6)的CO2捕獲效率在陰天約為70%，晴天為80%。研究發(fā)現(xiàn)，采用EMS誘變還可增加微藻的生物質(zhì)產(chǎn)量和脂質(zhì)積累。TANADUL等[56]使用EMS誘導(dǎo)小球藻，通過(guò)除草劑篩選出突變體，相比于野生型，其最高生物質(zhì)產(chǎn)量和脂類(lèi)產(chǎn)量分別提高了110%和53%。

NTG是另一種常見(jiàn)的化學(xué)誘變劑，LEE等[57]使用N-甲-N′-硝基-N-亞硝基胍進(jìn)行誘變，成功獲得了一種具有耐高溫的小球藻GD突變體。該突變體在室外高溫條件下具有較高的光合作用效率和生物質(zhì)產(chǎn)量，是大規(guī)模生產(chǎn)乳酸的有效發(fā)酵原料。KUO等[58]通過(guò)NTG誘變法篩選了一種耐堿的小球藻突變體AT1，結(jié)果表明，通過(guò)10% CO2的間歇性通氣和堿性培養(yǎng)基(pH=10)作為耐堿微藻培養(yǎng)的CO2捕獲策略，可以明顯提高小球藻突變體AT1的CO2利用效率。

化學(xué)誘變可產(chǎn)生高頻率的點(diǎn)突變，染色體畸變率相對(duì)較低，有利于選擇特定的育種方向[59]。但化學(xué)試劑對(duì)微藻的毒性較大，也存在突變頻率低等問(wèn)題，且使用過(guò)程中有一定毒害性。

2.1.2 紫外線(xiàn)誘變

紫外線(xiàn)誘變控制靈活、操作方便，被廣泛應(yīng)用于包括藻類(lèi)在內(nèi)的各種生物體的誘變[60]。紫外線(xiàn)輻射能誘導(dǎo)DNA中嘧啶二聚體的形成，包括轉(zhuǎn)變、顛換、移碼突變或缺失，從而引起生物體突變[61]。

通過(guò)紫外誘變得到的誘變?cè)逯晔荂O2固定和生產(chǎn)生物燃料的候選藻種，有助于減少全球變暖和緩解能源短缺。LI等[62]利用紫外線(xiàn)誘變技術(shù)能耐受高濃度CO2的高效微藻S.obliquusWUST4，并利用其開(kāi)發(fā)的中試規(guī)模系統(tǒng)從實(shí)際煙氣中捕獲CO2，CO2去除率可達(dá)67%。LIU等[60]利用紫外誘變產(chǎn)生小球藻突變體，相比于野生型，其生物量和脂質(zhì)均有不同程度增加，生長(zhǎng)速率更高。

QI等[63]結(jié)合96孔微孔板-紫外誘變技術(shù)，篩選出一種斜柵藻突變體SDEC-1M。連續(xù)培養(yǎng)后，該突變體表現(xiàn)出高CO2耐受性和高生物質(zhì)產(chǎn)量。此外，高光轉(zhuǎn)換效率和高碳水化合物含量說(shuō)明其能將光有效轉(zhuǎn)化為生物乙醇原料。這個(gè)創(chuàng)新方法使每個(gè)細(xì)胞在96孔微孔板的孔中分離誘變，保護(hù)了分離藻株純度，避免了巨大的工作量和感染風(fēng)險(xiǎn)。

紫外線(xiàn)輻射引起的突變?yōu)榉嵌ㄏ?，但可靈活控制使微藻發(fā)生突變[64]，不需獲取微藻的遺傳信息。與基因工程相比更易操作；與化學(xué)方法相比，紫外誘變可避免二次污染。由于紫外線(xiàn)突變對(duì)生物體有顯著生物學(xué)效應(yīng)，如具有更好的固碳性、脂質(zhì)、蝦青素等，可獲得更高收益[60]。

2.1.3 核誘變

核誘變能通過(guò)電離作用改變DNA分子結(jié)構(gòu)，直接導(dǎo)致堿基、脫氧核糖、糖-磷酸連接處的化學(xué)鍵斷裂；且在電離的同時(shí)與細(xì)胞中分子，特別是與水分子相互作用，產(chǎn)生大量自由基破壞DNA結(jié)構(gòu)引起基因突變或重組，從而改變物種的遺傳性狀[65]。AGARWAL等[66]發(fā)現(xiàn)γ射線(xiàn)能在一定程度上刺激Rubisco酶的活性，促進(jìn)了卡爾文循環(huán)中C3化合物的合成，從而提高CO2捕獲效率。

60Co和137Cs是最常用于核誘變的輻射源。ZHU等[67]用60Co的γ輻照獲得了耐酚且生長(zhǎng)迅速的A.platensis突變體，突變體的苯酚降解效率和CO2固定率相比野生型分別提高了34.7%和22.4%。CHENG等[68]采用60Co的γ射線(xiàn)照射螺旋藻以提高CO2固定率和生物質(zhì)產(chǎn)量，其得到的突變體生物量相比于野生型增加了310%，認(rèn)為CO2固定率的提高是由于螺旋藻突變體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化[68]。突變體的細(xì)胞壁孔徑增加，這一特性降低了孔阻力，直接促進(jìn)CO2向細(xì)胞中擴(kuò)散[68]。此外，CHENG等[69]通過(guò)γ射線(xiàn)對(duì)菱形藻Nitzschiasp.進(jìn)行了2輪誘變，發(fā)現(xiàn)突變體快速生長(zhǎng)，培養(yǎng)周期由15 d縮短至12 d。LU等[70]應(yīng)用137Cs射線(xiàn)照射小球藻，得到的突變體MS700吸收溶解無(wú)機(jī)碳能力和析氧速率比野生型分別高出27.7%和31.4%。突變體的生物質(zhì)產(chǎn)量和固碳效率大幅提高，其可能原因是基于葉綠素的閃氧產(chǎn)率升高，故質(zhì)體醌庫(kù)中有更多的可用電子受體，光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率更高[70]。

2.2 適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化

適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化(ALE)即馴化，是一種改善微藻菌株特性的有力工具，用于在環(huán)境壓力下(如高CO2濃度、高鹽度、高溫等)培養(yǎng)微藻，以獲得具有理想表型的微生物進(jìn)化[71]。借助壓力馴化，培養(yǎng)物中大量微生物可通過(guò)多周期培養(yǎng)直接在多種基因中平行積累非直觀(guān)的有益突變[72]。工業(yè)煙氣的主要成分是CO2，同時(shí)還包含NOx、SOx、PM2.5、重金屬Hg等多種殘留物。YE等[73]采用生命周期法綜合評(píng)價(jià)了微藻固定燃煤電廠(chǎng)和煤化工煙氣CO2技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換特性和環(huán)境影響。結(jié)果表明，微藻生長(zhǎng)速率變化對(duì)能源消耗和凈CO2排放影響最大。因此更多學(xué)者采用馴化微藻提高其在煙氣條件下的生長(zhǎng)速率和耐受性[59]。

ALE是提高小球藻對(duì)高CO2耐受性的有效途徑[74]。為獲得高CO2耐受性且具有高CO2固定能力的微藻菌株，LI等[74]在10%和20%的CO2條件下進(jìn)行了31個(gè)周期的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化，分別獲得了2個(gè)進(jìn)化的小球藻AE10和AE20，均能在30%的CO2下快速生長(zhǎng)，且最大生物量濃度和葉綠素含量明顯高于原始藻株。WANG等[10]對(duì)海洋微擬球藻CCMP1779進(jìn)行了CO2逐步梯度馴化，在15%的CO2下，馴化后的微藻生物量提高了22.7倍，同時(shí)研究了CO2梯度馴化改善微藻特性的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)微藻的功能選擇性多靶點(diǎn)基因突變由CO2梯度馴化過(guò)程引起，從而使光合作用、碳固定和細(xì)胞合成能力提高[10]。

除了高濃度CO2，煙氣中其他雜質(zhì)也會(huì)抑制微藻生長(zhǎng)。ASLAM等[75]研究證明了混合微藻群落可逐漸在燃煤產(chǎn)生的100%未經(jīng)過(guò)濾煙氣中(含11%CO2)生長(zhǎng)。然而，由于適應(yīng)高濃度SOx和NOx需較長(zhǎng)時(shí)間，只有添加更高濃度的磷酸鹽緩沖劑確保pH才能維持生長(zhǎng)。為進(jìn)一步研究雜質(zhì)對(duì)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化的影響，CHENG等[76]通過(guò)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化(46個(gè)周期)獲得了一株新的小球藻Cv。證實(shí)了該小球藻能在模擬煙氣(10% CO2、200×10-6NOx和100×10-6SOx)條件下適應(yīng)生長(zhǎng)，最大CO2固定率為1.2 g/(L·d)[76]。

CO2梯度馴化是工業(yè)上培養(yǎng)各種高CO2耐受微藻的理想方法。經(jīng)過(guò)馴化的微藻既能快速生長(zhǎng)，又能提高固定CO2的能力。但煙氣中存在的SOx和NOx抑制微藻的CO2固定過(guò)程，故能在微藻生長(zhǎng)過(guò)程中保持穩(wěn)定pH，這對(duì)于利用微藻處理高濃度SOx和NOx的煙氣至關(guān)重要[77]。

2.3 基因工程

近10 a來(lái)，微藻基因組學(xué)的重大進(jìn)展為基因工程提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[78]。一些微藻的細(xì)胞器基因組已被測(cè)序，并且證明了微藻基因型和表型之間的內(nèi)在關(guān)系[79-80]。由于基因編輯技術(shù)不斷發(fā)展，基因組可根據(jù)需要進(jìn)行精確編輯。微藻基因工程有利于改善微藻的光合作用和生物量積累，從而提高CO2捕獲率[78]。最大化光合作用效率是目前開(kāi)發(fā)和利用生物能源的最大挑戰(zhàn)之一。

光合作用涉及光吸收、能量轉(zhuǎn)換和碳轉(zhuǎn)移等，是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[72,81]。改善光合作用對(duì)于提高生物質(zhì)生產(chǎn)力和CO2封存效率至關(guān)重要。改善微藻光合作用效率的3個(gè)主要潛在目標(biāo)點(diǎn)為：① 提高參與CO2固定的酶效率[82]；② 改變能量收集復(fù)合物[83]；③ 增加CO2同化以減少CO2和能量損失[79,84-85]。

2.3.1 CO2固定中關(guān)鍵酶改進(jìn)

參與CO2固定途徑的關(guān)鍵酶表達(dá)調(diào)控是提高CO2固定效率的關(guān)鍵手段之一。CO2固定涉及2個(gè)關(guān)鍵途徑：卡爾文循環(huán)(將無(wú)機(jī)碳固定在有機(jī)碳上)和CCM(促進(jìn)無(wú)機(jī)碳向卡爾文循環(huán)的輸送)[86]。

Rubisco是全球碳循環(huán)的主要參與者，涉及卡爾文循環(huán)中碳固定的第1步，引導(dǎo)CO2進(jìn)入卡爾文循環(huán)[87]。但Rubisco酶的催化反應(yīng)是CO2固定的限速步驟，因?yàn)樵谡O2水平下，Rubisco僅發(fā)揮了其25%的催化能力。為增加Rubisco活性，有研究集中在Rubisco基因改造，以提高其速度和選擇性[88]。增強(qiáng)Rubisco的催化特性可通過(guò)引入點(diǎn)突變進(jìn)行[89]。FUJIHASHI等[90]根據(jù)中溫菌(來(lái)自植物I型)和超嗜熱古菌(III型)Rubiscos的三維結(jié)構(gòu)和氨基酸殘基的差異，設(shè)計(jì)了幾個(gè)新的點(diǎn)突變?cè)鰪?qiáng)其在室溫條件下的活性。點(diǎn)突變SP8-T289D型在體內(nèi)活性的改善尤其明顯，其生長(zhǎng)率幾乎是環(huán)境溫度下含野生型酶菌株的2倍。還可通過(guò)修飾Rubisco激活酶基因的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)Rubisco活性。WEI等[82]通過(guò)核編碼的、與cbbX同源的Rubisco激活酶的過(guò)度表達(dá)，提高了工業(yè)油料微藻Nannochloropsis-oceanica的生物質(zhì)產(chǎn)量和光合作用效率。在空氣水平的CO2下，突變體的生長(zhǎng)速率、生物量產(chǎn)量和脂質(zhì)產(chǎn)量分別提高了約32%、46%和41%，光合作用提高約28%。其中Rubisco大亞基蛋白豐度增加約45%，表明nNoRca樣的過(guò)度表達(dá)通過(guò)上調(diào)Rubisco水平和活性來(lái)增強(qiáng)微藻的光合作用。

此外，CO2光合固定效率不僅取決于Rubisco的羧化能力，還取決于RuBP的再生能力。醛縮酶過(guò)表達(dá)促進(jìn)卡爾文循環(huán)中的RuBP再生和光系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)移。YANG等[91-92]產(chǎn)生了表達(dá)藍(lán)藻醛縮酶的轉(zhuǎn)基因C.vulgaris細(xì)胞。由于醛縮酶的過(guò)表達(dá)，轉(zhuǎn)基因微藻的CO2固定率和能量轉(zhuǎn)移效率更高。此外，許多研究報(bào)道在微藻中過(guò)表達(dá)SBPase基因和Rubisco激活酶基因會(huì)加速卡爾文循環(huán)，從而增強(qiáng)了碳固定和光合作用的能力。

2.3.2 能量收集復(fù)合體的優(yōu)化

光照是直接影響微藻的光合活性及其生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的主要因素[96]。微藻的光照輻射增強(qiáng)時(shí)，其光轉(zhuǎn)換效率和CO2固定能力提高[97]。然而，約80%的吸收光子可能浪費(fèi)，從而將光合生產(chǎn)力和太陽(yáng)能到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率降至極低水平[98]。

通過(guò)減小集光復(fù)合體(LHC)天線(xiàn)尺寸在一定程度上解決這些問(wèn)題，減輕對(duì)太陽(yáng)光的過(guò)度吸收和激發(fā)能量的浪費(fèi)，從而提高光合作用效率，特別是在密集培養(yǎng)中[79]。一些功能性轉(zhuǎn)基因插入和表達(dá)到微藻基因組中，如lciA和nabI*，可減小LHC天線(xiàn)尺寸，并改善CO2的固定和光合效率[99]。BECKMANN等[100]使用NAB1的永久活性變體(一種細(xì)胞溶質(zhì)RNA結(jié)合蛋白)進(jìn)行翻譯抑制試驗(yàn)，降低了LHC基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，導(dǎo)致PSI天線(xiàn)尺寸減小10%～17%。MUSSGNUG等[101]使用RNAi技術(shù)下調(diào)了萊茵衣藻中整個(gè)LHC基因家族，以減少熒光和熱量造成的能量損失，從而提高了強(qiáng)光條件下的光合效率。結(jié)果表明，在熒光水平降低的情況下存在突變體Stm3LR3，光合量子產(chǎn)率更高，對(duì)光抑制的敏感性降低，提高了強(qiáng)光條件下的光合效率。近年來(lái)，通過(guò)敲除編碼LHC蛋白質(zhì)的基因產(chǎn)生了幾種突變體，如基因tla1、tla2和tla3，這些突變體減小了葉綠素天線(xiàn)尺寸。如敲除tla3(CpSRP43)提高了微藻的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，由于將天線(xiàn)尺寸減小至野生型的40%，從而提高了光合效率[102]。

此外，調(diào)整降低非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)機(jī)制也可提高作物生產(chǎn)力[103]。PEROZENI等[104]發(fā)現(xiàn)LHCSR3蛋白在萊茵衣藻PSI和PSII的NPQ機(jī)制中發(fā)揮重要作用。LHCSR3在HSP70/RBCS2啟動(dòng)子的控制下表達(dá)，為細(xì)胞提供最小的NPQ容量。這種微調(diào)的NPQ活性將萊茵衣藻的光合效率從3.4%提高至4.4%～4.7%[105]。最近，SPA1和CUL4基因已確定通過(guò)控制萊茵衣藻中PSBS和LHCSR基因的表達(dá)響應(yīng)強(qiáng)光、藍(lán)光和紫外光，從而使NPQ快速恢復(fù)[106]。通過(guò)正確表達(dá)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)NPQ基因提高生物質(zhì)生產(chǎn)力具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

改善微藻中光合作用效率的另一種策略是引入具有更寬吸收光譜的異源光系統(tǒng)。光合有效輻射(PAR)是指波長(zhǎng)為400～700 nm的太陽(yáng)光部分，可用于啟動(dòng)光合作用。植物和微藻光系統(tǒng)僅能吸收PAR范圍的可見(jiàn)光，而約50%的可用太陽(yáng)輻射落在該范圍外[107]。引入非天然色素的生物合成途徑可能會(huì)增加吸收范圍和光合效率。KOH等[108]從衣藻中克隆了葉綠素a加氧酶(CrCAO)基因到微擬球藻Nannochloropsis(只有葉綠素a，缺乏葉綠素b)中，以產(chǎn)生葉綠素b。12 d后，在中光照條件下，該藻細(xì)胞數(shù)增加26%，細(xì)胞干重提高31%，總脂質(zhì)含量增加8%。此外，研究報(bào)道將葉綠素f合酶(ChlF)編碼基因引入藍(lán)藻，可使該生物體合成葉綠素f(Chl f)，該色素在太陽(yáng)光譜的遠(yuǎn)紅色區(qū)域吸收，擴(kuò)展了PAR的光譜范圍[83]。ChlF可替代D1亞基，形成產(chǎn)生Chl f的改良型PSII復(fù)合體[109]。通過(guò)在藍(lán)藻Synechocystissp. PCC 6803(其本身不含Chl f色素)中設(shè)計(jì)嵌合的D1/ChlF蛋白，該工程菌株可合成Chl f色素[109]。此外，基因工程還可用于指導(dǎo)細(xì)胞葉綠素或類(lèi)胡蘿卜素向其他色素的酶促轉(zhuǎn)化，以擴(kuò)展PAR譜[110-111]。

2.3.3 CO2同化作用的增強(qiáng)

研究表明，CO2濃度對(duì)微藻碳固定和生物質(zhì)生產(chǎn)性能的影響復(fù)雜。大多數(shù)微藻僅在低濃度CO2水平下生長(zhǎng)，CO2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)5%認(rèn)為對(duì)微藻生長(zhǎng)有毒，因此亟需在高濃度CO2(20%)下快速生長(zhǎng)的微藻[27,112-113]。改善微藻CO2固定效率需提供足夠的ATP并重新定向碳通量以生成代謝物。研究假設(shè)增加NADPH消耗途徑可能會(huì)改善光反應(yīng)和暗反應(yīng)的耦合，從而提高光合效率和生物質(zhì)產(chǎn)量[79]。ZHOU等[114]為驗(yàn)證這一假設(shè)，在藍(lán)藻Synechocystissp. PCC 6803中構(gòu)建了NADPH消耗途徑。結(jié)果表明，NADPH消耗突變體的生物質(zhì)產(chǎn)量和CO2固定率分別增加了84%和38%。HU等[115]開(kāi)發(fā)了一種組合策略提高微生物固定CO2的效率，將產(chǎn)生ATP的羧化反應(yīng)與消耗ATP的碳固定途徑中的Rubisco分流器結(jié)合。該策略提供了足夠的ATP以提高CO2固定效率，同時(shí)將CO2固定途徑重新連接到生物合成的中心代謝途徑。自養(yǎng)長(zhǎng)聚球藻的CO2固定率和蘋(píng)果酸產(chǎn)量分別提高110%和260 μmol/L。此外，一種名為“malyl-CoA-glycerate (MCG)”的人工合成途徑被基因工程改造到聚球藻中延長(zhǎng)PCC7942，使CO2同化加倍[79]。此外，通過(guò)使用更有效的羧化酶替代Rubisco或用其他碳固定途徑替代卡爾文循環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)光呼吸途徑可提高微藻的光合效率[116-117]。上述結(jié)果表明碳固定途徑可被設(shè)計(jì)，且新途徑可顯著增強(qiáng)碳固定。未來(lái)需進(jìn)一步研究提高光合效率的方法。

2.4 納米材料的干預(yù)

研究表明，納米材料(NMs)在改善細(xì)胞行為方面潛力巨大[118]。NMs被定義為任一外部維度、內(nèi)部或表面結(jié)構(gòu)處于1～100 nm納米尺度的材料。工業(yè)上常用的NMs有碳基納米材料(CNMs)、金屬氧化物基納米材料(MONMs)和貴金屬基納米材料(NMNMs)。這些NMs通常與微藻存在不同程度的相互作用[118]。低濃度NMs在提高微藻生物量、脂質(zhì)含量、改善光合作用等方面應(yīng)用已有報(bào)道[119]。由于低濃度NMs可通過(guò)誘導(dǎo)分泌細(xì)胞外聚合物(EPS)和增強(qiáng)細(xì)胞壁提高對(duì)NMs抵抗力[120]。故在微藻培養(yǎng)過(guò)程中加入NMs有望提高微藻產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

使用納米纖維作為物理吸附劑的CO2生物固定研究前景廣闊，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)易將微藻生物質(zhì)與納米結(jié)構(gòu)分離[123]。VAZ等[124]開(kāi)發(fā)了含有氧化鐵納米顆粒(NPsFe2O3)的聚合物納米纖維，用于培養(yǎng)小球藻LEB111。NPsFe2O3增加了納米纖維的比表面積和孔隙率，這些特性對(duì)于納米結(jié)構(gòu)作為吸附材料的應(yīng)用至關(guān)重要。含有納米纖維的微藻中表現(xiàn)出更高的CO2固定率(216.2 mg/(L·d))，以及更高的生物量和碳水化合物產(chǎn)量，證實(shí)了電紡納米作為CO2物理吸附劑的潛力。VAZ等[124]研究表明，吸附劑納米纖維增加了小球藻LEB111在室外試驗(yàn)中的CO2生物固定及脂質(zhì)產(chǎn)量[125]。此外COMITRE等[37]探究了通過(guò)更新小球藻LEB111培養(yǎng)物中聚合物納米纖維來(lái)提高微藻固定CO2能力，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)的第7天和第15天，納米纖維的雙重更新提高了小球藻的生物質(zhì)濃度和CO2的生物固定率。

此外，碳基NMs可通過(guò)增加光吸收光譜促進(jìn)微藻生長(zhǎng)和光合作用。碳點(diǎn)(CDs)毒性低、可生物降解，ZHANG等[126]采用小球藻作為模型微藻研究CDs的影響，使生物量和生長(zhǎng)率分別提高17%和21%。這是由于CDs可被小球藻降解并產(chǎn)生大量CO2，這些CO2被葉綠體固定并增強(qiáng)光合作用。CDs可將Rubisco酶體內(nèi)活性提高34%。此外，CDs可吸收紫外光并作為抗氧化劑保護(hù)小球藻抵抗紫外線(xiàn)輻射的傷害。NGUYEN等[127]研究發(fā)現(xiàn)含氨化鎂(MgAC)培養(yǎng)基中添加殼聚糖基碳點(diǎn)N(CD)s，有助于綠藻Tetraselmissp.抵消紫外線(xiàn)輻射的不利影響，并將光輻射轉(zhuǎn)化為有利于光合作用的波長(zhǎng)，提高了綠藻的生長(zhǎng)速率和生物量生產(chǎn)力。氧化石墨烯量子點(diǎn)(GOQDs)被認(rèn)為可促進(jìn)PSII能量轉(zhuǎn)移從而增強(qiáng)微藻的光合作用。YANG等[128]將在紫外(380 nm)激發(fā)后具有藍(lán)光(465 nm)輻射的氧化石墨烯量子點(diǎn)(GOQDs)引入微藻培養(yǎng)基中，系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)CO2固定率提高了20%，脂質(zhì)積累增加了34%。證明使用GOQDs提高微藻的光合效率潛力巨大，尤其在太陽(yáng)紫外線(xiàn)較高的環(huán)境中，但仍有必要探索更有效的NMs來(lái)增強(qiáng)吸收光譜。

在微藻培養(yǎng)中添加NMs具有突出優(yōu)勢(shì)，如增強(qiáng)CO2在溶液中擴(kuò)散/溶解、光吸收光譜和色素含量，但由于添加NMs會(huì)對(duì)微藻細(xì)胞造成氧化應(yīng)激，增加ROS水平，研究表明高濃度NMs會(huì)抑制光合作用，故在低濃度時(shí)可改善微藻生長(zhǎng)和光合效率[118]。

3 發(fā)展前景

目前，隨機(jī)誘變、適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化、基因工程和納米材料干預(yù)對(duì)增強(qiáng)微藻固碳潛力巨大。但由于微藻的固碳過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，仍存在局限性，需進(jìn)一步深入探索。

1)工業(yè)煙氣的主要成分為CO2，同時(shí)包含NOx、SOx、PM2.5、重金屬Hg等多種殘留物。通過(guò)逐漸增加CO2濃度篩選耐受更高濃度CO2的微藻菌株是實(shí)現(xiàn)有效、經(jīng)濟(jì)可行的CO2生物固定的關(guān)鍵。而微藻種類(lèi)繁多，藻類(lèi)研究?jī)H關(guān)注少數(shù)種類(lèi)，需進(jìn)一步關(guān)注其他潛在微藻。此外，微藻-CO2固定過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行更完整的經(jīng)濟(jì)分析和敏感性分析，以獲得各產(chǎn)品生物質(zhì)加工、生命周期、實(shí)時(shí)場(chǎng)景中的工業(yè)應(yīng)用、市場(chǎng)增值終端產(chǎn)品等。

2)隨機(jī)誘變被認(rèn)為是一種有前景的突變育種技術(shù)，廣泛應(yīng)用于菌株改良和代謝過(guò)程的分子基礎(chǔ)研究?；瘜W(xué)誘變易操作，但化學(xué)試劑有害。與化學(xué)方法相比，紫外誘變控制更靈活，可減少二次污染，但毒性較大、突變率低、輻射風(fēng)險(xiǎn)大等，需進(jìn)一步解決。

3)盡管在微藻培養(yǎng)中添加NMs具有諸多優(yōu)勢(shì)，如增強(qiáng)CO2擴(kuò)散/溶解、增強(qiáng)微藻光吸收光譜及可回收和重復(fù)使用NMs等，但僅在低濃度NMs下，微藻的生長(zhǎng)和光合性能得以改善，當(dāng)微藻暴露在高濃度NMs中時(shí)可能會(huì)限制其光合作用。

4)目前在微藻中摻入NMs的相關(guān)研究?jī)H在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下進(jìn)行，NMs昂貴的價(jià)格和毒性限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。在微藻培養(yǎng)后回收和重復(fù)利用NMs是一種降低成本的有效方法。如可從培養(yǎng)基中簡(jiǎn)單離心分離產(chǎn)生的微藻生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)回收。

5)利用基因編輯技術(shù)對(duì)微藻進(jìn)行基因修飾比較繁瑣，需要復(fù)雜的設(shè)備和試驗(yàn)條件，價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)。但與其他修飾相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：可定向操作，根據(jù)需求設(shè)計(jì)基因，打破物種之間的界限。未來(lái)有必要確定更多微藻基因組序列，闡明基因型和表型之間的內(nèi)在關(guān)系。通過(guò)人工智能算法進(jìn)行遺傳設(shè)計(jì)，加速微藻基因工程的發(fā)展和應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

可再生能源和碳捕集與利用技術(shù)是滿(mǎn)足世界能源需求和減少溫室氣體排放的2個(gè)重要解決方案。微藻生物質(zhì)作為可再生能源，在眾多碳利用技術(shù)中尤為重要：① 以高光合速率更有效固定溫室氣體CO2，具有減少煙氣中CO2排放的潛力；② 實(shí)現(xiàn)碳利用，可轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品(如生物燃料、保健品、化妝品、動(dòng)物飼料等)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。微藻適應(yīng)惡劣環(huán)境、耐受高濃度CO2，并具備生長(zhǎng)率和光合效率，是研發(fā)成功微藻固碳系統(tǒng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)討論了微藻的光合作用和相關(guān)碳固定機(jī)制。小球藻、螺旋藻、柵藻、葡萄藻、杜氏藻等微藻是大規(guī)模戶(hù)外種植以減少發(fā)電廠(chǎng)煙氣中CO2排放的競(jìng)爭(zhēng)候選者?？墒褂秒S機(jī)誘變、適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化、基因工程和納米材料的干預(yù)等策略來(lái)提高微藻的固碳效率。其中，基因工程作為一種新穎而強(qiáng)大的基因技術(shù)應(yīng)用潛力巨大，不僅可截?cái)郘HC天線(xiàn)尺寸來(lái)提高光合效率，還可提高Rubisco的速度和選擇性。此外，納米材料可增強(qiáng)CO2在溶液中擴(kuò)散/溶解，顯著提高PSII中的相對(duì)電子傳輸速率以及微藻中ROS水平，從而改善對(duì)類(lèi)胡蘿卜素的一般光合作用。