張 虎,譚英南,朱瑞鴻,洪 建,高保燕,張成武

(暨南大學 生命科學技術(shù)學院 生態(tài)學系 水生生物研究中心,廣東 廣州 510632)

自工業(yè)革命以來,人類向大氣中排入的二氧化碳(CO2)等吸熱性較強的氣體逐年快速增加。統(tǒng)計顯示,2019年全球CO2排放量達到341.7億t,比20世紀末的排放量增加了47.7%[1]。這加劇了溫室效應及海洋酸化,造成災難性氣候變化頻發(fā)、環(huán)境污染加重,嚴重威脅全球生物多樣性、生態(tài)穩(wěn)定性以及糧食和食品的安全性等[2-3]。為了避免這種情況持續(xù)惡化,聯(lián)合國從20世紀90年代開始相繼出臺了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》《京都議定書》和《巴黎協(xié)定》,明確規(guī)定各國需要承擔的CO2減排任務。我國是最早簽署《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的締約方之一,也是《巴黎協(xié)定》的積極推動者。2020年9月,習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布,我國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,CO2排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[4]。為此,開發(fā)清潔、高效、經(jīng)濟的CO2固定技術(shù)來降低CO2凈排放量、大力發(fā)展CO2高效環(huán)保利用技術(shù)實現(xiàn)CO2的資源化利用來降低現(xiàn)存量是減排CO2、實現(xiàn)“雙碳”目標的重要手段之一。目前,在常用的CO2固定方法中,生物固定法尤其是微藻CO2生物固定技術(shù)已經(jīng)被證實是一種環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的CO2固定策略[5-6]。微藻在光合作用中通過光反應階段產(chǎn)生的能量(ATP)和還原力(NAD(P)H)在暗反應階段將CO2同化為糖類等有機物,這些有機物在藻細胞內(nèi)可進一步轉(zhuǎn)化為高值化合物,如油脂、蛋白質(zhì)、多糖、色素和多酚等,可為能源、食品、飼料、醫(yī)藥、化妝品和保健品等行業(yè)提供原材料,從而將CO2“變廢為寶”,實現(xiàn)其在國民經(jīng)濟中的巨大潛在應用價值。

到目前為止,國內(nèi)外已經(jīng)相繼開展了利用微藻規(guī)?；潭–O2的研究。1990—2000年,日本國際貿(mào)易和工業(yè)部資助的“地球研究更新技術(shù)計劃(RITE)”項目篩選出多株CO2固定效率高的微藻,并利用這些藻株對火電廠廢氣中的CO2進行了吸附清潔研究[7]。2016年,我國科技部組織的“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點專項“二氧化碳煙氣微藻減排技術(shù)”項目在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市鄂托克旗烏蘭鎮(zhèn)螺旋藻產(chǎn)業(yè)園區(qū)建立了CO2固定示范工程。同年,國家開發(fā)投資集團有限公司(國投)的微藻生物科技中心也開展了微藻固定電廠CO2的中試研究[8]。但是現(xiàn)階段利用微藻工業(yè)化固定CO2仍面臨低效率及高成本等問題的嚴峻挑戰(zhàn)。本文綜述了高效固定CO2藻株的選育、提高微藻生物固定CO2的培養(yǎng)策略、微藻高效培養(yǎng)光生物反應器(PBR)的開發(fā)、微藻處理煙道氣化合物技術(shù)及新興技術(shù)助力微藻碳減排等內(nèi)容。同時,結(jié)合現(xiàn)階段微藻生物固碳技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn),展望了微藻生物固定CO2在“雙碳”目標中的應用前景,以期為利用微藻產(chǎn)業(yè)化高效平價固定CO2、高值化利用CO2提供參考,從而加速“雙碳”目標的實現(xiàn)。

1 高效固定CO2藻株的選育

藻株選育是獲得生長速度快、光合作用效率高、CO2耐受及固定能力強等集多種優(yōu)良性狀于一身的“理想藻株”的有效手段[9-10]。常用的藻株選育手段包括從自然藻株中篩選具有優(yōu)良性狀的藻株以及利用基因工程手段改良藻株的某些特性。

1.1 自然藻株選育

據(jù)估計,全球存在50 000多種微藻,其中已被發(fā)現(xiàn)和研究的微藻不足30 000種[11],這為篩選合適的藻株進行CO2生物固定提供了廣闊的種質(zhì)資源。此外,微藻不僅廣泛分布于海洋、河流和湖泊等水體,是這些系統(tǒng)中初級生產(chǎn)力的主要組成部分,而且存在于極地、冰川、沙漠和鹽堿地等各種極端生境,成為這些生境中的“先鋒植物”。這些不同的生境甚至可以賦予某些微藻特殊的性狀,如耐低溫、耐酸或耐鹽堿等,這為因地制宜、合理利用當?shù)刭Y源來充分發(fā)揮這些微藻的獨特優(yōu)勢提供了可能。目前,常用來篩選高CO2耐受及固定能力藻株的方法是在相同光自養(yǎng)條件下,考察藻株在不同CO2濃度下的生長特性、光合作用效率、CO2耐受及固定能力等,從而獲得滿足實際需求的藻株[9,12-13]。Basu等[14]采用此種策略篩選到1株CO2固定效率高達(252.883±0.361) mg/(L·d)的柵藻(ScenedesmusobliquusSA1)。此外,也可以通過物理、化學方法隨機誘變(random mutagenesis)或者采用實驗室適應性進化(adaptive laboratory evolution)[15]等策略對自然藻株的某些性狀進一步改良,如提高細胞耐受高濃度CO2的能力等。Cheng等[16]采用γ線誘變小球藻(Chlorellasp.),不僅提高了藻細胞在15% CO2(體積分數(shù),下同)條件下培養(yǎng)的耐受性,而且生物質(zhì)濃度也提高了25%。Li等[17]采用實驗室適應性進化的策略對Chlorellasp.進行耐CO2馴化,經(jīng)過31個周期的馴化后發(fā)現(xiàn),在10% CO2條件下的馴化的菌株可以在30% CO2條件下快速生長,其生物質(zhì)濃度是未馴化菌株在同等培養(yǎng)條件下的2.94倍,顯著提高了藻細胞的生長速度及CO2固定速率。在自然藻株中,單細胞綠藻尤其是Chlorellaspp.[18-19]和柵藻Scenedesmusspp.[14,20- 21]由于生長速度、環(huán)境適應能力強及CO2固定效率高等優(yōu)勢,常被用于生物固定CO2。但是這兩個屬的微藻細胞體積都很小(2～20 μm)(圖1(a)和1(b)),并不利于后續(xù)生物質(zhì)的采收,進而嚴重限制了這些微藻在實際生產(chǎn)中的應用。與單細胞微藻相比,絲狀微藻的細胞體積明顯更大(藻絲長度200 μm以上)(圖1(c)和1(d)),可以直接通過濾網(wǎng)采收,能夠節(jié)省20%以上的生產(chǎn)成本[22]。同時,絲狀微藻較大的藻絲體也可以有效抵抗原生動物的捕食,增大了大規(guī)模培養(yǎng)時成功的概率[23]。更為重要的是,絲狀微藻的生長速度也很快,其光合作用效率和CO2固定能力與單細胞綠藻相差并不大,甚至可能更高[24]。此外,一些絲狀微藻還可以積累大量高附加值產(chǎn)品,如小黃絲藻Tribonemaminus可以分別積累1%和20%(以細胞的干質(zhì)量計)以上的二十碳五烯酸(EPA)和棕櫚油酸[25-26],枝鞘藻Oedocladiumsp.可以積累1.62%的蝦青素[27]。這也為利用絲狀微藻進行CO2生物固定,同時聯(lián)產(chǎn)高附加值產(chǎn)品來進一步降低生產(chǎn)成本提供了可能。為此,開發(fā)基于絲狀微藻的CO2生物固定技術(shù),有望在未來實現(xiàn)CO2的經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定及大規(guī)?；锊都透咧祷?。

圖1 四種不同微藻的形態(tài)特征及細胞大小Fig.1 Cell morphology and size of four different microalgae

1.2 基因工程改良

隨著分子生物學技術(shù)的不斷發(fā)展,基因工程手段,如歸巢核酸內(nèi)切酶(meganucleases)編輯技術(shù)、轉(zhuǎn)錄激活樣效應因子核酸酶(TALENs)編輯技術(shù)以及成簇間隔短回文重復序列(CRISPRs)編輯技術(shù)[28]等已經(jīng)廣泛應用于改良微藻的性狀。在增強微藻光合固碳能力方面,可以通過改良以下3個潛在靶位點來提高細胞固定CO2的能力[10],即提高CO2固定酶的效率、改變捕光色素復合蛋白及引入其他固碳途徑來減少CO2和能量的損失(圖2)。

圖2 通過基因工程手段提高微藻生物固定CO2的主要方法(修改自文獻[10])Fig.2 Overview of the main approaches for enhancing CO2 sequestration in microalgae (Modified from reference [10])

調(diào)控CO2固定途徑關(guān)鍵酶的表達量是提高微藻CO2固定能力的一個有效方法。在微藻中,卡爾文循環(huán)(Calvin cycle)和CO2濃縮機制(CO2-concentrating mechanisms,CCMs)主要參與CO2固定[10]。前者可以將固定的無機碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C碳,后者可以增強無機碳向前者的傳遞。在卡爾文循環(huán)中,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)催化CO2和核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)進行羧化反應,從而將CO2固定下來。因此,RubisCO是光合作用中決定碳同化速率的關(guān)鍵酶,提高該酶的表達量可以增強微藻細胞的固碳能力。Wei等[29]在海洋微擬球藻Nannochloropsisoceanica中過表達了1個候選RubisCO活化酶,在低濃度CO2條件下(0.04%)可將藻細胞的生長速率提高32%、生物質(zhì)濃度提高46%,顯著增強了細胞的固碳能力。

第二種提高微藻光合固碳能力的方法是優(yōu)化藻細胞的捕光色素復合蛋白。它可以通過3種潛在途徑實現(xiàn),即增加微藻可吸收利用的光合有效輻射(PAR)的寬度,降低非光化學淬滅(NPQ)帶來的能量損失以及理性調(diào)控NPQ并提高微藻細胞對氧化損傷的抵抗力(圖2)。通常微藻可吸收利用的PAR波長范圍為400～700 nm,但是一些藍藻中的光合色素,如葉綠素d和f,其吸收波長都可以超過700 nm[40]。在高等植物或者微藻細胞中增加葉綠素的種類可在PAR延伸至750 nm時將細胞可利用的光量子數(shù)提高19%,從而為光合作用提供更多的能量[41]。因此,推測在綠藻或者其他藻類中通過基因工程手段導入葉綠素d或f的編碼基因有望提高微藻固定CO2的能力,但是目前相關(guān)研究成果仍然匱乏[10]。微藻的兩個光系統(tǒng)(PS Ⅰ和PS Ⅱ)中都含有光反應中心蛋白及與之相結(jié)合的天線色素復合物。這些復合物主要由天線蛋白連接葉綠素和葉黃素類構(gòu)成,也被稱為捕光天線蛋白。它們可以增強藻細胞在低光條件下對光量子的吸收,同時也可以在高光條件下將多余的光能以NPQ的形式進行耗散,從而保護藻細胞免受強光的傷害[42]。但是這種光能耗散策略會導致光的利用率降低,而且這些天線蛋白的體積比較大,在微藻高密度培養(yǎng)時會相互遮擋導致反應器內(nèi)側(cè)的藻細胞接收到的光能不足,從而限制微藻的生長[42]。通過基因工程手段降低光系統(tǒng)中葉綠素的數(shù)目或者天線色素的含量來優(yōu)化捕光色素復合蛋白,可以提高微藻細胞對高光的適應以及光在藻液中的通透性,從而降低NPQ效應,提高藻細胞對光能的利用效率,進而提高微藻的生長速率及固碳能力[42-44]。此外,微藻細胞中負責調(diào)控NPQ的2個關(guān)鍵蛋白是LHCSR和PSBS[45-46],合理表達這兩個蛋白可對NPQ進行理性調(diào)控以促進微藻生長。Perozeni等[47]在萊茵衣藻Chlamydomonasreinhardtii中調(diào)控LHCSR表達量來微調(diào)NPQ,結(jié)果發(fā)現(xiàn),這可以提高藻細胞的光合作用效率和生長速率。Malnoe等[48]研究發(fā)現(xiàn),在強光條件下,微藻細胞不僅能夠調(diào)控NPQ來抵抗這種逆境,而且藻細胞本身也存在其他抵抗光氧化脅迫的保護機制,如抗氧化酶和葉黃素循環(huán)等。因此,通過基因工程方法來合理調(diào)控這些保護機制,從而提高藻細胞的抗氧化能力,也是保障微藻快速生長、高效固碳的一個有效方法。

引入其他固碳途徑同樣可以提高微藻固定CO2的效率(圖2)。微藻在光合作用中通過卡爾文循環(huán)固定的初級有機物是3-磷酸甘油醛,再經(jīng)一系列反應生成葡萄糖,葡萄糖經(jīng)有氧呼吸產(chǎn)生乙酰輔酶A來為機體提供能量。但是,從3-磷酸甘油醛(3碳糖)到乙酰輔酶A(2碳糖)的轉(zhuǎn)化過程中存在碳損失。為了避免這種情況,Yu等[49]在細長聚球藻SynechococcuselongatesPCC7942中構(gòu)建了一種人工設計的MGG(malyl-CoA-glycerate)途徑,可將1分子3-磷酸甘油醛與1分子CO2轉(zhuǎn)化成2分子乙酰輔酶A,實現(xiàn)了碳的零損耗,從而將CO2固定效率提高2倍。因此,在微藻細胞中理性構(gòu)建固碳途徑來增加碳固定可以提高CO2的固定效率。此外,微藻的光呼吸過程會消耗能量,并釋放CO2,成為限制光合作用效率的一個主要因素。在高等植物擬南芥Arabidopsisthaliana中發(fā)現(xiàn),通過酶工程和代謝工程設計一種可以繞過光呼吸的通路實現(xiàn)CO2零釋放,進而提高固碳能力[50],這也為今后在微藻中降低光呼吸、減少CO2釋放來提高CO2固定效率提供了一個潛在的改良方法。

2 提高微藻生物固定CO2的培養(yǎng)策略

微藻在光合作用時利用光能將CO2和水同化為糖類等有機物,供細胞生長和代謝之需。因此,影響微藻光合作用及生長的因素都會對其生物固定CO2的能力產(chǎn)生影響。重要環(huán)境因子、營養(yǎng)因子及培養(yǎng)模式是決定微藻光合作用效率和生長狀況的主要因素。提高微藻生物固定CO2的培養(yǎng)策略主要包括以下4個方向,即光管理(light management)、營養(yǎng)需求(nutrient requirements)、培養(yǎng)方式優(yōu)化(trophic optimization)和CO2利用(CO2utilization)(圖3)。

圖3 提高微藻生物固碳能力的培養(yǎng)策略Fig.3 Main culture strategies for improving CO2 sequestration in microalgae

2.1 光管理

光是影響微藻光自養(yǎng)生長的最重要因素,它不僅為微藻生長提供能量,而且還作為信號分子調(diào)控細胞中多種代謝產(chǎn)物的合成[51]。因此,光管理對于提高微藻的光合作用效率及CO2固定率至關(guān)重要。太陽光是多數(shù)微藻進行室外大規(guī)模培養(yǎng)時常用的光源,但是太陽光極易受到季節(jié)、氣候及所在地經(jīng)緯度等條件的限制,所以需要選擇太陽輻射量相對充足的區(qū)域來培養(yǎng)微藻才能提高光合作用效率。以我國為例,云南省地處熱帶和亞熱帶氣候、日照時間較長,海拔高、光線充足,而且全年溫差小,國內(nèi)多數(shù)微藻生產(chǎn)企業(yè)都在此建立生產(chǎn)基地。除了太陽光之外,人工光源,如高壓鈉燈、熒光燈及發(fā)光二極管(LED)等也可以為微藻培養(yǎng)提供光照。其中,LED具有高效、節(jié)能、精準可控、體積小及使用壽命長等諸多優(yōu)勢[52],目前已經(jīng)廣泛應用于多種微藻的培養(yǎng)及相關(guān)生物制品的生產(chǎn)中[53-54]?；贚ED的研究發(fā)現(xiàn),光強、光質(zhì)和光暗周期都可以對微藻的光合固碳能力產(chǎn)生顯著影響[52,55]。因此,對于某一特定藻株來說,需要系統(tǒng)研究不同光條件對其光合作用效率的影響,才能最大限度促進細胞生長。Che等[56]對球等鞭金藻Isochrysisgalbana的研究發(fā)現(xiàn),當LED紅光和藍光比例為50∶50、光強400 μmol/(m2·s)、光暗周期18 h∶6 h時,最有利于藻細胞生長,生物量最高可達1.25 g/L。同時,處于對數(shù)生長期的藻細胞密度會隨著培養(yǎng)時間的延長不斷增大,細胞之間相互遮擋加劇,從而導致光的透過性減弱,所以位于反應器內(nèi)側(cè)的藻細胞會因光能不足而生長受限。為此,開發(fā)LED閃光(flashing light)培養(yǎng)模式通過增加光照強度,使光的透過性增強,同時每隔固定時間(幾毫秒、秒或分鐘不等)停止光照,使細胞免受光抑制或在光抑制后有充足時間進行修復,這樣可以使微藻接收到的光量子數(shù)和連續(xù)光照條件下的相同[57]。這種培養(yǎng)策略不僅可以為高密度培養(yǎng)的細胞提供充足光能,而且間斷光照也有利于節(jié)約電能、降低生產(chǎn)成本。Yustinadiar等[58]采用LED藍光閃光模式培養(yǎng)微擬球藻Nannochloropsissp.,與對照組相比,可將生物質(zhì)濃度提高70%。值得注意的是,不同種類的微藻具有差異性的捕光色素及光敏色素,這也導致它們對不同光質(zhì)光能的響應、傳導、吸收和捕獲存在很大差別[59]。合理調(diào)控LED光質(zhì)種類及其比例將有助于提高微藻的光合作用效率、促進藻細胞生長。Esteves等[60]比較了3種光質(zhì)(白光、紅光和藍光)對普通小球藻C.vulgaris生長和生物固碳的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),白光條件最有利于細胞生長,此條件下CO2固定效率最高,可達11.4 mg/(L·d)。Yang等[61]比較了不同比例LED紅光和藍光對三角褐指藻Phaeodactylumtricornutum生長的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當紅光和藍光比例為6∶1時,藻細胞的生物量最高,可達6.54 g/L。此外,同一株微藻在不同光質(zhì)下的生長狀況和關(guān)鍵代謝產(chǎn)物積累量也會存在較大差異。為此,采用“兩步法”甚至“多步法”的培養(yǎng)策略,先在合適光質(zhì)條件下促進藻細胞生長,然后轉(zhuǎn)變光質(zhì)來誘導關(guān)鍵代謝產(chǎn)物的積累,可以實現(xiàn)微藻高效生物固定CO2及聯(lián)產(chǎn)高附加值產(chǎn)品[51]。Li等[62]研究發(fā)現(xiàn),先用紅橙光培養(yǎng)萊茵衣藻Chlamydomonasreinhardtii來促進細胞生長,然后再用藍光培養(yǎng)誘導細胞積累油脂,可將生物質(zhì)產(chǎn)率提高18%,油脂含量提高25%。

2.2 營養(yǎng)需求

營養(yǎng)需求對滿足微藻快速生長、高效固定CO2也發(fā)揮重要作用。微藻生長的基本營養(yǎng)需求包括C、N、P、S及Fe等微量元素,但是不同微藻最適生長所需的營養(yǎng)鹽類型及濃度范圍存在差異,需要比較研究這些營養(yǎng)鹽對微藻生長的影響后篩選出最佳類型的營養(yǎng)鹽及其濃度來促進微藻生長。常用的篩選策略包括單因素法和多因素分析法(如響應面法等)。Gao等[63]采用單因素法比較了3種常見氮源(NaNO3、NH4HCO3和CO(NH2)2)對類波氏真眼點藻Eustigmatoscf.polyphem生長和產(chǎn)油的影響后發(fā)現(xiàn),CO(NH2)2最有利于細胞生長及油脂積累。Aguirre等[64]采用響應面法分析了CO2和NaNO3對普通小球藻Chlorellavulgaris生長和產(chǎn)油的影響后發(fā)現(xiàn)：當CO2體積分數(shù)為2.33%、NaNO3濃度為5.77 mmol/L時,最有利于普通小球藻的細胞生長;當CO2體積分數(shù)為4.02%、NaNO3濃度為3.21 mmol/L時,最有利于細胞積累油脂。

2.3 營養(yǎng)方式優(yōu)化

微藻的營養(yǎng)方式主要包括光自養(yǎng)、混養(yǎng)和異養(yǎng),這3種培養(yǎng)模式各有利弊[65-67](表1)。其中,微藻在光自養(yǎng)和混養(yǎng)時可以進行光合作用,從而將CO2固定下來。但是微藻在這兩種模式培養(yǎng)下很難實現(xiàn)超高細胞密度生長(生物量超過200 g/L)。相反,微藻在異養(yǎng)培養(yǎng)時可以利用先進的發(fā)酵工藝及設備在短時間內(nèi)(一周左右)達到超高細胞密度,實現(xiàn)高效率培養(yǎng)。但是異養(yǎng)微藻進行呼吸作用時釋放CO2,不能完成碳固定。為此,結(jié)合異養(yǎng)和光自養(yǎng)或者混養(yǎng)模式,先通過異養(yǎng)模式獲得超高密度細胞,然后以此細胞為藻種進行光自養(yǎng)或混養(yǎng)來固定CO2,這樣可以充分發(fā)揮每種培養(yǎng)模式的優(yōu)點來實現(xiàn)微藻快速生長、高效固定CO2的目的(表1)。與傳統(tǒng)光自養(yǎng)相比采用異養(yǎng)和光自養(yǎng)耦合的模式培養(yǎng)小球藻(C.pyrenoidosa、C.ellipsoidea和C.vulgaris),可將生物量提高48%以上[68]。同時,采用此種策略在室外大規(guī)模培養(yǎng)尖狀柵藻Scenedesmusacuminatus時發(fā)現(xiàn),細胞的生物量比傳統(tǒng)光自養(yǎng)的結(jié)果提高超過30%[69],表明此種培養(yǎng)策略具有顯著的工業(yè)化生產(chǎn)潛能,適合用于大量生物固定CO2。此外,微藻在異養(yǎng)生長時產(chǎn)生的CO2還可為隨后的光自養(yǎng)生長提供碳源,能夠?qū)崿F(xiàn)異養(yǎng)階段CO2零排放[70],進一步增加了這種模式在實際生產(chǎn)中的可行性。除了異養(yǎng)-光自養(yǎng)耦合模式之外,混養(yǎng)-光自養(yǎng)耦合及光自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合模式都可以促進微藻生長及CO2固定,這兩種模式分別在湖泊紅球藻Haematococcuslacustris[71]和原殼藻Auxenochlorellaprotothecoides[72]的高效培養(yǎng)中得到驗證。

表1 微藻在4種不同營養(yǎng)方式下培養(yǎng)時的優(yōu)缺點比較[65-67]

2.4 CO2利用

CO2利用策略會影響CO2在藻液中的停留時間及溶解量,從而影響微藻的生長及CO2固定效率。CO2溶于水后生成碳酸(H2CO3),將高濃度的CO2通入藻液后,會導致pH顯著下降(pH可低至4以下),嚴重抑制不耐酸微藻的生長;而將低濃度的CO2通入藻液后,并不能滿足微藻快速生長對大量碳源的需求,進而限制微藻生長。同時, CO2在藻液中的溶解度不高、擴散率也低,很容易逃逸而造成CO2利用不完全。為此,先進CO2分布及高效利用技術(shù)既能夠促進微藻快速生長、高效固碳,又能夠減少CO2損失、降低生產(chǎn)成本,具有重要的實際應用價值。曝氣器是含有CO2氣體在藻液中傳輸?shù)奈ㄒ还ぞ?其結(jié)構(gòu)和材料會影響氣泡的生成速率、大小、分布及上升速度和混合時間等,對CO2的傳質(zhì)效率及后續(xù)利用效率起著重要作用。目前,多數(shù)研究都聚焦于此,并相繼開發(fā)出多種形式的曝氣器,包括氣泡石式[73]、條式[74]、搖擺式[75]、蝸殼式[76]及微纖維膜式[77]等。開發(fā)這些曝氣器的主要目的是增大氣液接觸的比表面積,減小上升速度和混合時間,延長氣體停留時間,從而強化氣液傳質(zhì)過程,增加CO2生物固定[16,78-80]。此外,面對藻液中CO2易逃逸的問題,李夜光等[81]研究在跑道式或環(huán)形養(yǎng)殖池中的曝氣區(qū)域加裝CO2“儲氣罩”或者在養(yǎng)殖池底部深處加裝CO2“充氣槽”來提高CO2的吸收率,減少CO2向空氣中的排放。此外,高pH可以增加藻液中CO2的溶解量,減少CO2損失。為此,利用一些微藻耐高pH的特性,將藻液的pH設置在較高范圍來增加藻液對CO2的吸收率,結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以提高CO2的固定效率。Zhu等[82]在培養(yǎng)螺旋藻(Spirulinasp.)時通過調(diào)整NaHCO3的濃度,將藻液pH維持在10.0～12.5時,可提高藻細胞對CO2的固定效率。

3 微藻脫除煙道氣化合物技術(shù)

化石能源的大量燃燒是造成溫室效應的主要原因。因此,生物固定煙道氣化合物中的CO2對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要的現(xiàn)實意義。但是化石能源的燃燒不僅會產(chǎn)生CO2,也會同時產(chǎn)生氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)及重金屬等有害物質(zhì)。將煙道氣中的CO2純化后再來培養(yǎng)微藻,不僅費時費力,而且也會增加生產(chǎn)成本。微藻在生長過程中不僅需要碳源,也需要氮源、硫源及金屬元素,煙道氣中含有這些物質(zhì)也可以作為微藻生長的營養(yǎng)源。Du等[83]采用不同比例的純CO2、SO2和NO模擬工業(yè)煙道氣組分來培養(yǎng)蛋白核小球藻C.pyrenoidosaXQ-20044時發(fā)現(xiàn),藻細胞對CO2、SO2和NO的去除率分別達95.9%、100%和84.2%;同時藻細胞能夠積累生物質(zhì)干質(zhì)量38%的油脂,可作為生產(chǎn)生物柴油的理想原料。這個結(jié)果表明,微藻脫除煙道氣化合物技術(shù)可以實現(xiàn)固碳、脫硫和除硝的目標,同時也可以獲得高值生物質(zhì),極具發(fā)展前景。Chen等[84]以生物質(zhì)發(fā)電廠的秸稈燃燒物為營養(yǎng)源,直接利用發(fā)電廠煙道氣培養(yǎng)小球藻Chlorellasp. C2時發(fā)現(xiàn)：藻細胞的生物質(zhì)產(chǎn)率和油脂產(chǎn)率比BG-11培養(yǎng)基正常培養(yǎng)條件下的結(jié)果分別高35%和39%;藻細胞對NOx的最高去除率可達100%,對CO2的最高固定速率達0.46 g/(L·d),表明結(jié)合生物質(zhì)燃燒物和發(fā)電廠煙道氣可實現(xiàn)微藻高效固定CO2。此外,燃煤煙道氣也可以直接用來培養(yǎng)微藻。Sung等[85]分析了燃煤煙道氣的成分后發(fā)現(xiàn),N2占總體積的80.57%、O2占7.47%、CO2占13.18%,NOx為20.27 mg/L,SOx為32.04 mg/L,在通氣量0.1 vvm條件下比較了4株微藻清潔燃煤煙道氣的效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在室外大量培養(yǎng)時,富油新綠藻Neochlorisoleoabundans#13的生長速度最快,生物質(zhì)生產(chǎn)速度可達0.703 g/(L·d),CO2的固定速率達0.309 g/(L·d),同時藻細胞油脂含量可達干質(zhì)量的45.7%,能夠?qū)崿F(xiàn)煙道氣的高效凈化和生物柴油高效聯(lián)產(chǎn)。

4 微藻高效培養(yǎng)光生物反應器(PBR)的開發(fā)

PBR是微藻培養(yǎng)的關(guān)鍵設備[86],決定著藻細胞能否發(fā)揮快速生長、高效固定CO2的潛能。目前,微藻PBR研發(fā)已經(jīng)經(jīng)歷了三代發(fā)展歷程。第一代PBR主要是跑道池或環(huán)形養(yǎng)殖池等開放式培養(yǎng)裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、設備投入及運行成本少的優(yōu)勢,但是光照、溫度等關(guān)鍵培養(yǎng)條件的可控制性差,而且開放環(huán)境極易受雜菌、雜藻及原生動物的污染,導致微藻生長速度緩慢、CO2固定效率低。這種反應器主要用來培養(yǎng)螺旋藻這種耐高pH或者小球藻等這種生長速度快、環(huán)境適應性強的少數(shù)幾種微藻。第二代PBR是以平板式、柱式及管道式PBR為代表的密閉式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)。這些密閉式PBR將藻液與外界環(huán)境隔開,從而顯著降低培養(yǎng)過程中生物污染的概率,而且可以自動化控制pH、通氣量、CO2通入量和溫度等培養(yǎng)條件來促進微藻生長[66]。因此,微藻在密閉式光生物反應器中的生長情況相對可控,其生物質(zhì)濃度和CO2固定效率都比第一代PBR中獲得的結(jié)果有了極大提高。但是這種PBR存在投入成本較高的弊端,主要用于培養(yǎng)某些微藻來生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品,如培養(yǎng)雨生紅球藻生產(chǎn)蝦青素。此外,這些PBR都是利用外部光源為能量,在培養(yǎng)過程中隨著藻細胞的生長,密度增大后,光的通透性變差,光能供應不足,不能支持細胞高密度培養(yǎng)對能量的需求,導致細胞生長及CO2固定量受限。近些年來,隨著發(fā)光二極管(LED)技術(shù)的不斷發(fā)展,已經(jīng)開發(fā)出內(nèi)置光源的第三代PBR來提高光的通透性。結(jié)合自動化技術(shù),這種PBR還可以根據(jù)微藻生長所需的光照條件在線精確調(diào)控光質(zhì)、光強和光周期條件,極大地提高了光能輸入效率及光能分布,能夠滿足高細胞密度培養(yǎng)時對光能的需求。同時,該PBR也可以在線精確調(diào)控pH、通氣量、CO2通入量、溶解氧和溫度等眾多理化條件,可以實現(xiàn)微藻快速生長、高效固定CO2。Rebolledo-Oyarce等[87]采用內(nèi)置LED光源的新型PBR研究了不同光質(zhì)對特氏杜氏藻Dunaliellatertiolecta生長的影響時發(fā)現(xiàn),藍光條件下獲得生物質(zhì)濃度是紅光條件下的1.7倍。最近,Zhang等[88]報道了一種新型內(nèi)置可變光譜LED燈的PBR,在該PBR中發(fā)現(xiàn)紅光和藍光比例為8∶2時可以顯著促進長耳齒狀藻Odontellaaurita生長,中試培養(yǎng)時(240 L)的最高生物量可達3.37 g/L,是外置光源中試培養(yǎng)(150 L)結(jié)果的1.57倍[89],顯著提高了細胞固定CO2的能力。

5 新興技術(shù)助力微藻高效固定CO2

新興技術(shù)是提高微藻CO2固定效率,進而實現(xiàn)微藻大規(guī)模工業(yè)化固定CO2的有力推手。近些年來隨著信息化和智能化技術(shù)的飛速發(fā)展,以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新興技術(shù)已經(jīng)成為推動微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新引擎。目前,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在監(jiān)測和調(diào)控微藻生長所需的光照、溫度、pH和營養(yǎng)鹽等條件中得到應用,從而提高了微藻的生物質(zhì)濃度和目標產(chǎn)物產(chǎn)量[90]。同時,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出多種智能化微藻培養(yǎng)光生物反應器[91-92],這為微藻的工業(yè)化生產(chǎn)提供了設備保障。更為重要的是,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以應用于微藻生物制品生產(chǎn)的全鏈條,包括上游過程中的藻種鑒定、有害藻株識別、藻細胞活性監(jiān)測、全自動控制及優(yōu)化微藻培養(yǎng)過程中的各種理化指標,以及下游過程中的微藻收獲、生物煉制及產(chǎn)品加工等過程[93]。這不僅可以高效培養(yǎng)微藻固定CO2,而且也降低了微藻產(chǎn)品生產(chǎn)過程中人力、物力及能耗損失,為發(fā)展智能、清潔、安全、綠色和經(jīng)濟的微藻生產(chǎn)新工藝提供了支持。今后隨著傳感器、微流控、微藻自動化、高通量平臺和深度學習等技術(shù)的不斷發(fā)展及在微藻生產(chǎn)中的廣泛應用,將會使微藻產(chǎn)業(yè)真正從“農(nóng)業(yè)模式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮I(yè)模式”,從而更好地為“雙碳”目標服務。

6 結(jié)論和展望

微藻生長速度快、CO2固定效率高,是生物捕集CO2的理想材料。但是利用微藻大規(guī)模工業(yè)化生物固定CO2仍處于初級發(fā)展階段,相關(guān)培養(yǎng)工藝和生產(chǎn)技術(shù)仍不成熟,而且也缺乏藻類高效固碳機制方面的有力支撐。為此,今后首先需要加強高效固定CO2藻株的選育,尤其是需要加強絲狀微藻生物捕集CO2方面的研究,同時結(jié)合分子生物學手段進一步提高絲狀微藻固定CO2的能力。同時,也需要從光管理、營養(yǎng)需求、營養(yǎng)方式優(yōu)化及CO2利用等方面入手開發(fā)微藻高效固定CO2的培養(yǎng)策略。進一步,還需要系統(tǒng)研究微藻處理煙道氣化合物技術(shù)來從工業(yè)CO2排放源頭高效捕集CO2以及NOx和SOx等有害氣體。此外,微藻高效培養(yǎng)PBR的開發(fā)及新興技術(shù)在微藻碳減排方面的應用也將極大地促進微藻固碳行業(yè)的發(fā)展?？梢灶A期,上述多個方向的共同發(fā)展與進步為今后工業(yè)化培養(yǎng)微藻真正實現(xiàn)高效率和低成本固定CO2并聯(lián)產(chǎn)高值生物質(zhì)提供了可能性及可行性。因此,微藻生物固碳技術(shù)在實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中具有極大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景。