随着时代的发展,环境的日益恶化,气候变化是当今人类面临的重大挑战之一,而目前我们面临的主要挑战之一是温室效应,造成温室效应的主要因素是二氧化碳,所以减少二氧化碳的排放就成为应对气候变化的有效措施之一。欧盟于2005年推出了欧盟排放交易系统(EU emission trading system , EU-ETS) ,通过排放配额和交易机制对工业排放进行控制; 2015年,巴黎协议在联合国气候变化大会上正式通过,旨在协调全球应对气候变化的行动,以减缓和适应其影响。在"十五”至“十四五”期间，中国政府实施了一系列政策措施,包括提升能源使用效率、推动可再生能源的推广、加强节能和减排工作,以及建立碳市场。这些举措旨在减少温室气体排放,并推动可持续发展。综上所述,各国政府对二氧化碳减排均给予高度支持的态度,说明二氧化碳减排迫在眉睫,已经成为全人类应对生存挑战的强有力的措施。

当前主要有三种二氧化碳固定技术,包括物理固定、化学固定和生物固定中,微藻固碳技术是一种新兴的生物固定二氧化碳的方法。主要是将二氧化碳转化为生物质能量,并通过微藻的光合作用进行储存的一种工艺。后续可以加工利用微藻中的蛋白质、脂肪、色素等,高效的二氧化碳转化和洁净无污染的处理过程,高度符合二氧化碳的资源化利用理念。

1.1总体趋势分析

年度发文量是考核科学研究发展情况的重要数值,在一定程度上反映了本领域知识量的增长情况。与我国政府提出的“十一五'至“十四五”期间的方针高度相关。微藻固碳研究文献总体数量在2009-2024年间呈上升趋势,如图1所示。在“十一五”时期( 2006-2010) ,中国实施了节能减排政策,推出了一系列节能措施。在“十二五”阶段( 2011-2015) , 设定了降低单位GDP能耗和二氧化碳排放强度的目标。进入“十三五”时期( 2016-2020 ) , 启动了碳排放权交易试点,为全国碳市场的建立奠定了基础,并提出了绿色发展理念,将生态文明建设融入国家发展总体规划。“十四五”期间( 2021-2025) , 中国承诺在2060年前实现碳达峰,并在同年实现碳中和,同时继续推进碳市场建设,完善碳排放权交易体系。这些政策旨在提高能源利用效率、推动可再生能源发展、加强节能减排工作、建设碳市场等措施,以实现减排目标并推动可持续发展。综上所述,中国政府对二氧化碳减排给予高度支持的态度。

1.2主要主题分布分析

微藻固碳属于生物固碳的一种，与微藻固碳研究相关度比较高的是光生物反 应器,如图2所示。微藻培养优化微藻生长培养条件促进微藻的生长代谢是增强固碳效果的有效策略。目前,微藻培养系统主要分为两类:室外露天跑道系统和密闭光生物反应器系统( packed bed reactor,PBR)中,开放式跑道系统是最为简便的微藻培养方式,它具有能源需求低、建设成本较低以及易于大规模生产等优点,但户外开放式系统在光照强度、pH值、 温度等环境因素方面不好调控,水分蒸发率高,且存在污染风险。为解决户外开放式跑道系统的上述局限性,进行了封闭式光生物反应系统的开发,封闭光生物反应器系统因其有效的温度控制和无菌环境,能够实现较高的二氧化碳固定效果、微藻生物质生产率、光合作用效率,降低交叉污染的概率,成为首选系统。

图2 主要主题分布统计图

据估计,全球范围内现存大概六万种微藻,不同种微藻的生理特性大相径庭。微藻的分布范围十分广泛,环境因素是影响微藻生理特性重要因素之一。 不同种类的微藻的固碳效率以及二氧化碳耐受程度也相差很大。大气中二氧化碳的含量约为0.03% ,远低于工厂排放的二氧化碳浓度。因此,微藻固碳技术的关键是选择固碳效率高且能耐受高浓度二氧化碳的藻种。目前研究表明Chlorella sp. UK001已经可以耐受40%浓度的二氧化碳；Chlorella sp. NTU-H15能够耐受60%浓度的二氧化碳,且在60%的浓度下,固定二氧化碳的速率在达0.11g:L-1.d-1~0.13g:L-1.d- 1之间,在最适5%二氧化碳浓度的生长条件下,二氧化碳的固定速率可以达到0.5g_L-.d-1-0.57gL-1.d-1[10 ; Chlorella sp. HA- 1可以在二氧化碳浓度为5% ~ 50%的范围内正常生长,在最适10%的二-氧化碳浓度下,固碳速率可以达到0.75g-.d-111 ; Chlorococcum lttorale在二氧化碳浓度为10% -20%的情况下,固碳速率可以达到0.85g:L-.d-1,能使用燃煤烟气中的- t氧化碳为碳源进行培养,最大二氧化碳固定速率达0.369gL-.-1。

2.1 分离纯化

地球上的微藻种类十分丰富,近年来,全球大量学者对野生微藻分离纯化研究,并取得了相当可观的成果[14。微藻分离技术是将富含多种微藻的水样通过特定培养基富集微藻数量,待实验水样明显变绿即可得到高密度藻液,再将高密度藻液进行分离纯化,最终得到单一属或单一种的微藻。当前的研究表明,微藻分离和纯化技术主要包括平板划线法、离心洗涤法、稀释过滤法、辐照法、毛细吸管显微分离法和抗生素法等。学者季方通过稀释法和平板划线法成功分离出一种生物量丰富的链带藻( Desmodesmussp.) ,并优化了其培养条件。实验结果显示,在28C的培养温度、131μmo/(m2-s)的光照强度、15:9的光暗周期和初始pH值为6的条件下,该藻在14天内的生物量累积可达到( 0.648+0.015 ) g/L。尽管目前已有许多野生藻株被分离出来,但仍有许多潜力巨大的藻种尚待发现。

2.2 藻种的固碳性能优化

2.2.1诱变育种

微藻分离纯化周期长,效率低,分离出的藻种不确定性相对较高,因此很难准确筛选出适合固碳用途的藻种,这些问题可以通过诱变育种方法得到很好的解决，常见的微藻诱变育种方法有物理诱变和化学诱变两种方法。

(1)物理诱变

物理诱变是指通过射线、紫外线、微波辐射等物理手段引发分子结构的变化,进而诱发染色体的异位、缺失、重组或断裂等遗传异,从而引起后代性状产生变异的技术[191。辐射源如紫外线(UV )、射线和重离子束在诱变技术中应用广泛。激光、超声波、太空诱变等新技术也在微藻繁殖中获得应用。韩晓轩利用低温等离子诱变技术对小球藻L166进行了改良,诱变株L166-M3的最大比生长速率提高了27.5% ,最高二氧化碳固定率可以达到93.7%。

( 2)化学诱变

化学诱变是一种通过使用化学诱变剂处理微藻,以获得突变藻株的育种方法,具有突变范围广、操作简便和成本低等优点。化学诱变在国内的研究从20世纪中期开始在国内迅速得到普及和应用,大量的生物育种使用化学诱变的方式为我国带来了高水平的经济发展和社会发展。化学诱变剂种类繁多,其中芥子气曾被广 泛使用。其原理是通过替换DNA中的两对碱基,或用碱基类似物替换天然碱基,改变核苷酸结构,从而改变DNA碱基位置,实现诱变育种。DAISUKE利用1-甲基3-硝基1-亚硝基胍(MNNG)对绿球藻FFG039进行诱变处理,诱变藻株的生物量与野生藻株相比提高了1.7倍。

2.2.2 基因工程编辑育种

基因工程又称为遗传工程是一种通过直接操控生物体基因组来改变其遗传特性的方法。其主要原理为将目标基因从其他生物体中提取,并克隆到微藻的表达载体中,通过物理(如电穿孔)、化学(如聚乙烯醇)或生物方法(如农杆菌介导的转化)将克隆的基因导入微藻细胞中,最后使用选择性培养基或标记基因(如抗生素抗性基因)筛选成功转化的微藻,最后确认外源基因在微藻中的表达,并评估其对微藻生长、代谢或产物生成的影响。对固碳藻种来说,可以通过基因编辑技术(如CRISPR/Cas9 )增强微藻中的光合作用相关酶的表达,或者引入具有更高光合作用效率的外源基因,提高藻种的光合作用效率。

3.1 微藻固碳工艺影响因素

自然界中,利用光能将二氧化碳和水转化为有机物质和氧气的生物化学过程称为光合作用,以光能自养生长为主要生长模式的微藻为例，微藻利用叶绿素等色素,吸收太阳光,激发电子,制造氧气,释放出能量。这一过程主要发生在叶绿体内。光合作用过程的关键反应有光合电子传递链和-卡尔文循环。光能在光合电子传输链中被叶绿素等色素所吸收、激发电子、制造氧气并释放能量。在卡尔文循环中,二氧化碳被固定为三碳化合物,经过一系列酶催化的反应 最终生成葡萄糖等有机物。但是,光合自养培养方式下的微藻生长较慢,导致其固碳速率也会大打折扣。影响微藻进行光合作用的主要因素有二氧化碳浓度、光照、温度、pH。

(1)二氧化碳浓度

微藻培养系统中的碳含量是影响生长的主要因素之一, 无机碳含量不足对微藻生长的抑制作用显著,微藻在培养系统中对氮磷的吸收作用会受到很大程度的限。微藻可以利用溶解在水中的二氧化碳和HCO3为碳源。研究表明,当二氧化碳浓度在1%-5%之间时,对微藻的生长有积极作用。如何降低高二氧化碳浓度 负荷对微藻生长的消极影响,一直 是微藻固定烟气中二氧化碳领域的研究热点。大多数微藻只在低二氧化碳浓度水平下生长,当二氧化碳浓度水平高于10% (v/v)时二氧化碳会抑制微藻的生长和光合作用效率,极少数的微藻物种能够容忍极高的二氧化碳浓度。

(2)光照时间

光照时间及光/按周期会影响微藻的生长。由于光合自养微藻依靠光吸收能量并将其转化为化学能,因此光对藻类生长及固碳有重大影响。其中光照时间是光合生物发育的关键因素之一。 AMINI研究了光周期和辐照度对寻常小球藻生物量和脂肪酸( FA)组成的影响,结果表明,在不同强度和光周期下,生物量和脂肪酸发生了显著变化。同时,根据大量研究表明,微藻在暴露于高光照水平时会产生更多的生物质,这在一定程度 上促进了微藻的生长。

(3)环境温度

微藻的光合作用是一系列与温度密切相关的生物化学反 应过程,因此培养温度是微藻生长以及固定二氧化碳过程中重要的环境因素,温度对微藻这类光合生物的生理活性和固碳效果有很大影响。低温会降低酶的活性,从而导致光合作用的效率大大降低;相反过高的温度也会抑制微藻正常代谢,刺激光呼吸,最终影响光合生物的发育。有研究结果表明,最常见的微藻品种可以容忍的温度在15-30℃之间,低于15℃和高于30℃的温度会使光合生物产生生理应激进而影响微藻的固碳途径和代谢活动。然而,当工业烟气为微藻生长提供营养时,经过脱硫过处理后的烟气出口温度可高达60~70℃。因此需要准备冷却的预处理工艺,以防止微藻在过高的温度下死亡。

(4)pH值影响

不同藻类对pH值的需求各异。是的，当环境pH值偏离微藻的最佳范围时,生长和代谢活动会显著受限。以紫球藻( P. cruentum)为例,其最佳pH为7.6 ,偏离此值会抑制生长并降低EPA含量。等边金藻( I. galbana )在pH6.0~ 8.0范围内表现最佳，pH值低于6时,生长速率下降,但EPA和PUFA含量在pH为6时最高,随后随着pH值上升而降低。pH值对衣藻的生长和超微结构也有较大的影响,生长的最佳pH值均为8.4-6.4。pH值的变化对不同微藻的生物量和脂质含量有不同的影响。例如,角毛藻( Chaetoceros muelleri var. subsalsum )和舟形藻( Navicula sapropila )在pH值增加时通常会表现出生物量和脂质含量的提升。特别是对舟形藻, pH值的升高对其生物量和脂含量的影响更为显著。这种效应可能与微藻对环境pH值的适应机制以及其代谢途径的调节有关。不同的微藻种类对pH的响应差异表明了它们在不同环境条件下的生长优化策略。后棘藻的适宜pH范围为7.5~9.0 ,当pH值为8.5时生长速率和总脂含量均达到最大。

3.2微藻采收

微藻采收是微藻固碳工艺的重要步骤之一,微藻采收率对固碳工 艺的经济效益具有很大影响。目前主要采取的收集方式有离心沉淀法、过滤法和真菌介导法。离心沉淀法是指通过离心设备在适当的转速下将微藻和液体分离的过程。离心沉淀法的采收率较高,可以达到95%。但是离心沉淀法的设备要求和操作标准均比较高,经济效益低,不利于生产。过滤法是指依据微藻直径不同设计过滤装置实现藻液分离的目的,但该方法只适用于体积比较大的微藻,适用范围受限。真菌介导法是指在微藻生物培养的环境中投放具有聚集成球性质的丝状真菌孢子, 丝状孢子会伴随着微藻不断生长,最终形成菌藻共生体,直径在3~ 5mm之间,再通过简单的过滤方式将菌藻共生体处理后,就可以达到98%的微藻采收率,这种方法可以作为突破微藻难以收集的关键,值得继续深入研究。

3.3微藻固定二氧化碳应用现状

Heliae Development的藻类生物反应器通过引入工业废气中的二氧化碳(如发电厂、制造厂等) , 微藻能够将二氧化碳转化为藻类生物质。这些生物质可以进一步加工 成生物燃料、饲料和营养补充品。该公司可以可以实现每年高达20吨的藻类生物质生产量，相当于每年固定约50吨二氧化碳。Sapphire Energy的“绿色石油”项目使用的是一个"Algal Biofuel Production System" ,这种系统利用开放式或封闭式的光生物反应器来培养微藻。在这些反应器中,微藻通过光合作用固定二氧化碳,并将其转化为油脂。这些油脂可以转化为生物柴油和航空燃料,提供了一种可再生的能源来源。Sapphire Energy在其新墨西哥州的设施中,每年生产了数千吨的藻类油脂,同时减少了大约1500吨的二氧化碳排放。Phyco2使用"Phyco2 Wastewater Treatment System"处理技术,这是一种集成了微藻生长的废水处理单元。该系统利用废水中的营养物质和二氧化碳来促进微藻的生长。在处理废水的同时,微藻能够有效地吸收二氧化碳,并去除废水中的污染物。处理后的水质得到显著改善,同时生成的藻类生物质可用于农业肥料和生物燃料。在处理城市污水的项目中,该系统能够每年处理数百万升的废水,并固定数十吨的二氧化碳。

微藻的生物固碳技术不仅可以降低碳排放,还能利用微藻的生物质,十分具有发展前景。尽管近些年来对于微藻固碳技术已经有很多研究,该技术仍存在许多问题。微藻的分离纯化通常需要较长的周期,且对于分离纯化出来的藻种的固碳性能还需要做进一步研究，效率很低。基因编辑技术改造效率高,但是不同种微藻的遗传背景大相径庭,特异性比较高,应用范围受限。微藻固碳过程中，随着二氧化碳的不断通入,藻液的pH值会越来越低,会在很大程度上降低固碳效率。我们还需要优化针对固碳藻种的选育方法，加强利用现代生物技术改造藻种方面的研究,使藻种在高浓度二氧化碳的环境 下依然能够保持较高的固碳效率。除此之外,还需要继续深入优化反应器的各项参数,提高微藻在生物反应器中的固碳效率。