微藻

1 微藻固碳机理CO2 固定是微藻利用光反应产生的A TP 和NAD P H 合成有机物的过程,该过程是由Calvin 和Benson 发现的,因此被称为Calvin - Benson 循环,简称Calvin 循环.Calvin 循环由13 个步骤组成,主要分为羧化、还原和再生3 个阶段. 羧化阶段仅有一个反应,即在核酮糖-1 ,5-二磷酸羧化酶( Rubisco) 的作用下,催化核酮糖-1 ,5-二磷酸和CO2 产生3-磷酸甘油酸. 还原阶段有两步,首先在3-磷酸甘油酸激酶的作用下,3-磷酸甘油酸被A TP 磷酸化,形成1 ,3-二磷酸甘油酸,然后再在磷酸甘油醛脱氢酶的作用下,被NAD P H 还原为甘油醛-3-磷酸. 最后是核酮糖-1 ,5-二磷酸的再生阶段,甘油醛-3-磷酸分子在酶与A TP 的作用下转变、酸化形成核酮糖-1 ,5-二磷酸,核酮糖-1 ,5-二磷酸再与CO2 结合,完成以上循环,从而实现对CO2 的固定.2 微藻固定CO2 技术的研究现状2. 1 固碳微藻的分离驯化技术从目前全世界每年人为的CO2 排放比例来看,因化石燃料燃烧而排放到大气中的CO2 总量占人类活动排放总量的80 % ,因此,要控制CO2 排放,应该有效地处理因燃料燃烧而排放的CO2 . 固定高浓度CO2对所用微藻的要求十分严格,要求微藻必须能够耐受高浓度CO2 、高温及SOx 、NO x等的影响. 通常化石燃料燃烧所排放气体中CO2 的含量能达到15 % ( v/ v),甚至会高达20 %~30 %. 一般微藻适宜生长的CO2 浓度是低于5 % ,而大于5 %的高浓度的CO2 对微藻会产生毒害作用. 过高浓度的CO2 对微藻细胞质有“毒性”作用,因为酸化导致“麻醉”( Rabinowitch 1951) ,从而降低光合作用的水平. 微藻由低浓度的CO2 转入高浓度的CO2 时,其光系统会受到不同程度的影响,起初光系统Ⅱ( PS Ⅱ) 会处于抑制阶段,活性降低,同时伴随着PS Ⅱ最大光化学效率和PS Ⅱ量子产率不同程度的降低. 随着微藻生长速度的加快, PSⅡ水平逐渐恢复正常. 光系统Ⅰ( PS Ⅰ) 则先显著升高,然后再回落至正常水平. 同时高浓度CO2 会明显抑制微藻细胞的碳酸酐酶(CA) 活性和CCM 的形成,阻碍CO2 固定. 因此,很多研究工作都围绕分离和驯化具有高浓度CO2 耐受性的微藻展开,典型的研究成果有:1) Kurano 等从韩国釜山海边培养出一种海洋绿球藻Chlorococcum littorale , 该藻在10 %~20 %浓度的CO2 条件下能够快速地生长,生长速率达到01078 h. 试验采用3 种不同容积的培养容器(10mL 、4 L 、20 L ) ,分别通入20 %、20 %、10 %浓度的CO2 ,考察不同环境下微藻的固碳情况,光照强度控制在20 000 lux左右,结果发现该种绿藻的固定CO2 速率分别达到4 、0165 、0185 g/ (L ·d) . 另外对从温泉中培养42 个样品进行耐热耐酸试验,对藻样通入20 %的CO2 ,设定培养温度为40 ℃,p H 2 ,结果只有3种红藻存活,分别为: Cy ani di um cal dari um , Gal dieri a p arti ra 和Cy ani dilschy z on mel orae. 进一步提高温度到50 ℃,调整p H 到1 ,通入10 %的CO2 及50 ×10的NO ,3 种藻均可以继续生长,紧接着通入50 ×10的SO2 ,经过5 d 培养,只有Gal dieri a p art i ra 能继续生长,5 d 后藻液浓度增加40 %.2) Yo shihara 等在日本Kinki 地区海洋中通过对74 种海藻进行筛选,得到一种海藻N annochlorissp . NOA2113 ,并研究了NO 对该藻的影响. 培养过程中,在4 L 藻液中以150 mL/ min 的流速通入15 %的CO2 ,同时用白炽灯提供9500 lux 的光照,培养5 d 后测得该种海藻有较高的固定CO2 速率,平均为315g/ (L ·d) . 在培养的第4 天通入NO 进行试验,浓度为100 ×10和300 ×10,培养2 d ,结果表明2 种浓度的NO 对N annochloris sp . NOA2113 有微弱的抑制作用,但生长速率与无NO 藻样相差不大.3) Mat sumoto等研究了3 种藻N annochloropsis sali na , Phaeodact y l um t ricorm ut um 及Tet rasel2mis sp . TM2S3 对实际烟道气CO2 固定的效果. 烟气源自日本仙台Toho ku 电厂,成分主要包括CO2 :1411 % ;O2 :113 % ;SOx :185 ×10;NOx :125 ×10. 试验证明3 种藻在高浓度CO2 环境下均可以快速生长,其中Tet rasel mis sp . TM2S3 的固定CO2 速率最高达40 g / ( m·d) (长方体培养容器:长215 m ,宽018 m ,高0125 m) .4) Watanabe 等从稻田中驯化出一种小球藻HA21 ,该藻在5 %~50 %的CO2 下,均可以保持生长,并且当浓度在10 % ,光照55 000 lux , CO2 流速控制在250 mL/ min 时,固定CO2 速率达到最大6104g/ ( m·d) (圆柱形培养器:直径8 cm , 高40 cm ) .6) Brown与Sung等分别培养出微藻M onora p hi di um mi nut um 与Chlorel l a KR21 ,虽然没有直接给出2 种微藻具体的固碳数据,但试验证明2 种微藻都能在高浓度CO2 下快速生长. M onora p hi di ummi nut um 以大约1 ×10个/ mL 的初始浓度接种于300 mL 培养基中,通入1316 %的CO2 ,200 ×10的SO2 , 150 ×10的NO ,控制光照10 000 lux ,16 :8 光照比,并加以磁力搅动,转速150 r/ min ,培养4 d 后,藻细胞浓度达到大约1 ×10个/ mL ,显示出该种微藻能高效固碳,并且对NO ,SO2 具有较好的耐受性.7) 岳丽宏等从沈阳市南郊稻田取得泥水混合物,培养出Chlorel l a sp . ZY21 ,在光照55 000 lux ,通入的CO2 浓度为10 %时,小球藻ZY21 对CO2 的固定速率最大,约为21023 g / (L ·d) . 当CO2 浓度在10 %~20 %的范围内,ZY21 对CO2 的固定速率相差不大,CO2 浓度为15 %和20 %时, Chlorel l a sp . ZY21的CO2 固定速率分别为11922 和11855 g / (L ·d) . 当CO2 浓度大于30 %时,ZY21 对CO2 的固定速率有下降的趋势. 在CO2 浓度为70 %时,该藻对CO2 的固定速率为01234 g / (L ·d) ,仍能起到固定作用. 同时通过试验说明当气流中含有400 ×10SO2 时,培养液从初始的p H6. 0 降至p H3. 0 ,小球藻ZY21 生长完全受到抑制,几天后藻液由绿变白直至死亡.8) ED2Haun Chang 等通过对台湾湖泊、池塘、温泉、稻田及海洋的调查,在200 多种微藻中筛选出1 种单细胞绿藻Chlorel l a sp . N TU2H15 ,试验温度采用30 ℃,并且提供30 000 lux 的光照,发现微藻能在60 %浓度CO2 的环境中生长,根据藻细胞中碳含量大约占干重的50 %计算,其固定CO2 速率能达到0111~0113 g / (L ·d) ,但最大生长速率出现在CO2 浓度为5 %的情况下,固定CO2 速率达到0151~0157g / (L ·d) ,当CO2 浓度在20 %时,固定CO2 速率能达到0139~0150 g / (L ·d) .9) 郭祯等对亚心形扁藻进行研究,分别将浓度为5 % ,10 % ,15 %的CO2 通入藻液,温度控制在25℃,光照强度为3000 lux. 经过10 d 的培养,该藻藻液浓度分别比初始浓度增长316 倍,216 倍,213 倍,藻细胞增加数量约为316 ×10,216 ×10,213 ×10个.10) 刘玉环等对微藻S cenedesm us di mor p hus 通入3313 %的CO2 进行研究,p H 控制在715 时,微藻最大固定CO2 速率约为0199 g / (L ·d) .3 微藻固碳具体实施实例随着微藻固碳技术的不断进步,国内外已经有了一些初步的应用,具有代表性的应用模式有:1) 夏威夷的蓝藻生物技术公司,利用一些小型能源工厂排放的烟道气作为规模培养螺旋藻和血球藻的碳源. 该公司采用小型供能发电站发电产生的CO2 作为藻类培养所需碳源. 2 个功率为180 kW 的发电装置提供67 个培养池搅拌所需的电能和其他消耗,发电过程产生的废气中含8 %的CO2 回收至CO2 吸收塔作为碳源,其回收利用率为75 %左右,相当于每个月通过生产36 t 螺旋藻藻粉,重复消耗67 t 的CO2 ,并节省了购置CO2 气体所需费用.2) 台电综合研究所将电厂排放的CO2 作为养殖微藻所需碳源. 与同样1 hm面积相比,植树一年可捕获25 t 的CO2 ,而微藻一年可捕捉58~90 t 的CO2 ,减碳成效不容小觑. 该研究所利用台湾亚热带环境的优势,于台电大林火力发电厂进行微藻固定CO2 先导型微藻养殖减碳试验,自电厂烟道抽取烟气以海水脱硫后供应养殖系统,利用微藻生长特性,吸收太阳光、热及电厂CO2 后,进行光合作用. 1 kg 的CO2 经过微藻光合作用转换后,可产生0157 kg 的蓝绿藻和0173 kg 的氧气,这些蓝绿藻可制成保健食品、动物营养强化剂及微藻美容制品等. 台电综合研究所以本土性微藻为研究对象,经过长期观察试验,筛选出适合电厂烟气CO2 固定的2 种微藻———黄金藻及螺旋藻,并完成大型光合反应器与立体光合反应器的建设工作.3) 1990 —2000 年,日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目. 该项目利用微藻固定CO2 , 并着力开发密闭光合生物反应器技术,通过微藻吸收火力发电厂烟气中的CO2 来生产生物质能源. 该项计划共有大约20 多个私人公司和政府的研究机构参与,10 年间共投资约25 亿美元,筛选出多株耐受高CO2 浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种,建立起了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案.将微藻固碳应用到工业生产,有着广阔的发展空间和巨大的经济效益. 目前,利用微藻进行实际的生产还处于起步阶段,实际应用中还有许多问题需要解决. 但随着人们对微藻性质研究的不断深入,通过技术手段不断增强微藻对环境的适应宽度,可以预见,今后微藻应用技术会有更广阔的发展空间.4 存在问题与展望目前,世界各地已经研究出多种适合固定高浓度CO2 的微藻,其中大部分藻种属于海洋藻种,利用海洋微藻固定CO2 对于运行设备的技术要求相对较高,其中主要是防止海水对设备的腐蚀. 因此分离驯化淡水藻种是一条可行的技术路线,但目前这方面的研究还不多. 用淡水藻固碳不仅对生产设备要求相对较低,而且最重要的是可以与污水处理工业相结合,不但节省淡水资源,而且可以有效去除污水中多种污染物质,有效地保护环境. 基于目前利用微藻固定CO2 技术的现状,迫切需要继续加强此项技术的研究,主要集中在以下2 个方面:1) 藻种的选择、培养、驯化. 在微藻的选择上,应尽量选择能够高效固定CO2 ,有较高经济附加值的淡水藻种,并且通过基因工程技术,提高微藻固碳效率,增强微藻对各种环境因素的耐受性. 有较高耐受性微藻的优势在于可以把烟气等包含高浓度CO2 的气体经过简单处理后或直接通入藻液中,而且对周围环境条件的要求也相对较宽松,这样不仅在很大程度上节约了生产成本,而且避免了不必要的二次污染.2) 开发和放大高效光生物反应器,进一步提高CO2 处理量. 随着今后工业生产规模的不断增大,排气量也随之增大,开发和放大高效光生物反应器可以有效地适应工业生产的要求,做到最大限度地处理排放气体.当前,世界的CO2 排放量每年逐渐增加,尽快完善微藻固碳技术直接关系到世界经济的发展,这对于科研工作者是一项巨大的挑战.Pike研究公司预测到2020年全球来自于藻类的可再生燃料的市场价值将达到13亿美元。