微藻生物固碳技术在“双碳”目标中的应用前景

张 虎,谭英南,朱瑞鸿,洪 建,高保燕,张成武

(暨南大学 生命科学技术学院 生态学系 水生生物研究中心,广东 广州 510632)

自工业革命以来,人类向大气中排入的二氧化碳(CO2)等吸热性较强的气体逐年快速增加。统计显示,2019年全球CO2排放量达到341.7亿t,比20世纪末的排放量增加了47.7%[1]。这加剧了温室效应及海洋酸化,造成灾难性气候变化频发、环境污染加重,严重威胁全球生物多样性、生态稳定性以及粮食和食品的安全性等[2-3]。为了避免这种情况持续恶化,联合国从20世纪90年代开始相继出台了《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》和《巴黎协定》,明确规定各国需要承担的CO2减排任务。我国是最早签署《联合国气候变化框架公约》的缔约方之一,也是《巴黎协定》的积极推动者。2020年9月,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布,我国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和[4]。为此,开发清洁、高效、经济的CO2固定技术来降低CO2净排放量、大力发展CO2高效环保利用技术实现CO2的资源化利用来降低现存量是减排CO2、实现“双碳”目标的重要手段之一。目前,在常用的CO2固定方法中,生物固定法尤其是微藻CO2生物固定技术已经被证实是一种环境友好和可持续发展的CO2固定策略[5-6]。微藻在光合作用中通过光反应阶段产生的能量(ATP)和还原力(NAD(P)H)在暗反应阶段将CO2同化为糖类等有机物,这些有机物在藻细胞内可进一步转化为高值化合物,如油脂、蛋白质、多糖、色素和多酚等,可为能源、食品、饲料、医药、化妆品和保健品等行业提供原材料,从而将CO2“变废为宝”,实现其在国民经济中的巨大潜在应用价值。

到目前为止,国内外已经相继开展了利用微藻规模化固定CO2的研究。1990—2000年,日本国际贸易和工业部资助的“地球研究更新技术计划(RITE)”项目筛选出多株CO2固定效率高的微藻,并利用这些藻株对火电厂废气中的CO2进行了吸附清洁研究[7]。2016年,我国科技部组织的“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项“二氧化碳烟气微藻减排技术”项目在内蒙古鄂尔多斯市鄂托克旗乌兰镇螺旋藻产业园区建立了CO2固定示范工程。同年,国家开发投资集团有限公司(国投)的微藻生物科技中心也开展了微藻固定电厂CO2的中试研究[8]。但是现阶段利用微藻工业化固定CO2仍面临低效率及高成本等问题的严峻挑战。本文综述了高效固定CO2藻株的选育、提高微藻生物固定CO2的培养策略、微藻高效培养光生物反应器(PBR)的开发、微藻处理烟道气化合物技术及新兴技术助力微藻碳减排等内容。同时,结合现阶段微藻生物固碳技术所面临的挑战,展望了微藻生物固定CO2在“双碳”目标中的应用前景,以期为利用微藻产业化高效平价固定CO2、高值化利用CO2提供参考,从而加速“双碳”目标的实现。

1 高效固定CO2藻株的选育

藻株选育是获得生长速度快、光合作用效率高、CO2耐受及固定能力强等集多种优良性状于一身的“理想藻株”的有效手段[9-10]。常用的藻株选育手段包括从自然藻株中筛选具有优良性状的藻株以及利用基因工程手段改良藻株的某些特性。

1.1 自然藻株选育

据估计,全球存在50 000多种微藻,其中已被发现和研究的微藻不足30 000种[11],这为筛选合适的藻株进行CO2生物固定提供了广阔的种质资源。此外,微藻不仅广泛分布于海洋、河流和湖泊等水体,是这些系统中初级生产力的主要组成部分,而且存在于极地、冰川、沙漠和盐碱地等各种极端生境,成为这些生境中的“先锋植物”。这些不同的生境甚至可以赋予某些微藻特殊的性状,如耐低温、耐酸或耐盐碱等,这为因地制宜、合理利用当地资源来充分发挥这些微藻的独特优势提供了可能。目前,常用来筛选高CO2耐受及固定能力藻株的方法是在相同光自养条件下,考察藻株在不同CO2浓度下的生长特性、光合作用效率、CO2耐受及固定能力等,从而获得满足实际需求的藻株[9,12-13]。Basu等[14]采用此种策略筛选到1株CO2固定效率高达(252.883±0.361) mg/(L·d)的栅藻(ScenedesmusobliquusSA1)。此外,也可以通过物理、化学方法随机诱变(random mutagenesis)或者采用实验室适应性进化(adaptive laboratory evolution)[15]等策略对自然藻株的某些性状进一步改良,如提高细胞耐受高浓度CO2的能力等。Cheng等[16]采用γ线诱变小球藻(Chlorellasp.),不仅提高了藻细胞在15% CO2(体积分数,下同)条件下培养的耐受性,而且生物质浓度也提高了25%。Li等[17]采用实验室适应性进化的策略对Chlorellasp.进行耐CO2驯化,经过31个周期的驯化后发现,在10% CO2条件下的驯化的菌株可以在30% CO2条件下快速生长,其生物质浓度是未驯化菌株在同等培养条件下的2.94倍,显著提高了藻细胞的生长速度及CO2固定速率。在自然藻株中,单细胞绿藻尤其是Chlorellaspp.[18-19]和栅藻Scenedesmusspp.[14,20- 21]由于生长速度、环境适应能力强及CO2固定效率高等优势,常被用于生物固定CO2。但是这两个属的微藻细胞体积都很小(2～20 μm)(图1(a)和1(b)),并不利于后续生物质的采收,进而严重限制了这些微藻在实际生产中的应用。与单细胞微藻相比,丝状微藻的细胞体积明显更大(藻丝长度200 μm以上)(图1(c)和1(d)),可以直接通过滤网采收,能够节省20%以上的生产成本[22]。同时,丝状微藻较大的藻丝体也可以有效抵抗原生动物的捕食,增大了大规模培养时成功的概率[23]。更为重要的是,丝状微藻的生长速度也很快,其光合作用效率和CO2固定能力与单细胞绿藻相差并不大,甚至可能更高[24]。此外,一些丝状微藻还可以积累大量高附加值产品,如小黄丝藻Tribonemaminus可以分别积累1%和20%(以细胞的干质量计)以上的二十碳五烯酸(EPA)和棕榈油酸[25-26],枝鞘藻Oedocladiumsp.可以积累1.62%的虾青素[27]。这也为利用丝状微藻进行CO2生物固定,同时联产高附加值产品来进一步降低生产成本提供了可能。为此,开发基于丝状微藻的CO2生物固定技术,有望在未来实现CO2的经济、高效、稳定及大规模化生物捕集和高值化利用。

图1 四种不同微藻的形态特征及细胞大小Fig.1 Cell morphology and size of four different microalgae

1.2 基因工程改良

随着分子生物学技术的不断发展,基因工程手段,如归巢核酸内切酶(meganucleases)编辑技术、转录激活样效应因子核酸酶(TALENs)编辑技术以及成簇间隔短回文重复序列(CRISPRs)编辑技术[28]等已经广泛应用于改良微藻的性状。在增强微藻光合固碳能力方面,可以通过改良以下3个潜在靶位点来提高细胞固定CO2的能力[10],即提高CO2固定酶的效率、改变捕光色素复合蛋白及引入其他固碳途径来减少CO2和能量的损失(图2)。

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

调控CO2固定途径关键酶的表达量是提高微藻CO2固定能力的一个有效方法。在微藻中,卡尔文循环(Calvin cycle)和CO2浓缩机制(CO2-concentrating mechanisms,CCMs)主要参与CO2固定[10]。前者可以将固定的无机碳转变为有机碳,后者可以增强无机碳向前者的传递。在卡尔文循环中,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)进行羧化反应,从而将CO2固定下来。因此,RubisCO是光合作用中决定碳同化速率的关键酶,提高该酶的表达量可以增强微藻细胞的固碳能力。Wei等[29]在海洋微拟球藻Nannochloropsisoceanica中过表达了1个候选RubisCO活化酶,在低浓度CO2条件下(0.04%)可将藻细胞的生长速率提高32%、生物质浓度提高46%,显著增强了细胞的固碳能力。

第二种提高微藻光合固碳能力的方法是优化藻细胞的捕光色素复合蛋白。它可以通过3种潜在途径实现,即增加微藻可吸收利用的光合有效辐射(PAR)的宽度,降低非光化学淬灭(NPQ)带来的能量损失以及理性调控NPQ并提高微藻细胞对氧化损伤的抵抗力(图2)。通常微藻可吸收利用的PAR波长范围为400～700 nm,但是一些蓝藻中的光合色素,如叶绿素d和f,其吸收波长都可以超过700 nm[40]。在高等植物或者微藻细胞中增加叶绿素的种类可在PAR延伸至750 nm时将细胞可利用的光量子数提高19%,从而为光合作用提供更多的能量[41]。因此,推测在绿藻或者其他藻类中通过基因工程手段导入叶绿素d或f的编码基因有望提高微藻固定CO2的能力,但是目前相关研究成果仍然匮乏[10]。微藻的两个光系统(PS Ⅰ和PS Ⅱ)中都含有光反应中心蛋白及与之相结合的天线色素复合物。这些复合物主要由天线蛋白连接叶绿素和叶黄素类构成,也被称为捕光天线蛋白。它们可以增强藻细胞在低光条件下对光量子的吸收,同时也可以在高光条件下将多余的光能以NPQ的形式进行耗散,从而保护藻细胞免受强光的伤害[42]。但是这种光能耗散策略会导致光的利用率降低,而且这些天线蛋白的体积比较大,在微藻高密度培养时会相互遮挡导致反应器内侧的藻细胞接收到的光能不足,从而限制微藻的生长[42]。通过基因工程手段降低光系统中叶绿素的数目或者天线色素的含量来优化捕光色素复合蛋白,可以提高微藻细胞对高光的适应以及光在藻液中的通透性,从而降低NPQ效应,提高藻细胞对光能的利用效率,进而提高微藻的生长速率及固碳能力[42-44]。此外,微藻细胞中负责调控NPQ的2个关键蛋白是LHCSR和PSBS[45-46],合理表达这两个蛋白可对NPQ进行理性调控以促进微藻生长。Perozeni等[47]在莱茵衣藻Chlamydomonasreinhardtii中调控LHCSR表达量来微调NPQ,结果发现,这可以提高藻细胞的光合作用效率和生长速率。Malnoe等[48]研究发现,在强光条件下,微藻细胞不仅能够调控NPQ来抵抗这种逆境,而且藻细胞本身也存在其他抵抗光氧化胁迫的保护机制,如抗氧化酶和叶黄素循环等。因此,通过基因工程方法来合理调控这些保护机制,从而提高藻细胞的抗氧化能力,也是保障微藻快速生长、高效固碳的一个有效方法。

引入其他固碳途径同样可以提高微藻固定CO2的效率(图2)。微藻在光合作用中通过卡尔文循环固定的初级有机物是3-磷酸甘油醛,再经一系列反应生成葡萄糖,葡萄糖经有氧呼吸产生乙酰辅酶A来为机体提供能量。但是,从3-磷酸甘油醛(3碳糖)到乙酰辅酶A(2碳糖)的转化过程中存在碳损失。为了避免这种情况,Yu等[49]在细长聚球藻SynechococcuselongatesPCC7942中构建了一种人工设计的MGG(malyl-CoA-glycerate)途径,可将1分子3-磷酸甘油醛与1分子CO2转化成2分子乙酰辅酶A,实现了碳的零损耗,从而将CO2固定效率提高2倍。因此,在微藻细胞中理性构建固碳途径来增加碳固定可以提高CO2的固定效率。此外,微藻的光呼吸过程会消耗能量,并释放CO2,成为限制光合作用效率的一个主要因素。在高等植物拟南芥Arabidopsisthaliana中发现,通过酶工程和代谢工程设计一种可以绕过光呼吸的通路实现CO2零释放,进而提高固碳能力[50],这也为今后在微藻中降低光呼吸、减少CO2释放来提高CO2固定效率提供了一个潜在的改良方法。

2 提高微藻生物固定CO2的培养策略

微藻在光合作用时利用光能将CO2和水同化为糖类等有机物,供细胞生长和代谢之需。因此,影响微藻光合作用及生长的因素都会对其生物固定CO2的能力产生影响。重要环境因子、营养因子及培养模式是决定微藻光合作用效率和生长状况的主要因素。提高微藻生物固定CO2的培养策略主要包括以下4个方向,即光管理(light management)、营养需求(nutrient requirements)、培养方式优化(trophic optimization)和CO2利用(CO2utilization)(图3)。

图3 提高微藻生物固碳能力的培养策略Fig.3 Main culture strategies for improving CO2 sequestration in microalgae

2.1 光管理

光是影响微藻光自养生长的最重要因素,它不仅为微藻生长提供能量,而且还作为信号分子调控细胞中多种代谢产物的合成[51]。因此,光管理对于提高微藻的光合作用效率及CO2固定率至关重要。太阳光是多数微藻进行室外大规模培养时常用的光源,但是太阳光极易受到季节、气候及所在地经纬度等条件的限制,所以需要选择太阳辐射量相对充足的区域来培养微藻才能提高光合作用效率。以我国为例,云南省地处热带和亚热带气候、日照时间较长,海拔高、光线充足,而且全年温差小,国内多数微藻生产企业都在此建立生产基地。除了太阳光之外,人工光源,如高压钠灯、荧光灯及发光二极管(LED)等也可以为微藻培养提供光照。其中,LED具有高效、节能、精准可控、体积小及使用寿命长等诸多优势[52],目前已经广泛应用于多种微藻的培养及相关生物制品的生产中[53-54]。基于LED的研究发现,光强、光质和光暗周期都可以对微藻的光合固碳能力产生显著影响[52,55]。因此,对于某一特定藻株来说,需要系统研究不同光条件对其光合作用效率的影响,才能最大限度促进细胞生长。Che等[56]对球等鞭金藻Isochrysisgalbana的研究发现,当LED红光和蓝光比例为50∶50、光强400 μmol/(m2·s)、光暗周期18 h∶6 h时,最有利于藻细胞生长,生物量最高可达1.25 g/L。同时,处于对数生长期的藻细胞密度会随着培养时间的延长不断增大,细胞之间相互遮挡加剧,从而导致光的透过性减弱,所以位于反应器内侧的藻细胞会因光能不足而生长受限。为此,开发LED闪光(flashing light)培养模式通过增加光照强度,使光的透过性增强,同时每隔固定时间(几毫秒、秒或分钟不等)停止光照,使细胞免受光抑制或在光抑制后有充足时间进行修复,这样可以使微藻接收到的光量子数和连续光照条件下的相同[57]。这种培养策略不仅可以为高密度培养的细胞提供充足光能,而且间断光照也有利于节约电能、降低生产成本。Yustinadiar等[58]采用LED蓝光闪光模式培养微拟球藻Nannochloropsissp.,与对照组相比,可将生物质浓度提高70%。值得注意的是,不同种类的微藻具有差异性的捕光色素及光敏色素,这也导致它们对不同光质光能的响应、传导、吸收和捕获存在很大差别[59]。合理调控LED光质种类及其比例将有助于提高微藻的光合作用效率、促进藻细胞生长。Esteves等[60]比较了3种光质(白光、红光和蓝光)对普通小球藻C.vulgaris生长和生物固碳的影响,结果发现,白光条件最有利于细胞生长,此条件下CO2固定效率最高,可达11.4 mg/(L·d)。Yang等[61]比较了不同比例LED红光和蓝光对三角褐指藻Phaeodactylumtricornutum生长的影响,结果发现,当红光和蓝光比例为6∶1时,藻细胞的生物量最高,可达6.54 g/L。此外,同一株微藻在不同光质下的生长状况和关键代谢产物积累量也会存在较大差异。为此,采用“两步法”甚至“多步法”的培养策略,先在合适光质条件下促进藻细胞生长,然后转变光质来诱导关键代谢产物的积累,可以实现微藻高效生物固定CO2及联产高附加值产品[51]。Li等[62]研究发现,先用红橙光培养莱茵衣藻Chlamydomonasreinhardtii来促进细胞生长,然后再用蓝光培养诱导细胞积累油脂,可将生物质产率提高18%,油脂含量提高25%。

2.2 营养需求

营养需求对满足微藻快速生长、高效固定CO2也发挥重要作用。微藻生长的基本营养需求包括C、N、P、S及Fe等微量元素,但是不同微藻最适生长所需的营养盐类型及浓度范围存在差异,需要比较研究这些营养盐对微藻生长的影响后筛选出最佳类型的营养盐及其浓度来促进微藻生长。常用的筛选策略包括单因素法和多因素分析法(如响应面法等)。Gao等[63]采用单因素法比较了3种常见氮源(NaNO3、NH4HCO3和CO(NH2)2)对类波氏真眼点藻Eustigmatoscf.polyphem生长和产油的影响后发现,CO(NH2)2最有利于细胞生长及油脂积累。Aguirre等[64]采用响应面法分析了CO2和NaNO3对普通小球藻Chlorellavulgaris生长和产油的影响后发现：当CO2体积分数为2.33%、NaNO3浓度为5.77 mmol/L时,最有利于普通小球藻的细胞生长;当CO2体积分数为4.02%、NaNO3浓度为3.21 mmol/L时,最有利于细胞积累油脂。

2.3 营养方式优化

微藻的营养方式主要包括光自养、混养和异养,这3种培养模式各有利弊[65-67](表1)。其中,微藻在光自养和混养时可以进行光合作用,从而将CO2固定下来。但是微藻在这两种模式培养下很难实现超高细胞密度生长(生物量超过200 g/L)。相反,微藻在异养培养时可以利用先进的发酵工艺及设备在短时间内(一周左右)达到超高细胞密度,实现高效率培养。但是异养微藻进行呼吸作用时释放CO2,不能完成碳固定。为此,结合异养和光自养或者混养模式,先通过异养模式获得超高密度细胞,然后以此细胞为藻种进行光自养或混养来固定CO2,这样可以充分发挥每种培养模式的优点来实现微藻快速生长、高效固定CO2的目的(表1)。与传统光自养相比采用异养和光自养耦合的模式培养小球藻(C.pyrenoidosa、C.ellipsoidea和C.vulgaris),可将生物量提高48%以上[68]。同时,采用此种策略在室外大规模培养尖状栅藻Scenedesmusacuminatus时发现,细胞的生物量比传统光自养的结果提高超过30%[69],表明此种培养策略具有显著的工业化生产潜能,适合用于大量生物固定CO2。此外,微藻在异养生长时产生的CO2还可为随后的光自养生长提供碳源,能够实现异养阶段CO2零排放[70],进一步增加了这种模式在实际生产中的可行性。除了异养-光自养耦合模式之外,混养-光自养耦合及光自养-异养耦合模式都可以促进微藻生长及CO2固定,这两种模式分别在湖泊红球藻Haematococcuslacustris[71]和原壳藻Auxenochlorellaprotothecoides[72]的高效培养中得到验证。

表1 微藻在4种不同营养方式下培养时的优缺点比较[65-67]

2.4 CO2利用

CO2利用策略会影响CO2在藻液中的停留时间及溶解量,从而影响微藻的生长及CO2固定效率。CO2溶于水后生成碳酸(H2CO3),将高浓度的CO2通入藻液后,会导致pH显著下降(pH可低至4以下),严重抑制不耐酸微藻的生长;而将低浓度的CO2通入藻液后,并不能满足微藻快速生长对大量碳源的需求,进而限制微藻生长。同时, CO2在藻液中的溶解度不高、扩散率也低,很容易逃逸而造成CO2利用不完全。为此,先进CO2分布及高效利用技术既能够促进微藻快速生长、高效固碳,又能够减少CO2损失、降低生产成本,具有重要的实际应用价值。曝气器是含有CO2气体在藻液中传输的唯一工具,其结构和材料会影响气泡的生成速率、大小、分布及上升速度和混合时间等,对CO2的传质效率及后续利用效率起着重要作用。目前,多数研究都聚焦于此,并相继开发出多种形式的曝气器,包括气泡石式[73]、条式[74]、摇摆式[75]、蜗壳式[76]及微纤维膜式[77]等。开发这些曝气器的主要目的是增大气液接触的比表面积,减小上升速度和混合时间,延长气体停留时间,从而强化气液传质过程,增加CO2生物固定[16,78-80]。此外,面对藻液中CO2易逃逸的问题,李夜光等[81]研究在跑道式或环形养殖池中的曝气区域加装CO2“储气罩”或者在养殖池底部深处加装CO2“充气槽”来提高CO2的吸收率,减少CO2向空气中的排放。此外,高pH可以增加藻液中CO2的溶解量,减少CO2损失。为此,利用一些微藻耐高pH的特性,将藻液的pH设置在较高范围来增加藻液对CO2的吸收率,结果发现可以提高CO2的固定效率。Zhu等[82]在培养螺旋藻(Spirulinasp.)时通过调整NaHCO3的浓度,将藻液pH维持在10.0～12.5时,可提高藻细胞对CO2的固定效率。

3 微藻脱除烟道气化合物技术

化石能源的大量燃烧是造成温室效应的主要原因。因此,生物固定烟道气化合物中的CO2对实现“双碳”目标具有重要的现实意义。但是化石能源的燃烧不仅会产生CO2,也会同时产生氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)及重金属等有害物质。将烟道气中的CO2纯化后再来培养微藻,不仅费时费力,而且也会增加生产成本。微藻在生长过程中不仅需要碳源,也需要氮源、硫源及金属元素,烟道气中含有这些物质也可以作为微藻生长的营养源。Du等[83]采用不同比例的纯CO2、SO2和NO模拟工业烟道气组分来培养蛋白核小球藻C.pyrenoidosaXQ-20044时发现,藻细胞对CO2、SO2和NO的去除率分别达95.9%、100%和84.2%;同时藻细胞能够积累生物质干质量38%的油脂,可作为生产生物柴油的理想原料。这个结果表明,微藻脱除烟道气化合物技术可以实现固碳、脱硫和除硝的目标,同时也可以获得高值生物质,极具发展前景。Chen等[84]以生物质发电厂的秸秆燃烧物为营养源,直接利用发电厂烟道气培养小球藻Chlorellasp. C2时发现：藻细胞的生物质产率和油脂产率比BG-11培养基正常培养条件下的结果分别高35%和39%;藻细胞对NOx的最高去除率可达100%,对CO2的最高固定速率达0.46 g/(L·d),表明结合生物质燃烧物和发电厂烟道气可实现微藻高效固定CO2。此外,燃煤烟道气也可以直接用来培养微藻。Sung等[85]分析了燃煤烟道气的成分后发现,N2占总体积的80.57%、O2占7.47%、CO2占13.18%,NOx为20.27 mg/L,SOx为32.04 mg/L,在通气量0.1 vvm条件下比较了4株微藻清洁燃煤烟道气的效果,结果发现：在室外大量培养时,富油新绿藻Neochlorisoleoabundans#13的生长速度最快,生物质生产速度可达0.703 g/(L·d),CO2的固定速率达0.309 g/(L·d),同时藻细胞油脂含量可达干质量的45.7%,能够实现烟道气的高效净化和生物柴油高效联产。

4 微藻高效培养光生物反应器(PBR)的开发

PBR是微藻培养的关键设备[86],决定着藻细胞能否发挥快速生长、高效固定CO2的潜能。目前,微藻PBR研发已经经历了三代发展历程。第一代PBR主要是跑道池或环形养殖池等开放式培养装置,具有结构简单、操作方便、设备投入及运行成本少的优势,但是光照、温度等关键培养条件的可控制性差,而且开放环境极易受杂菌、杂藻及原生动物的污染,导致微藻生长速度缓慢、CO2固定效率低。这种反应器主要用来培养螺旋藻这种耐高pH或者小球藻等这种生长速度快、环境适应性强的少数几种微藻。第二代PBR是以平板式、柱式及管道式PBR为代表的密闭式微藻培养系统。这些密闭式PBR将藻液与外界环境隔开,从而显著降低培养过程中生物污染的概率,而且可以自动化控制pH、通气量、CO2通入量和温度等培养条件来促进微藻生长[66]。因此,微藻在密闭式光生物反应器中的生长情况相对可控,其生物质浓度和CO2固定效率都比第一代PBR中获得的结果有了极大提高。但是这种PBR存在投入成本较高的弊端,主要用于培养某些微藻来生产高附加值产品,如培养雨生红球藻生产虾青素。此外,这些PBR都是利用外部光源为能量,在培养过程中随着藻细胞的生长,密度增大后,光的通透性变差,光能供应不足,不能支持细胞高密度培养对能量的需求,导致细胞生长及CO2固定量受限。近些年来,随着发光二极管(LED)技术的不断发展,已经开发出内置光源的第三代PBR来提高光的通透性。结合自动化技术,这种PBR还可以根据微藻生长所需的光照条件在线精确调控光质、光强和光周期条件,极大地提高了光能输入效率及光能分布,能够满足高细胞密度培养时对光能的需求。同时,该PBR也可以在线精确调控pH、通气量、CO2通入量、溶解氧和温度等众多理化条件,可以实现微藻快速生长、高效固定CO2。Rebolledo-Oyarce等[87]采用内置LED光源的新型PBR研究了不同光质对特氏杜氏藻Dunaliellatertiolecta生长的影响时发现,蓝光条件下获得生物质浓度是红光条件下的1.7倍。最近,Zhang等[88]报道了一种新型内置可变光谱LED灯的PBR,在该PBR中发现红光和蓝光比例为8∶2时可以显著促进长耳齿状藻Odontellaaurita生长,中试培养时(240 L)的最高生物量可达3.37 g/L,是外置光源中试培养(150 L)结果的1.57倍[89],显著提高了细胞固定CO2的能力。

5 新兴技术助力微藻高效固定CO2

新兴技术是提高微藻CO2固定效率,进而实现微藻大规模工业化固定CO2的有力推手。近些年来随着信息化和智能化技术的飞速发展,以物联网为代表的新兴技术已经成为推动微藻产业发展的新引擎。目前,物联网技术已经在监测和调控微藻生长所需的光照、温度、pH和营养盐等条件中得到应用,从而提高了微藻的生物质浓度和目标产物产量[90]。同时,基于物联网技术已经开发出多种智能化微藻培养光生物反应器[91-92],这为微藻的工业化生产提供了设备保障。更为重要的是,物联网技术还可以应用于微藻生物制品生产的全链条,包括上游过程中的藻种鉴定、有害藻株识别、藻细胞活性监测、全自动控制及优化微藻培养过程中的各种理化指标,以及下游过程中的微藻收获、生物炼制及产品加工等过程[93]。这不仅可以高效培养微藻固定CO2,而且也降低了微藻产品生产过程中人力、物力及能耗损失,为发展智能、清洁、安全、绿色和经济的微藻生产新工艺提供了支持。今后随着传感器、微流控、微藻自动化、高通量平台和深度学习等技术的不断发展及在微藻生产中的广泛应用,将会使微藻产业真正从“农业模式”转变为“工业模式”,从而更好地为“双碳”目标服务。

6 结论和展望

微藻生长速度快、CO2固定效率高,是生物捕集CO2的理想材料。但是利用微藻大规模工业化生物固定CO2仍处于初级发展阶段,相关培养工艺和生产技术仍不成熟,而且也缺乏藻类高效固碳机制方面的有力支撑。为此,今后首先需要加强高效固定CO2藻株的选育,尤其是需要加强丝状微藻生物捕集CO2方面的研究,同时结合分子生物学手段进一步提高丝状微藻固定CO2的能力。同时,也需要从光管理、营养需求、营养方式优化及CO2利用等方面入手开发微藻高效固定CO2的培养策略。进一步,还需要系统研究微藻处理烟道气化合物技术来从工业CO2排放源头高效捕集CO2以及NOx和SOx等有害气体。此外,微藻高效培养PBR的开发及新兴技术在微藻碳减排方面的应用也将极大地促进微藻固碳行业的发展。可以预期,上述多个方向的共同发展与进步为今后工业化培养微藻真正实现高效率和低成本固定CO2并联产高值生物质提供了可能性及可行性。因此,微藻生物固碳技术在实现“双碳”目标的过程中具有极大的发展潜力和广阔的应用前景。