微藻光合固碳技术及相应光生物反应器的研究进展

汪 晨，孙进童，赵长宁，刘偲嘉，叶 璟，侯梅芳，刘超男，许文武

（1.上海应用技术大学 化学与环境工程学院，上海 201418；2.上海应用技术大学 生态技术与工程学院，上海 201418；3.上海应用技术大学 轨道交通学院，上海 201418）

碳排量与日俱增，导致温室效应、极端气候和生态恶化等环境问题日渐严重[1-2]。二氧化碳（CO2）的减排与控制已成为亟待解决的全球性问题[3]。针对中国“双碳”战略，急需发展经济、环保和高效的CO2固定技术。碳捕集、利用和封存是实现“碳中和”的核心技术，主要包括物理法（物理吸附法、溶剂吸收法和膜吸附法）[4-5]、化学法（溶剂吸收法、吸附法、固定技术、离子液体法、电化学法和O2/CO2燃烧法）[4-10]和生物法（植物、微藻和菌类光合固碳）[4,6,11]等。物理法操作相对简单，化学法较为安全持久，但两者所需成本都很高。生物法中，微藻固碳性能最强，全球每年超过40%的CO2被微藻吸收，微藻合成1.00 kg生物质可利用约1.83 kg CO2[12]，具有绿色可持续、稳定高效的优势，为应对全球气候变化开辟了一条新颖而有效的固碳道路。

如今对微藻固碳的研究集中在筛选优良藻种、基因工程研究、培养条件优化、光生物反应器（PBR）研究和光合固碳并联产高附加值产物5 个方面[7,13-14]。微藻的培养方式虽然很多，但微藻采收成本高、培养时的光分布不均、高效性能PBR 的结构优化设计困难等瓶颈仍未解决。因此，微藻的培养技术及PBR的设计仍有极大研究价值[14]。

本文对国内外微藻固碳技术及微藻生物质资源应用进行梳理，着重介绍在工程领域、微藻大规模培养的影响因子和培养条件，及高效光合固碳反应器等方面的研究现状，并针对微藻固碳技术及反应器的应用可行性和未来发展趋势进行探讨，期望为助推中国“双碳”战略和全球低碳绿色进程提供参考。

1 微藻光合固碳原理及生物质应用

微藻为单/多细胞光合自养生物，细胞整体形态微小且结构简单，已探明藻种超4 × 104种，全世界分布广泛[12]。微藻可固定的CO2常见来源包括，（1）大气，CO2体积分数约为0.0387%；（2）工业废气和交通运输排放的气体；（3）水体中的可溶性碳酸盐（Na2CO3、NaHCO3）等化学形式所固定的CO2[15]。

1.1 微藻光合固碳原理

1.1.1 CO2浓缩机制

微藻固碳（图1）主要基于一种细胞的CO2浓缩机制（CCM），其依赖于多种无机碳吸收系统，CCM可以增加提供给核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的CO2浓度[16]。Rubisco 只与CO2发生反应，当其达到饱和，另一种碳酸酐酶被用来将H2CO3和HCO3-转化为CO2，从而转变为生物质。秦燕等[17]发现，衣藻细胞中的活性无机碳（Ci）、HCO3-对于CCM 本身起到重要作用。蓝藻是一种光合需氧自养的原核生物，以卡尔文循环在光合作用下固定CO2。其CCM中存在可诱导无机碳质跨膜转运，硅氧烷体离心技术更直接证明蓝藻可在细胞内累积活性Ci，在CCM过程中产生大量Ci进行跨膜流动，细胞胞液中的Ci 主要以HCO3-形式存在，其主动运输起到了重要作用。

图1 微藻固碳过程示意[17]Fig.1 Schematic diagram of microalgae carbon fixation process[17]

1.1.2 卡尔文循环

氧化型的三羧酸（TCA）循环需要正向进行，而CO2的固定则须反向进行，由此产生了一种固定CO2的新机制，即卡尔文-本森-巴沙姆（CBB）循环或光合碳循环（图2）。

图2 卡尔文循环示意[13]Fig.2 Schematic diagram of Calvin cycle[13]

CBB 是一种可使碳以CO2分子形态进入，以糖的形态离开该循环之后再生的新陈代谢过程。能量来源来自腺嘌呤核苷三磷酸（ATP），还原型辅酶Ⅱ（NADPH）的消耗，是通过降低能阶实现的，从而产生更多高能电子以合成糖分[18]。CCB 是光能自养及化能自养生物同化CO2的共同主要途径（还原戊糖磷酸/C3途径），广泛存在于植物、真核藻类及自养原核生物中[19]。该循环的发生场所为叶绿体基质，Rubisco酶可以决定碳同化速率，催化核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）与CO2发生羧化，进而完成CO2固定过程。因此，为增强微藻的固碳能力，可通过提高其表达量实现。WEⅠ等[20]在海洋微拟球藻中过表达了一种预选Rubisco 活化酶，在CO2浓度（体积分数）0.04%条件下，可将生长速率提高32%、生物质浓度提高46%，增强了细胞固碳能力。CCB的发现确定了氧化型三羧酸循环真实目的，明确了分离生物固碳以及氧化有机物的过程机制。

1.2 微藻固碳技术的优点

微藻类似于一个持续高效固碳的微小工厂，相比传统方法独具优势：（1）可直接转化利用太阳能，节能[5,7]；（2）能耐受多种极端环境，不占耕地[21]；（3）储光能效率和光合固碳效率高于陆生植物的10 倍以上[15]；（4）生长速率快，繁殖速度远快于高等植物；（5）可循环利用CO2[15]，环境友好；（6）可利用工厂烟道废气和尾气为无机碳源，利用生活污水及工农业生产废水作为微藻培养的营养源，低成本培养耦合处理废水[2,22-24]。

1.3 微藻固碳生物质的应用

微藻固碳生物质资源可利用领域见图3。在吸收CO2后，通过自身光合机制将CO2转化为糖类、脂质与蛋白等组分，进一步分离提取后，还可制成多种具有高附加值的产品。微藻生物有机质含大量的碳、氢元素，可被转化为柴油、甲烷和乙醇等多种重要化工能源产品[12,25-26]。小球藻和螺旋藻等能积累高质量蛋白质，富含人类必需氨基酸，分布也较均衡，是可作为替代的蛋白质来源[27]；又可添加到猪、兔、鱼等的饲料中，以提高体重和繁殖率[28-29]；褐藻等藻类中多糖具有优良生物活性，已被广泛应用于功能食品等领域中。微藻还能合成多不饱和脂肪酸、活性肽等[30]具有抗炎、抗癌、抗生素活性及免疫反应的稀有生物活性化合物，可添加在药品与个人护理品中[31]。环保领域中，可利用其处理废水和作土壤改良剂[32-33]。微藻固碳已成为一种经济可行、环境友好和可持续发展的天然减排手段，且在各领域应用前景广阔，对缓解温室效应具有重要意义[34]。

图3 微藻生物资源应用Fig.3 Application of microalgae biological resources

2 影响微藻光合固碳效率的因素

2.1 藻种和CO2浓度

实际上，微藻介导的光合固碳过程要进行大规模碳固定和减排仍存在一定困难。微藻种类众多，在不同环境条件下表现出的CO2固定效率差异较大，其中蓝球藻Cyanidium caldarium的碳捕集效率最高可达100%[33]。ZHAO等[35]研究发现，大多数微藻所固定的CO2需保持在一定浓度（0.038%~10.000%）范围内。浓度太低不能满足生产要求，相反则过量CO2扩散进入细胞质，会发生水解产生H+与HCO3-，引起胞内酸化，影响碳酸酐酶活性及CCM，致使藻细胞生长速度变缓，降低其光合固碳效率，毒害藻细胞[36]。因此，还需进一步筛选、诱导驯化，或借助基因工程等手段，得到可耐受高浓度CO2、抗逆性强、生长速率快的，同时进行高效光反应的藻株。研究发现，杜氏盐藻、微拟球藻等可以耐受15%~40%浓度的CO2[37]。生存在极端环境下的被甲栅藻可以耐受60%浓度的CO2[38]。小球藻.UK001可在40%浓度的CO2中生存，还可从高浓度CO2环境下直接转为在空气中培养[39]。典型燃烧废气的CO2浓度一般在10%以上，理论上能满足微藻大规模生产需要，而上游分离成本较高，可将烟道气直接通入微藻培养系统[40]。

2.2 光照

光照是藻类最普遍的能量来源和显著影响其生长的因素。当光照是唯一限制因子时，微藻生物量产率与光转化效率之间呈正相关。微藻生长所需光照强度远低于高等植物。SANTOS 等[41]培养栅藻与小球藻时发现，两种藻所需饱和光强均在200 μmol/(m2·s)左右，而在光强增加一倍的过程中，微藻活性也随之增加。不同微藻的光强饱和度范围不同，高于光强饱和度，光合速率不再增加，CO2的吸收反而受抑制[42]，会阻碍微藻的固碳效率[43]。微藻的光合效率也受光照周期的影响[44]。当采用蓝光和红光对微藻提供光照，将比例设置为50:50、光强设定为400 μmol/(m2·s)、光/暗周期为18 h/6 h 时，最适于藻细胞生长[45]。微藻生长率与光照时间在一定范围内成正比，时间过长，微藻不会再增殖，碳固定能力显著降低[46]。光波长也会对微藻生长造成影响，其中白光条件最有利于普通小球藻细胞生长，碳固定效率最高，可达11.4 mg/(L·d)[47]。

2.3 温度

微藻细胞形态和生理反应会受到温度的调节。不同微藻的最适生长温度不同，一般在15~35 °C之间，过高温度一般会抑制微藻代谢和呼吸，而低温则抑制Rubisco酶活性、光合作用效率和生长[48]。光系统Ⅱ（PSⅡ）是一种色素蛋白复合体[36]，易热敏感，高温时其活性会被抑制，光合、呼吸作用也受到影响。高温不仅会直接导致其光合系统损伤，而且会影响光合电子传递与光合磷酸化等过程[49-50]。研究证明，温度太高会影响微藻的光合放氧速率，同时使得固碳速率（FD）和能力降低[51-52]。

2.4 pH

多数藻种在中性培养体系中生长最好，少数藻种可耐受极端pH。钝顶螺旋藻和斜生栅藻耐受pH达到9.0以上[53]，眼虫藻耐受pH甚至低至3.5[54]。培养体系的CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-之间存在化学平衡，pH 大小与CO2的浓度，或溶解无机碳形态之间关联复杂。若其浓度增加，微藻生产力可能会提高，但体系pH 也会降低，或对微藻产生毒副作用。中性条件下的蛋白核小球藻与莱茵衣藻的胞外碳酸酐酶活性、叶绿素a含量和实际光合效率，显著高于酸或碱性条件[55]。微藻光合系统中的pH-NH3互相进行电子传递，并在氧化过程中参与和水分子的竞争，在体系中生成NH4+与NH3，并释放O2。微藻有最适生长的pH 范围，超过该范围会抑制Rubisco酶的活性或改变细胞膜通透性，间接影响细胞对无机盐的吸收同化，严重影响微藻固碳效率。

2.5 营养元素

碳元素是生物的首要元素，在藻细胞中碳元素质量分数近50%，通常以CO2、CO32-或HCO3-这3 种形式被输入。氮是生物蛋白质与核酸的重要组成元素之一，直接影响微藻的初级代谢。氮源形式不同，微藻的代谢机制和生长情况也不同[56]。在常见氮源（NaNO3、NH4HCO3和CO(NH2)2）中，CO(NH2)2最有利于类波氏真眼点藻细胞生长及油脂积累[57]。磷是生物生长必需的第三号营养元素，是形成ATP、（脱氧）核糖核酸和细胞膜的必要元素。莱茵衣藻在受磷限制时，胞内光合磷酸化水平会降低，CCB效率、ATP和NADPH及NADP+的合成均受到影响，从而影响光系统Ⅰ和Ⅱ，导致光合放氧速率降低[58]。微藻吸收不了体系中全部含磷化合物，通常会在培养过程中添加过量磷酸。为提高培养效率，一般还会添加一些铁、镁、钙、锰、锌、铜和维生素等微量元素。

通入CO2的流量、频率和传质速度，及溶解氧浓度等，也可直接影响微藻固碳性能。目前，仍未形成最优的微藻培养方案。此外，PBR的结构改造也需要研究者们重点关注。

3 光生物反应器

20 世纪50 年代，PBR 的概念被首次提出，即能够培养光合藻类，或具有光合能力的细胞或组织的装置[59]。在实际生产中要提高微藻固碳能力，主要有生物技术与工程化两种手段。生物技术包括筛选和驯化固碳性能优良的藻种，以及应用基因工程技术去改造藻细胞。由于转基因饲料与食品等领域涉及伦理争议和未知安全风险，应用存在较大限制。在工程化方面，包括最适培养条件和参数的优化，及高效PBR的设计等。主流微藻户外规模化培养系统（悬浮式与固定化），及典型反应器如圆形池塘、跑道池、平板式和管道式PBR 等已比较成熟。设计研发新型高效的反应器和培养系统，是助推微藻规模化培养和技术发展的重中之重。

3.1 悬浮式PBR

微藻悬浮培养和固定化培养，区别在于微藻反应器中的相对运动状态。前者是目前最传统，工业化和商业化程度最高的一种微藻培养方式。根据微藻培养介质是否与外界环境直接接触，又可分为开放式和封闭式两类（图4）[54-56]。

图4 开放式与封闭式微藻培养系统[14,16]Fig.4 Open and closed microalgae cultivation systems[14,16]

水族箱、跑道式和圆形池塘等开放式PBR，由于构建简单、成本低廉、操作简便，使其在螺旋藻、小球藻及盐藻的工业化培养中被广泛应用，用太阳光作为光源，以环境中CO2作为碳源。为增加藻吸收光的效率和防止悬浮的藻细胞发生沉淀吸附，一般会在设备底部增设叶轮，利用其转动来推动藻液循环和混合。

封闭式PBR一般在密闭容器中接种藻，并在人工封闭环境下进行培养。相比开放式，培养条件更加稳定，不受外界环境干扰，可实现无菌操作和高密度培养，节约土地[60-62]，已成为今后PBR的重要发展方向。根据几何构型，又可分为平板式、管道式与柱状气升式等类型，其结构示意见图5。

图5 3种封闭式PBR的结构示意[13-14]Fig.5 Schematic diagrams of three types of closed PBR structures[13-14]

平板式PBR，形状呈扁平长方体状，结构简单。其外壳一般由玻璃等透明材料构成，具有高的表面积和体积比，光传播路线较短。1953年即有研究者用扁平培养瓶培养微藻[13]。1985年，出现了带荧光灯的平板式PBR，次年，适宜户外培养的硬聚氯乙烯材质反应器被成功开发[13]。许波等[62]应用平板式PBR 进行缺刻缘绿藻的高密度培养，通气量为1900 ml/L、采收率为20%时，生物量达5.15 g/L，FD（CO2）达1.38 g/(L·d)。目前，对平板式PBR的研究，主要是对内部结构、供气方式以及光照条件方面的改进，外形上基本没有改变。

管道式PBR，目前最普遍的一种封闭式PBR，主体一般用透明且孔径较小的材料（玻璃或塑料等）构成。通过将这些透明管道弯曲成不同形状，可以使其水平排列，或呈螺旋状环绕成圆筒状等多种类型。基于其灵活的排列方式，光照下在透明管道的反应器中，微藻会获得较高的光转换效率，但也存在光照不均匀、气液传质差以及管表面易附着微藻等问题[14]。

柱状气升式PBR，一般是鼓泡柱式反应器和气升式反应器两种，后者是在前者基础上改进，主体一般是由透明材料制成的垂直放置的圆筒。可通过加装的鼓泡或气升装置，以气体促进藻液循环，与管道式PBR一样，不需搅拌。这种设计有利于设备中气、液、固三相间相互流动，显著增强微藻细胞的光能利用效率和内部传质效率，也可防止培养体系中发生溶解氧过饱和的问题[63]。KAEWPⅠNTONG 等[61]比较了鼓泡式和双内环流气升式PBR 对雨生红球藻的培养效果，在气体流速0.4~3.0 cm/s 时，后者的藻密度和比生长速率均高于鼓泡式。GE 等[64]用单内环流气升式PBR 培养布朗葡萄藻，CO2浓度为20%时，生物量最大达到2.32 g/L。

表1比较了几种反应器的优点和局限。封闭式PBR 相比传统开放式微藻培养系统具有更多显著的优势，要实现规模化培养，材料和成本问题是限制反应器应用的主要方面。

表1 4种主流PBR的特点[14,16,60]Table 1 Characteristics of four mainstream PBRs[14,16,60]

3.2 固定化培养系统

虽然悬浮式培养系统已被广泛采用，但由于其需要消耗大量的水资源和能源，且采收成本高，进一步规模化发展受限。近年来，固定化培养越来越受到人们的重视。固定化是一种在适宜的环境下，通过物理、化学等手段对游离藻细胞进行固定并保持其活力的一种生物技术。微藻固定化培养可以做到培养基与微藻两者分离，这就为微藻的高密度培养提供了可能。可通过提高培养密度和数量，增加藻细胞与光的接触面积，不仅提高了光合效率，还可方便采集，降低成本。微生物固定化培养方法主要有偶联法、包埋法和吸附法[5,18]。各类型生物膜反应器也已被设计，其设计原理、形状、材料的选取都有很大差异。目前已有多种微藻生物膜培养体系，包括平板式膜反应器、旋转式膜反应器等，利用聚氯乙烯、玻璃等高分子物质对生物膜进行吸附形成[65]。不过这些技术大多处于实验室阶段，还无法扩大工业生产，还有设计原理优化、设备以及控制工艺等问题需要解决。

3.3 反应器应用优化及可行性

开放式和封闭式PBR虽各有利弊，但从大规模培养和高效固碳等角度看，虽然开放式成本较低，但产品质量无法保证，且其极易受到外界气候环境的影响，对生产限制比较大。而封闭式的培养条件受人工调控，受外界环境影响较小，且单位体积产率高，在应用前景方面具有巨大的潜力。由此，后者才是未来发展的趋向。同时，后者也有培养规模小，反应器难以放大以及成本较高等缺点，待进一步优化。

在众多封闭式PBR中，平板式PBR的比表面积大，可以获得更高的藻细胞密度以及光合作用效率[66]。另外，不仅可通过改变其内部结构的方式来增加光照，还可通过添加辅助设备提高培养液的循环效率。因此平板式PBR 成为目前最容易实现放大的封闭式PBR。一种简单的改进方式是利用多级并联或串联的方式以提高空间利用率，如在多节隔板PBR的基础上增加多级进气装置，可显著提高原平板式PBR 的混合与传质性能，利于微藻固定化[67]。基于LED灯发热量低、体积小、便于安装，而且带谱在25 nm 左右，可便于选择和调试微藻生长的最适色光[68]。设计一种合理的混合式微藻培养方式，也有望成为今后的研究热点，其是能将封闭式与开放式的优点合理结合的一种新型PBR。先利用封闭式不易受外界环境影响的优势大量培养藻种，为后续提供所需纯藻种，之后在开放式PBR 中进行规模化生产，利用后者的规模化优势以期获得更高产量，为生产具有高附加值生物质产品提供条件。如中科院青岛生物能源所设计的一种混合式PBR，利用水泵连接平板式PBR 和开放池，做到了培养液在两者之间周期性循环流转，最终微藻培养的平均产率超过了17 g/(m2·d)，与单一开放池的培养产率相比翻了一番，可以预见混合式PBR是极具潜力的发展方向。

为解决封闭式PBR成本高的问题，需建立微藻能源产品与高附加值产品的多联产体系[7]。后期高价值产品的收益不仅可解决前期成本问题，还可使微藻资源利用达到最大化。微藻代谢产物如褐藻黄素、甘露醇、藻胆素、琼脂和卡拉胶等[69-70]，在化工、饲料、医药和食品等方面都有广泛应用。微藻生物质能方面，许多企业和机构都进行了各种尝试和实践，并推广应用。壳牌公司联合夏威夷HR 公司在一亿公顷的海面培养海藻，以规模生产和收集生物质燃料。1999 年，日本就资助了用微藻固定CO2的项目，同时进行PBR相关研究[71]。中国石油化工集团有限公司、中国石油天然气集团有限公司和中国科学院在2009 年联合推进微藻生物柴油技术系列研发项目，同步研究和设计相应PBR[13]。这都说明PBR 的研究对建立微藻能源产品和高值产品多联产体系极其关键。

4 结语与展望

微藻光合固碳技术在诸多碳捕集和固定技术中具有优势，极具发展前景。影响微藻固碳效率的因素很多，微藻PBR 的应用和设计研究成熟，微藻固碳生物质应用广泛。其主要面临的问题和挑战包括：（1）商业化程度不高，微藻普遍产量水平较低，PBR 培养时，在采收以及下游产品的生产和应用过程中，须耗费大量成本，因此高密度培养和收集是一个重大难题；（2）针对影响微藻光合固碳的因素繁多，需要从培养过程中的管理、营养需求优化及CO2利用等方面入手，综合制定高效固碳的培育策略，在实现产业化的道路上还需进一步发展与探究；（3）在藻类筛选培育或驯化之外，还需完成对现有PBR的进一步升级和改造，设计出更适于生产需求的高效反应器。

微藻固碳减排需大规模培养，采用封闭式PBR及其升级构造，将成为未来发展趋势。可行的措施包括：（1）可通过改变平板式PBR 组成结构或升级装置，来弥补封闭式PBR难以放大的缺点；（2）研究封闭式光反应器与开放式PBR 相结合的混合式微藻培养方式；（3）建立微藻生物质能源产品与高附加值产品的多联产体系。此外，微藻固碳与藻-菌联用处理污水技术的偶联，使得碳减排、能源生产和污水处理等的经济性和可持续性目标得到验证，也可探索深化微藻固碳技术的商业化应用模式。