碳中和背景下微藻的应用价值

曾予昳，廖 芬

(贵州省生态环境厅六盘水生态环境监测中心，贵州 六盘水 553000)

1 引言

自工业革命以来，人类生活水平不断提高，同时碳排放量也在逐渐增加，人们赖以生存和发展的环境正在发生变化并面临巨大的威胁。随着碳排放量增加，全球气候变暖，温室效应发生，极端恶劣天气频繁出现，冰川加速融化，海平面逐渐上升，地球生态环境面临危机。1992 年，第一个以全面控制CO2等温室气体排放、应对气候变暖问题为主旨的国际公约——《联合国气候变化框架公约》在巴西里约热内卢举行的联合国环境大会上发布。1997年，为了防止气候改变对人类造成危害，《京都议定书》于12月在日本京都通过，2005年2月正式生效，成为人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放的条约。作为二氧化碳排放大国，中国是《联合国气候变化框架公约》的首批缔约国，并于1998年5月签署了《京都议定书》，于2002年8月核准了该议定书，2009年我国首次提出具体温室气体减排目标，2020年习近平主席在第七十五届联合国大会上首次提出“双碳”目标，即“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。

“碳中和”又称为“CO2净零排放”，是指在一定时期内通过一系列措施对CO2进行处理，以抵消人为直接或间接排放的CO2，实现CO2净零排放。实现“碳中和”任务艰巨，一方面应当大力提倡节能减排，实现产业结构转化升级，淘汰落后产能，以清洁能源(如氢能、风能、太阳能、生物质能等)替代传统的富碳化石能源，减少碳排放；另一方面应当鼓励科技创新，强化CO2捕获、利用与封存(Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS)技术。目前国内外已大力开展CCUS技术研究，并建有不同规模的CCUS项目，CCUS项目对解决碳排放问题有较好的前景[1]。微藻固碳技术也属于CCUS技术之一，微藻不仅能够固定大气中的低浓度 CO2，还可以固定特殊来源(如燃煤发电厂)中的高浓度 CO2，以及废水中的无机碳和有机碳，这些“碳”经转化后形成微藻生物质，经过提取和加工可制成生物柴油、乙醇、甲烷等生物燃料或其他高附加值产品，具有广阔的应用前景。本文就“碳中和”背景下，微藻的应用价值和发展前景进行分析和探讨。

2 CO2固定方法

目前，固定CO2的方法可以大致分为物理封存法、化学吸附法和生物固定转化法[2, 3]，物理法主要是通过物理封存的方法将CO2注入深海或地质底层将其在地下封存起来，物理封存技术对地质条件和空间环境有一定要求，并且能耗高、成本高，存在泄露风险，不宜作为长期储存的方法[4]。目前，CO2驱替煤层气封存(CO2Enhanced Coalbed Methane Recovery，CO2-ECBM)、CO2咸水层封存与采水(CO2Enhanced Saline Water Recovery，CO2-ESWR)等技术仍处于先导试验阶段，而CO2驱替天然气封存(CO2Enhanced Natural Gas Recovery，CO2-ENGR)、CO2驱替页岩气封存(CO2Enhanced Shale Gas Recovery，CO2-ESGR)等技术还处于实验研究阶段[5]；化学法主要是通过化学吸附材料直接或间接固定CO2，该方法简单有效，相对安全，但是如果固定大量CO2，则需要大量化学试剂，其成本高，且产物可能带来二次污染；生物固碳主要是指某些生物通过光合作用吸收并转化CO2，而微藻则是最具潜力的固碳生物，它是地球上已知的最古老的光合生物之一，可以直接利用光能和CO2进行光合作用，或直接利用有机化合物作为碳源或能源代谢生长，其生长周期短，对极端环境耐受性强，光合作用效率高，大多数微藻在长期进化过程中形成了CO2浓缩机制(CO2concentrating mechanism，CCM)，当环境中CO2浓度低时，藻细胞便启动CCM进行CO2运输，微藻固定CO2的效率是其他常见陆生植物的10～50倍，生物质产量是大豆的4.5倍[6, 7]。

3 微藻固碳的应用

3.1 微藻固定烟气中CO2

燃煤电厂排放的烟气中含有大量CO2以及微量的其他污染物(如SO2、NOx、重金属以及颗粒物等)，研究表明实现超低排放的燃煤电厂，其烟气中杂质浓度低于微藻细胞耐受阔值时，一些微藻可以以烟气中的CO2作为无机碳源进行光合作用从而固定燃煤电厂烟气中的CO2实现碳减排[14]，有的藻细胞还可以利用 NOx和 SOx作为生长所需的氮源及硫源，Sakai通过分离筛选从日本温泉中分离得到一株对40% CO2和42 ℃高温具有耐受性的绿藻[17]，黄云通过核辐射诱变和高浓度CO2驯化筛选，并对培养条件进行优化，得到一株对15%高浓度CO2固定效率峰值达85.6%的小球藻突变株[18]。

3.2 微藻污水处理

利用废水中的养分(尤其是氮和磷)作为营养源培养微藻，不仅减少微藻的培养成本，同时还可利用微藻去除水中污染物，净化水质，削减污染[19，23]，因此利用微藻进行污水处理受到广泛关注。刘林林等用15种藻株对养猪场养殖废水进行净化，结果显示15个藻株对总磷的去除率基本上都超过90%，并且有两株多棘栅藻对总氮和硝态氮的去除率都分别达到93.25%和100%[24]，Chen等用藻株ChlorellasorokinianaAK-1处理养猪场养殖废水，COD、TN 和TP的去除率分别达到90.1%、97.0% 和 92.8%[25]，Li等从明尼苏达州分离得到一株小球藻，将其用于处理活性污泥浓缩过程产生的高浓度城市废水，结果表明，该藻株对废水中NH4-N、TN、TP和COD的去除率分别为93.9%、89.1%、80.9%和90.8%[26]。微藻在处理废水的过程中，还可以产生生物质，藻株ChlorellasorokinianaAK-1在最佳条件下最高生物量浓度、生物量生产力、蛋白质生产力和叶黄素生产力可分别达到8.08 g/L、0.52 g/L/d、0.28 g/L/d 和 3.10 mg/L/d[25]，从明尼苏达州分离的小球藻在处理高浓度城市废水的同时，每升藻液可生产0.12 g生物柴油，并且能够成功扩大生产[26]，Zhou等通过使用不同的培养基和光照条件对60株藻种进行驯化，筛选得到5株对高浓缩城市废水耐受性好且能生产脂质的兼性异养型藻株，这5株藻的脂质生产率为74.5～77.8 mg/L/d[27]，此外，Kang等使用雨生红球藻成功去除了生活污水和养猪废水中的氮和磷，同时合成了质量分数分别为5.1%和5.9%的虾青素[28]。由于垃圾渗滤液有机物含量高，有学者认为有望使用微藻处理经预处理过的垃圾渗滤液[29]。

3.3 微藻生物质能源

与传统化石燃料相比，生物燃料无毒无害、可生物降解，被认为是一种绿色环保、可再生的清洁能源。微藻的油脂含量在1%～70%[30]，主要成分为甘油三酯和长链脂肪酸，被认为可为生物柴油、甲烷、氢气、乙醇等可再生燃料提供原料[31]。以生物柴油为例，阳国军通过对微藻毛油制备的生物柴油的密度、闪点、含硫量等12项指标进行分析，结果表明制备的微藻生物柴油符合国标对调和用生物柴油BD100的要求[32，33]。当前，已有大量研究对不同藻种的油脂含量和油脂产量进行比较，不同的微藻种类油脂含量和油脂产量各不相同，总体来看，小球藻、莱茵衣藻、微拟球藻平均油脂产量较高[31, 34]，Deng用经厌氧消化预处理的猪粪培养小球藻UTEX 2714，最高油脂产量达183.7 mg/L/d[35]，Shin等通过CRISPR-cas9对莱茵衣藻CC-4349进行基因组编辑，其油脂产量增加了64.25%[36]。

3.4 微藻的其他应用

微藻就像是碳的单细胞生物工厂，不仅可以通过吸收固定碳降低CO2排放量，还可以生成许多有价值的副产物，例如蛋白质、油脂、色素等，这些产物经过深加工可制成食品、化妆品、药品、医用保健品、动物和水产养殖饲料、肥料、生物燃料等，具有很高的经济效应。研究结果表明，大多数藻类的蛋白质质量等于甚至优于其他传统的高质量植物蛋白质[38]，Lucas等开发了富含螺旋藻的零食，通过添加螺旋藻，零食中的蛋白质、脂质、矿物质分别增加了22.6%、28.1%和46.4% ，从而使食品具有了更高的营养水平和感官接受度[39]。许岩分离纯化得到的一株固碳率达33.71 g/m2/d的螺旋藻，类胡萝卜素产率达72.29 mg/m2/d，藻蓝蛋白产率达2.79 g/m2/d[40]，藻蓝蛋白具有极大的医药价值[41]。微藻还可应用于目前备受关注的微生物燃料电池，在去除污染物的同时将化学能转化为电能，实验结果显示与其他微生物燃料电池相比，将微藻作为阴极底物构成的燃料电池在性能方面具有明显优势[42, 43]。

4 微藻固碳面临的挑战

微藻固碳有着广泛的应用前景，但与此同时，也面临诸多挑战，国内外专家学者已经在对微藻固碳面临的问题展开研究。要想将微藻固碳工业化，需要进一步提升微藻的生长速度和固碳效率。同时提升微藻的生长速度和固碳效率是微藻固碳面临的挑战之一，影响微藻生长速度、固碳效率和生物质积累的因素主要包括藻种、碳浓度、营养水平、光反应器类型、光照条件、温度和pH值等[8, 9]。

微藻种类众多，包括蓝藻、绿藻、红藻、甲藻、隐藻、裸藻等[10]，有的可以直接固定空气中气态的CO2，有的则需要以吸收水中碳酸盐的形式固定CO2，不同的藻种固碳效果不同，目前筛选理想藻株的方法主要有自然筛选和基因工程等技术手段，卢鸿翔通过核诱变获得了生物质量和油脂含量同时增加的节旋藻突变株[11]。不同的藻株对CO2的浓度要求也不同[3, 12]，并且在不同CO2水平下微藻的生物质产量会有所差异，Tang等发现高水平的CO2有利于脂质的积累[13]。pH值也会影响微藻的生长速率，在微藻固定烟气中CO2的过程中，由于烟气中含有CO2、NOx和SOx等气体，可能导致pH值降低，从而影响微藻生长和固碳[19]， Lee等通过控制培养基中的pH值提高了小球藻对烟气中NOx和SOx的耐受性[20]，Jiang等也用类似的方法，通过添加碳酸钙调节pH值，增强微藻的耐受性[21]，另外，烟气中的重金属离子也可能抑制微藻生长。因此，优化反应条件、获取高耐受的藻种，对提升微藻的固碳效率具有重要意义[22]。

在规模化培养中，光生物反应器(PBR)对微藻的生长和CO2固定效率尤为关键，目前的光生物反应器主要有跑道池反应器、立柱式反应器、平板式反应器和管式反应器[14]。不同的反应器有各自的优缺点，跑道池反应器成本低，易清洁维护，但由于其开放式特征藻液易挥发损失，CO2传质率低，且占地面积大，管式反应器类型多样，有横管式、弯管式、螺旋管式等，占地面积小，光转换效率高，但能耗和成本较高。除上述悬浮式微藻培养法外，固定式微藻培养法因其采收成本低、生物量密度高成为广受关注的新型微藻培养方式[15]，段丹如通过使用高孔隙率和低密度的泡沫镍作为固定微藻细胞的载体，获得改良后的光生物反应器，其最大CO2生物固定率和CO2去除效率分别达到4549.9 μmol/m3/h和47.39%[16]。

此外，利用微藻生产生物柴油时，降低生产成本是微藻应用的另一大挑战，Yu通过构建微藻生物柴油生产的数字模型，发现微藻生物柴油的生产成本仍高于化石柴油的平均价格，并提出筛选油脂产量高的藻株是降低成本的一个重要环节[33]，除藻种外，微藻的采收、油脂的提取和生物柴油的制备也是降低微藻柴油生产成本的重要环节，目前常见的微藻油脂提取技术有有机溶剂提取法、超临界萃取法、微波辅助提取法、超声辅助提取法、酸热法、水酶法等[37]，但是这些方法或成本高、或提取率低，因此，改进技术，提高微藻脂质生产能力和油脂提取率，降低微藻柴油成本，是微藻生物柴油从实验室走向市场的关键。

5 结论与展望

微藻是极具价值的固碳微生物，许多研究表明微藻不仅可以固碳，还可以用于处理废水，生产生物柴油、蛋白质、脂质、藻蛋白等高经济价值的产品，具有极强的潜在价值，是“碳中和”背景下十分理想的固碳微生物。

充分发挥微藻的应用价值，形成从固碳除废到生产附加产品的多模式多组合的复合绿色生态产业链，形成以微藻为核心的兼环境治理和附加增值产业为一体的新型绿色产业模式具有重要现实意义，比如“微藻烟气固碳—生物柴油生产”产业链、“微藻废水处理—农业养殖”产业链等。

当然，微藻在具备广阔应用前景的同时，也面临众多挑战，虽然全球已有很多国家将微藻进行商业化生产[44]，但是由于技术水平和生产成本限制，产业化微藻固碳技术仍处于发展阶段，为加快规模化微藻固碳，需要在技术上进行更多创新和改进：一方面，筛选具备生长速度快、易于批量培养、环境耐受强、具有后期附加应用价值等特性的高性能藻种，或通过基因工程获得高固碳效率和高生物质产量的固碳藻株；另一方面，通过更深入地了解微藻固碳机制，改善二氧化碳转化功能。此外，提高后期产物的采收技术和提取技术，将培养工艺优化，培养模式扩大化，通过提高工艺水平最大化降低微藻固碳成本。可以预见，随着科技水平的发展，微藻在未来有着巨大的环境效益和经济效益。