微藻的工业应用及固碳强化措施

孙鑫艳，江雨生，马东强，李 强

（中石化石油化工科学研究院有限公司，北京 100083）

人类活动及工业生产产生的CO2排放导致了温室效应，产生了一系列的气候问题。根据IEA报告，2022 年全球与能源相关的CO2排放量达368亿吨，而我国的碳排放量约占全球的1/3，是碳排放量最大的国家。尤其是近年来极端天气频发，人类也逐渐意识到碳排放给人类生存带来的危害，碳减排及降碳技术的开发迫在眉睫[1]。世界上很多国家已经实现了碳达峰，并提出了碳中和计划，我国制定了“双碳”目标，力争2030年前CO2排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

碳捕集、利用与封存（CCUS）是一种重要的碳减排途径，主要包括物理方法、化学方法、生物方法等[2]。物理方法是将CO2注入深海或地下暂时封存起来，对地质环境有较高的要求，且存在泄漏风险。化学方法通过化学试剂对CO2进行吸收固定，试剂消耗量大。生物方法，尤其是微藻光合作用固碳，将吸收的CO2转化为生物质能储存在生物体内，可以实现碳的循环利用，且微藻是一种很有价值的可再生生物质资源，有利于减少对化石能源的依赖。因此，微藻通过光合作用固碳是一种通过碳循环有效实现碳减排的方法[3]。

1 微藻的工业应用

微藻的工业应用包括微藻固碳耦合废气废水处理，以及微藻生物质作为一种可再生生物质在生物燃料制备方面的应用。

1.1 微藻光合作用固碳

微藻光合作用吸收CO2的同时，还需要其他营养物质，如氮、磷、硫等。工业废气中含有大量CO2、氮氧化物和硫氧化物，可为微藻生长提供营养，因此，可以利用微藻处理工业废气，减少温室气体及污染气体的排放。张大伟等[6]采用小球藻处理模拟烟道气，发现其可以使烟道气中的NO 含量从400 mL/m3降至150 mL/m3。同时，NO 在液相中的溶解度较低，限制了NO 的脱除。通过向培养液中添加络合剂可以促进NO 从气相转移到液相中，从而提高脱除率。Jin 等[7]利用绿藻光合作用从模型烟气混合物中去除NO 时发现，在培养液中添加Fe（Ⅱ）EDTA 络合剂可以提高NO 在培养液中的溶解度，从而提高藻类对NO的脱除率。Santiago等[8]发现采用含有5mmol Fe（Ⅱ）EDTA的绿藻培养物处理含有300 μL/L NO的气体混合物时，NO的去除率可达80%～85%。

微藻对废水中的氮、磷和有机物均有脱除能力，还可以通过吸附作用脱除污水中的重金属[9]。王亚洁等[10]采用微拟球藻对氮磷污水进行净化，发现其对污水中的氮、磷具有较强的去除能力，处理13天后污水中的氨氮、磷和化学需氧量（COD）分别达到96.0%、94.0%和72.9%。张玉荣等[11]发现微绿球藻、中肋骨条藻和塔玛亚历山大藻对质量浓度为2～6 mg/L的石油烃的降解率均在99%以上，说明这3 种藻对石油烃都有较好的降解能力。刘星辰等[12]采用三角褐藻和小球藻对石油水溶性成分进行降解实验，发现两种藻均具有一定的降解能力，其中三角褐藻的降解能力更好，对质量浓度3.49 mg/L的石油水溶性成分的降解率为78.9%。

利用微藻处理废气废水，可以在固碳的同时实现废气废水的资源化利用，促进可持续发展，是一种极具应用前景的废气废水处理技术[4,13]。然而废气废水中的碳、氮、磷浓度高于常规培养液的浓度，因此，为了不影响微藻的生长并达到较优的处理效果，需要选育具有较高耐受性的藻种。

1.2 微藻生物质资源

微藻通过光合作用将CO2转化为生物质，再通过一系列的加工过程可以制备得到如生物柴油、生物航煤、生物氢、生物乙醇等多种生物燃料或高价值化学品。因此微藻被认为是可以替代化石能源的可持续生物质资源[5]。

1.2.1 微藻制生物柴油

生物柴油的分子量和燃烧特性与石化柴油相近，具有较好的生物可降解性，是一种环境友好的可再生清洁能源，可以作为石化柴油的替代品。第一代生物柴油的生产通常以大豆、油菜籽等粮食作物为原料，不利于粮食安全；以地沟油等废弃油脂为原料制备的第二代生物柴油存在原料来源不稳定、原料处理难度大的问题。作为制备生物柴油的第三代生物原料，微藻具有培养周期短，油脂含量高，不占用耕地的优点。微藻的油脂含量可以达到20%～50%，有些甚至可以达到80%，这为微藻制生物柴油提供了很好的物质基础[14]。以微藻为原料制备生物柴油，首先进行微藻油脂的提取，然后再采用酯交换或加氢法制备生物柴油[15]。微藻中油脂的提取通常采用甲醇、异丙醇等极性溶剂，石油醚等非极性溶剂，或极性溶剂与非极性溶剂的混合物来实现。研究人员采用石油醚与甲醇的混合物进行微藻油脂提取，发现与单一石油醚溶剂相比，油脂提取率大幅提高[16]。超临界流体由于其独特的溶解性能也被应用于微藻油脂提取过程。研究人员还开发了原位转脂反应工艺，采用甲醇同时作为提取溶剂和酯交换反应原料，使油脂提取与酯交换过程一步完成，降低了微藻生物柴油制备过程的复杂程度[17]。

1.2.2 微藻制氢

4.提高市场融资能力。为了深圳企业更好地发展，政府应该多方位为各类企业提供便捷通道，提高企业的融资能力。对于上市公司，公司本身应该不断优化股权结构，增强盈利，适当拓宽融资渠道，比如采用配股、增发、发行可转换债券等再融资的方式；对于未上市公司，政府应该鼓励并积极引导那些能达到上市条件的公司准备上市工作，可以制定相关政策为其创造优厚的条件，辅助其成功上市，提高企业融资能力；而对于未能满足上市条件的中小企业，则应鼓励其积极拓宽融资渠道，采用非上市或海外上市的方式募集资金。

相比传统的制氢方法，微藻制氢是一种可持续的绿氢生产技术，有助于减少对化石能源的依赖。微藻制氢途径包括发酵制氢和光合作用制氢[18]。微藻发酵制氢是通过微藻生物质分解产氢，光合作用制氢是利用光合作用将太阳能转化为氢能。在氢化酶的作用下，微藻利用光合作用直接光解水产生氢气的同时，会生成大量氧气，而氢化酶对氧气很敏感，氧气会抑制氢化酶的活性，降低氢气产量。产氢效率低制约了微藻制氢技术的发展。为提高微藻产氢效率，实现高效连续产氢，研究者采取了缺硫、缺氮、缺磷、缺镁等措施，其中研究最多的是缺硫[19]。藻类首先在光合作用下吸收CO2储存为自身所需的糖类等碳水化合物，然后在缺硫的条件下，光合系统Ⅱ（PSII）活性很快丧失，产氧速率降低；而未受到影响的线粒体通过呼吸作用将培养基中的氧气逐渐消耗掉，微藻细胞处于无氧状态，从而使氢化酶活性提高。为进一步提升微藻产氢能力，推进微藻产氢技术发展，需要对微藻产氢代谢过程、氢化酶的活性及抗氧性能的提高等方面进行深入研究。

1.2.3 微藻制乙醇

燃料乙醇是一种优质的液体燃料[20]。微藻细胞中含有丰富的淀粉、纤维素等碳水化合物，是制备燃料乙醇的理想非粮食原料。微藻制乙醇过程，首先利用机械或酶解方法对微藻进行破壁预处理，然后微藻生物质通过微生物发酵得到乙醇。可以利用基因工程等手段筛选培育高产乙醇的优良藻种，提高乙醇产量。

微藻固碳是一种有效的降碳措施，利用微藻固碳可以实现废气、废水处理，同时微藻本身也是一种高价值的生物质资源，具有优良的能源价值。然而，微藻固碳及其生物质价值的实现仍面临一些挑战，微藻较低的光合效率制约了其规模化养殖，使微藻固碳作用及能源优势并不能得到充分发挥。

2 微藻的光合效率及其影响因素

微藻固碳及其能源优势的发挥是以微藻的高效规模化养殖为基础的。以太阳光为光源进行微藻养殖，微藻的理论光合效率为9%～10%[21]。然而微藻的实际光合效率却远低于该理论值，较低的光合效率限制了其规模化养殖。微藻的实际光合效率低主要是由于微藻细胞的大型叶绿素天线对光子的吸收速率远超过光合作用利用光子的速率，从而导致被吸收的多余光子通过非光化学淬灭过程浪费掉[22]。由于大型叶绿素天线对光子的快速吸收，导致反应器下层微藻细胞接受光照的概率降低，使微藻生长受到影响。

另外，微藻的实际光合效率也受到养殖条件（如光、营养物质、温度等）的影响[23-25]。其中光对微藻生长的影响较为复杂，且光照指标较难控制。

2.1 光源

光源类型主要分为太阳光和人工光。太阳光的不可控性使微藻很难处于最佳光强范围内，导致不能保持最佳条件进行养殖。采用人工光可以实现全天候养殖，且人工光可以根据微藻的生长需要定制特定光谱，光强度可调，有利于微藻生长条件的最优化[26]。然而采用人工光源进行养殖又存在电耗成本高的问题[27]。

微藻通过叶绿素及光合辅助色素对光进行吸收、捕集。不同藻类的捕光色素存在差异，因此进行光合作用时可利用的光谱也不相同。对于大部分微藻，影响它们生长的最重要的光质是红光，而蓝光由于能量较高，可以提高微藻生物质浓度或促进关键代谢产物的合成[28]。微藻在生长及关键代谢产物积累阶段所需的最佳波长可能并不相同[24]。对于某一特定微藻的养殖，应该系统地研究光波长对养殖的影响规律，从而在人工养殖时获得最佳的生长效率。

2.2 光强度

根据光合作用速率与光强度的关系[21,25]，微藻生长需要适宜的光强度才能保持最快的光合作用速率，这一适宜的光强度也称为光饱和强度。一方面，如果光强低于饱和水平，微藻生长就会受到限制，也称光限制现象，此时微藻的光合作用速率处于较低水平；如果光强过低，使微藻光合作用速率低于呼吸作用速率，则会导致微藻的总生长速率为负值，微藻处于消耗自身生物量的状态。另一方面，如果光强远高于光饱和强度，微藻细胞吸收过强的光会产生激发态叶绿素，这种激发态叶绿素不仅不能用于光化学反应，反而会形成有害活性氧，破坏色素、蛋白质和脂类，导致关键蛋白质的降解、生物量的降低，使微藻生长受到抑制，称为光抑制现象。因此，应该使光强处于光饱和强度范围，以达到最优的生长速率。

2.3 光分布

要实现微藻养殖产量的最大化，必须使反应器内的微藻细胞都处于光饱和强度范围内。然而在大规模养殖中要实现这一目标是很困难的。因为光对微藻生长的影响不仅存在上述光限制、光抑制问题，还存在另一个问题——光衰减[29]。

由于光在传输过程中被沿途的藻液及其他吸光物质吸收，导致光传输存在衰减问题，使得反应器内的光强存在梯度变化。反应器内微藻接受到的光强是入射光强度、藻液深度和藻液浓度的函数。光衰减现象通常用Beer–Lambert定律[29-30]描述，随着藻液深度的增加，光逐渐衰减，而且随着藻液浓度增大，光衰减问题更严重，导致反应器中光沿路径方向分布极不均匀，存在几个光强不同的区域[31]：反应器表层的微藻细胞可以接触到光照，但为了使下层细胞更好受光，提供的入射光强太强，而导致光抑制；随着藻液深度增加，过渡到光饱和区、光限制区和暗区。光在反应器中的不均匀分布严重影响了下层藻细胞的受光性，进而影响其正常生长。

3 微藻固碳强化措施

3.1 基因工程改良

在自然环境中，微藻细胞需要获取尽可能多的光以维持自身的生长，提高自身的生存几率。长期的自然选择使微藻形成了大型叶绿素天线以获取更多的光，同时也形成了避免受到光过量影响的自我保护机制—非光化学淬灭[22]。然而，人工养殖微藻的最终目标是产量最大化、成本最小化。每个微藻细胞只需要吸收足够的能量来有效地进行光反应即可，而大型叶绿素天线的存在使得反应器表层微藻细胞吸收了大量的入射光而使下层藻细胞处于光限制或无光状态，而被表层细胞吸收了的光有大部分以非光化学淬灭形式损失掉，造成大量的光被浪费。显然，大型叶绿素天线限制了微藻养殖产量的最大化。

研究人员提出可以通过基因工程方法减小叶绿素天线尺寸，减少单个细胞对光的吸收，提高光向藻液下层的传输，使光分布更加均匀，从而提高微藻的光合效率[21-22]。但是由于大型叶绿素天线是微藻长期适应环境所具有的特性，减小叶绿素天线尺寸是否会对微藻的生长产生其他负面影响具有不确定性，因此，还需对微藻的生长特性进行深入研究以保证在微藻正常生长的前提下提高其光合效率。

3.2 光源选择

在光源类型选择上，需要平衡成本与产量的关系。将太阳光与人工光结合起来进行优势互补是较优的方案。将风、光绿电应用到养殖过程将进一步促进碳减排。

在光质选择方面，根据微藻自身特性，定制合适的光谱使其生长效率最快[26,32]。通过波长转换材料，如有机和无机染料、荧光粉等，可以将无光合作用潜力的光转化为具有更高光合作用潜力的光来提高光利用率[33]。实现这一目标的关键是开展具有高转换效率的波长转化材料的研究。

3.3 改善光分布

改善反应器内光的均匀分布，可以从降低光衰减和光源布置两方面进行。

在降低光衰减方面，首先是光路最小化。在反应器设计和选择上，增大反应器的受光面积与体积比。如选用薄层反应器或直径较小的反应器[34]等，使藻液整体处于适宜的光照范围内，降低光衰减的影响。另外，改善藻液的流动特性使反应器内表层与下层藻液交替在光区及暗区间穿梭，使反应器表层及下层的藻细胞均能受光[35]；还可以提高营养物质的传递，利于微藻生长；但要注意扰动过大造成的剪切力可能会破坏微藻细胞。

在光源布置方面，光源内置和光传导可以从根本上解决反应器内光分布不均匀的问题，也可以改善立体养殖的光线遮挡问题。将人工灯置于藻液内，能有效改善下层藻细胞的受光问题，提高光的分布均匀性；但是内置光源存在漏电安全隐患，要求灯具有很好的防水性能。而采用光传导方式将光导入藻液内，不仅可以改善反应器内部的光分布，而且不存在用电的安全问题。Wondraczek等[36]利用浸没在反应器中的侧发光光纤将入射光进行稀释后再分配，很好地改善了反应器内的光分布情况，使雨生红球藻的生长速率增加了93%。

3.4 闪光效应

研究人员发现在平均光强相同的情况下，与连续光照相比，微藻细胞在闪烁光条件下表现出相似或更高的光合作用速率现象，被称为闪光效应[37]。

为了实现闪光效应，一方面可以通过采用光源的闪烁，即闪光来实现[38]。通过较短时间的高强度光（光亮期）与较长时间的黑暗期交替出现实现闪光。Janssen 等[39]观察到与连续光照相比，在445 μmol/（m2·s）的低光强下，采用94/94 ms的光暗循环，微藻生长速率显著增加。另外，通过藻液的快速扰动，使藻细胞在明暗区域实现交替运动，以获得闪光效果[40]。程军等[41]在平板气升环流式反应器内增加交叉导流横向隔板后，加强了气液混合和物质传递，藻液光暗循环周期显著降低到无横向隔板时的1/19，微藻生物质产量提高了25%。尽管文献中通过快速扰动实现了较高的生长速率，但是微藻生长过程受到很多因素的影响，因此并不能排除可能是传质、传热的改善引起的[42]。

大部分研究学者通过闪光或藻液扰动实现了闪光效应，提高了微藻的生长速率。但是有文献[43]提到，微藻细胞快速的暴露在光暗不同的光照条件下，可能会由于没有足够时间来激活调节机制影响其正常生长。因此闪光效应的规律还有待进一步深入研究。

4 结语

微藻光合作用固碳是一种实现碳减排的有效方法。微藻光合作用一方面可以降碳，另一方面微藻产品也是一种很有价值的可再生生物质资源。未来可以在以下几方面进行更深入研究，以充分利用微藻实现碳减排。在微藻的应用方面，应进一步挖掘微藻生物质资源化利用的潜力，使微藻生物质的各种组分得到充分利用，发挥其生物质价值；开发低成本微藻生物质处理技术，提高竞争优势。在微藻固碳强化策略方面，注重开展加快光合作用暗反应速率的相关研究，开发新型反应器。另外，如何平衡藻液浓度与微藻受光性的关系，降低光的无效吸收及逃逸也有待更深入的研究。