微藻固碳技术基础及其生物质应用研究进展

廖莎　薛冬　李晓姝　唐开宇　师文静　李澜鹏　彭绍忠

摘      要：  简要综述了近年来国内外微藻固定二氧化碳的研究进展，着重讨论了光照、温度、pH和营养成分对微藻固碳生长的影响。从光生物反应器的结构、光的供给、混合与传质入手，合理设计反应器来提高效率。探讨了微藻固碳后的采集及其潜在的应用，破解长期存在于经济发展和二氧化碳排放之间的矛盾，对微藻的应用研究有所启示。

关  键  词： 二氧化碳固定;微藻生长;光生物反应器;生物质利用

中图分类号：Q819        文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）06-1175-06

Research Progress in Carbon Dioxide Fixation by Microalgae and Its Biomass Application

LIAO Sha^*， XUE Dong， LI Xiao-shu， TANG Kai-yu， SHI Wen-jing， LI Lan-peng， PENG Shao-zhong

（Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Dalian Liaoning 116045， China）

Abstract： The research status of CO₂ fixation using microalgae was summarized. The environmental factors affecting the growth of microalgae were discussed， including light， temperature， pH and nutrition. In addition， key elements for designing suitable reactor to improve CO₂ fixation and microalgae growth were presented， including configuration， light， mixing and gas transfer. The biomass harvest and utilization after CO₂ fixation were also discussed， in order to resolve the long-standing contradiction between economic development and carbon dioxide emissions.

Key words： Carbon dioxide fixation; Microalgae growth; Photobioreactor; Biomass utilization

近幾十年来，全球变暖问题是众多地球环境问题中最受关注的，因此二氧化碳（CO₂）减排成为全球关注的焦点问题^[1]。常见的减排方法包括物化吸附法、海底储存法以及生物固碳法。吸附材料（如LiOH）是典型的不可再生材料，而且需要一定的空间来封存CO₂^[2]。海底储存是直接把CO₂注射到深海、地层、废矿场、废油井或盐碱含水层的方法以及CO₂矿物碳化法。这些方法存在的主要问题是长期封存对空间要求高且CO₂容易泄漏^[3]。因此，从长远来看生物固碳法是一种经济可行且环境友好的减排技术。生物燃料在燃烧过程中所释放的碳，进入光合作用循环利用，整个过程不会产生额外的CO₂，可以达到营养利用和能源生产持续发展的状态。

藻类是最原始的生物之一，分布很广，可直接利用太阳能合成有机物质，同时提供好氧生物（包括动物、植物及多数微生物）所必需的O₂，整个过程包括光能吸收、能量转换、电子传递、ATP合成到CO₂固定，光合效率高于传统生物能源作物^[4]。微藻经光合作用后利用厌氧细菌发酵可将微藻生物质转化为甲烷或氢气，有的通过调控培养积累油脂或淀粉，进而生产生物柴油或乙醇，有的可在胞内或胞外产生微藻多糖，广泛应用于食品、化妆品领域^[4-6]。微藻生物质的生产还可偶联电厂和污水处理设备，这样更能推动微藻固定CO₂和生产生物燃料技术的发展^[7]。

本文综述了微藻固定CO₂技术和显著影响微藻生长和光生物反应器的关键问题，重点阐述了反应器结构和运行的相关特点，讨论了微藻固定CO₂后其生物质加工过程中下游高价值产品的生产，为实现微藻的综合利用提供一定参考。

1  微藻固定二氧化碳的关键问题

微藻是一种在海洋和陆地分布广泛而且种类繁多的光合微生物，可以是单细胞、链或群体。大多数环境相关的因素都会影响到微藻的生长，包括光照、温度、盐度、pH、营养成分、溶氧以及金属元素^[8]。微藻的生长还可能受反应器操作条件的影响，如水力停留时间、收集率、气体传递和混合设备，这些都影响到CO₂的利用率、剪切速率和光照，进而影响微藻生长^[9]

1.1  环境

1.1.1  光照

光照是培养微藻最普遍的能量来源，也是影响微藻生长的显著因素。不同微藻对光照强度有不同的饱和度范围。当光照为唯一的限制因素时，微藻的产率与光照转化效率呈正相关^[10]。同高等植物相比，微藻需要的光照强度低，如小球藻和栅藻培养时需要的饱和光照强度大约200 μmol·m^-2·s^-1，但随着光照强度的增加到400 μmol·m^-2·s^-1，微藻活性通常也会增加^[11]。光照周期也对微藻光合效率产生一定的影响^[8]。

1.1.2  温度

温度是调节微藻细胞形态和生理反应的一个主要因素，关系到微藻固碳效率。高温通常会加速微藻的代谢速度，相反低温则抑制微藻的生长^[9]。不同的微藻其最适温度也不同，而其他环境参数也会影响微藻生长的最佳温度，如光照^[12]。文献报道多数藻种的最适培养温度为15～30 ℃，温度小于15 ℃或者超过35 ℃都会导致微藻生长缓慢^[13]。

1.1.3  pH

大多数藻种适合在中性pH条件下培养，也有一些藻种能耐受较高pH或较低pH。有文献报道Spirulina platensis耐受pH达到9，Chlorococcum littorale耐受pH达到4^[14﹣15]。CO₂、H₂CO₃、HCO₃^-和CO₃^2-相互之间存在一些化学平衡，培养体系中CO₂体积分数和pH之间关系复杂。增加CO₂体积分数可能会提高生物质产率，但同时也会降低pH，可能对微藻产生一定的副作用。如在开放池培养微藻时，由于吸收了CO₂，即使在pH=10～11下培养微藻也会增加产率;在污水中培养微藻时，提高pH有利于抑制污水中的病原体，但也可能抑制微藻的生长。微藻光合系统中pH-NH₃分开进行电子传递，同时在氧化反应中同水分子竞争，在光生物反应器中产生NH₃和NH₄⁺，并释放O₂^[14]。

1.1.4  营养

碳、氮、磷等营养元素是微藻细胞合成基础。营养成分的种类、形态及质量分数一定程度上影响微藻的光合作用。

微藻中碳元素质量分数近50%。生物固碳就是利用高等植物或微藻光合作用吸收CO₂来完成，其中微藻固定CO₂过程相对较容易，但不同微藻对CO₂的耐受性不同^{[3， 12]}。常见的CO₂来自大气、工业废气（如烟道气和化工厂废气）及可溶性碳酸盐（如NaHCO₃和Na₂CO₃）。大气中所含CO₂体积分数，一般在0.038 7%左右，还无法满足高浓度微藻生长的需求。比较典型的燃烧过程产生的废气，其中CO₂体积分数超过15%。理论上，燃烧废气中的CO₂能够满足微藻大规模生产的需要，但考虑到上游CO₂气体的分离成本，因此可以直接将电厂烟道气通入微藻培养系统^[3，13]。

氮也是微藻生长所必需的营养元素，直接影响到微藻的初级代谢，是核酸和蛋白质的组成元素之一^[16]。不同形式的氮源，微藻的代谢机制不同。以硝酸盐作为微藻氮源，培养过程缺乏氮源时，如果间歇性地补充硝酸盐可以促进微藻的生长;如果持续缺氮，微藻处于环境胁迫状态，转而合成更多的脂类储存于胞内。Yang 等研究发现，莱茵衣藻经  4 h缺氮处理后，细胞中脂质积累量明显增加^[17]。

磷是微藻生长所必需的第三大营养元素，是构成DNA、RNA、ATP和细胞膜的必要元素^[18]。由于微藻不能吸收利用所有的磷化合物，因此在培养过程提供过量的磷酸。海洋微藻通常在海水中添加工业用的硝酸盐和磷酸盐肥料进行培养^[14]。为了提高培养效率，通常还会添加一些微量元素，如金属（Fe、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu和Mb）和维生素^[16]。Wykoff研究发现，莱茵衣藻在磷限制4 d后，由于细胞中磷浓度降低导致光合磷酸化水平下降，ATP合成、卡尔文循环效率、NADPH和NADP⁺ 受到影响，从而影响PSI和PSII，最终光合放氧率降低75%^[19]。

1.2  反应器

1.2.1  反应器结构

光生物反应器是光合生物生长或进行光合反应的反应器，如微生物、微藻及植物细胞^[20]。微藻光生物反应器一般有两大类，包括开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器。开放式光生物反应器结构简单、成本低、操作方便，但容易污染。封闭式光生物反应器能够很好地控制培养条件、降低污染，从而相比开放式可以获得更高的生物量，但成本也更高，适合高附加值微藻的培养。

常見的光生物反应器有平板反应器、水平管反应器、螺旋管反应器、垂直管反应器和中空纤维膜反应器等，各类光生物反应器的优缺点见表1。但目前还没有一种反应器能有效控制所有参数，实现微藻生长、光合效率和代谢速率的最大化，可以通过改进光的供给和CO₂的利用、气体传递及混合等几个方面来增加产率^{[20﹣21﹣22]}。

1.2.2  光的供给

光是微藻生长的基本能量来源，因此光照强度和利用效率对光生物反应器非常重要。当微藻达到高密度培养时，光的强度急剧降低。因此在设计光生物反应器时，要充分考虑光学深度问题，衡量光沿着路径穿过部分透明介质吸收或分散比例。除了利用自然光外，一般认为光合有效辐射为43%～45%。

在高密度培养时，由于高细胞浓度微藻之间的相互遮挡会减弱光的吸收。为了实现光吸收最大和光衰减最小，设计表面积/体积比高的生物反应器，同时缩短光线的传输距离。有文献报道微藻在光强度为4 000 μmol·m^?2·s^?1时可以生长较好，此时培养基中的光照强度相当于夏天中午太阳光的2倍^[23]。相反，如果光照强度超过光饱和点就会产生光抑制，通过缩短微藻培养的光暗循环周期可以抵消产生的抑制^[24]。

光暗比是影响微藻产率的一个关键因素，总摩尔的光量子不一定产生等量的微藻^[16]。如果光暗循环周期等于光合单元循环时间，光合作用效率达到最大。在连续光照培养时，周期性的低光照强度可以明显提高CO₂同化速率、微藻生长速率和胞内代谢物产率。通过设计人工光源来实现上面类型的光供给，如杂交光源系统^[25]。不同的灯可以产生不同类型的光谱，不同藻种有不同最佳吸收光。研究显示，在不同的辐射能和光谱下Phorphyridum cruentum的指数生长速率都不同，结果表明蓝光（400～500 nm）下培养可以促进微藻细胞的生长和多糖的生产^[26]。目前，在人们设计使用和试验的反应器中，槽面和管式光生物反应器的捕光能力最强。

1.2.3  混合速率

混合速率是光生物反应器是否合格的一个重要参数^[27]。混合速率过高，可能严重破坏细胞，还需要投入更多的能量;混合速率过低，抑制气相传质，容易产生沉淀。不良的混合都可能会产生反应停滞区，区域内光合效率低而且营养利用不充分，一方面造成缺氧的环境，导致产率下降;另一方面停滞区内积累有毒化合物，对培养环境也会产生影响。光生物反应器最常用混合方式见表2。

1.2.4  气体传递

微藻培养过程中，向生物反应器内通入气体，提供CO₂、NO_x或SO_x等其他气体，其目的是实现反应器内部均匀混合，避免营养成分不均产生的细胞浓度梯度。通过CO₂的溶解调控pH值，避免细胞浓度梯度;提高所有高密度培养时细胞的曝光率，实现细胞自我遮挡，达到光毒性最小;除去积累的溶解氧，降低对微藻的毒害^[30﹣31]。因此，光生物反应器设计时应考虑两个关键问题，就是CO₂的有效吸收和光合作用产生的氧累积。

有效的气体传递设备有机械系统、粗细气泡扩散器、U形管等，常用的通气方法是利用鼓泡分散器将富含CO₂空气的气泡从光生物反应器底部通入，其总传递效率可以达到13%～20%^[32]。此外，微藻光合作用运输CO₂，混合过程会促进CO₂和H⁺、OH^-、H₂O和NH₃之间的化学反应，进而影响CO₂的吸收速率。这是一个是可逆反应，因此在光生物反应器中必须通过调控pH值来控制CO₂传递。常见的pH值控制系统是当培养过程pH值超过系统预设值时系统自动注入CO₂。此时，CO₂既充当关键的营养成分，也起到缓冲作用。同其他生物反应器相比，这也增加了光生物反应器的复杂性。

光合作用速率通常影响到CO₂传递速率，尤其是光合作用速率较快时。通过脱气装置或者设置气体交换单元，保证最小的气泡也能从液相分离出来，释放出溶解氧，实现气、液相有效分离^[33]。如在管式光生物反应器中，管与管之间可以连接一个排氧管或一组平行管：下层管用来通空气培养微藻，上层管作为脱气器。

2  固定二氧化碳微藻生物质的应用

2. 1  微藻的采集

在连续培养过程中，微藻的采集十分重要。目前微藻采集面临两个主要难题，一是微藻细胞较小，二是微藻生物量相对较低。微藻生物质的采集占整个过程成本的20%～30%^[10]，由此开发经济可行的采集方式是微藻培养的核心问题。微藻的种类、培养环境以及细胞浓度都极大影响了采集方法。现有微藻采集的主要方法有离心、絮凝、过滤、泡沫分离和浮集法等，也有研究团队提出采用微藻细胞固定化技术来采集微藻，但尚未实现大规模应用^[10]。近年来关注较多的薄膜过滤方法可能在微藻采集方面有很好的应用前景。

脱水处理式微藻产业面临的又一挑战。微藻经过离心或过滤得到藻泥，其中含水质量分数最高达到90%，可用来厌氧消化。如果要用于提取油脂，要求微藻的含水質量分数不能超过50%^[34]。常用干燥法可以用于微藻脱水，但能耗大、成本高。阳光干燥法简单方便且成本低廉，成为脱水的首选方法，但是工业生产存在占地面积大的问题。利用电厂废热进行微藻脱水，可能是更有效的方法^[34]。

2.2  微藻的利用

微藻经光合作用生成各种生物质，是理想的细胞工厂，如图1。

微藻经光合作用，可将CO₂转化成淀粉、脂质、蛋白质、不饱和脂肪酸、虾青素及维生素等生物质，可广泛应用于医药、食品、农业、能源等行业^[35﹣36]。如近期在我国爆发的新型冠状病毒，患者肺部受到剧烈的炎症反应，研究表明雨生红球藻富含虾青素，虾青素具有一定抗急性炎症的作用^[37]。

目前對微藻应用研究较多且更具工业化前景的是生产生物能源产品。1939年，Gaffron发现厌氧条件下Scenedesmus obliquus有氢气代谢相关的活动，科学家们陆续开展了绿藻产氢方面的研究^[38]。1957年，Oswald 提出利用微藻处理污水的理念，此后微藻处理污水技术开始发展^[39]。1960年，科学家们第一次提出利用微藻发酵生产甲烷并得到验证，提出将能源生产同污水处理耦联，利用微藻进行厌氧消化，或同城市污泥联合发酵生产沼气，或生物质直接燃烧发电，或微藻生产的沼气发电^[40]。1976年，有研究团队开始对利用微藻作为原料生产乙醇进行研究，一方面研究微藻经光合作用积累胞内淀粉，经酵母发酵生成乙醇;还有的研究微藻直接黑暗厌氧发酵生成乙醇^[4]。2006年，微藻生物柴油成为研究热点，微藻培养后提取微藻油脂，然后同短链酯化生产柴油^[41]。近年来也有一些研究其他替代能源产品或耦联其他工艺提高微藻产业的经济性。Lan等将5个关键的异源酶基因共整合到聚球藻PCC 7942基因组中， 实现了第一代自养型改造菌株的1-丁醇的表达^[42]。Lindberg等通过敲除集胞藻 PCC6803控制鲨烯（航空燃料的潜在原料）转化的slr2089（Shc）基因，实现鲨烯细胞内的积累量超过野生型70倍^[43]。JENA等研究热解微藻生物质生成焦油和焦炭^[44]。微藻培养耦联废水废气治理提高微藻的附加值，在含盐水池培养微藻后用于发电和生产生物柴油;同煤一起燃烧;利用电厂排出的CO₂培养微藻然后提取油脂;微藻厌氧消化制沼气等^[45-48]。

3  总结与展望

同传统能源作物相比，微藻具有生长速度快和固定CO₂效率高等优势，微藻生物质还可以用作动物和人类的食品添加剂或植物肥料，可以生产生物燃料或生物基化学品，同时有潜力减少温室气体和处理污水，微藻固碳技术仍然是一项非常有前景的技术。但是，目前利用微藻固定CO₂仍然存在很多挑战。

1）高效的光生物反应器。目前大多数研究还处在实验室研究阶段，且关注封闭式反应器较多，对大规模反应器可行性的了解很少。应该加强大规模高效开放式反应器的研制，提高CO₂吸收率和微藻产率。

2）CO₂的固定。随着CO₂体积分数的增加（远远超过了空气中的标准浓度），需要提高微藻生长代谢效率、CO₂固定效率。扩宽CO₂的来源，提高微藻对不同来源CO₂的适应性，加强对固碳机理的研究等方面需要加强。建议通过基因工程手段，选育固碳效率高的藻种。

（3）微藻的高密度培养和采集。由于微藻培养细胞以及生物量水平相对较低，因此在微藻收获及下游应用过程需要消耗大量能量，也是一项巨大的挑战。开放式培养获得高密度的微藻仍然是一项关键的工作。可以结合耦联富含N和P的污水来培养微藻，需要确定的是利用污水培养微藻生物质是否还会再向环境排放大量污水，或是否可以重复利用污水。微藻的收获未来可多关注微藻细胞自絮凝方面的研究。

总的来说，将微藻同废气、废水治理耦联下游应用集成一体化，可提高微藻产业的经济性。

参考文献：

[1]张哲.中国生物质能源发展现状及问题思考[J].科技创新.2016（22）：75.

[2]KROUMOV A D， MODENES A N，  TRIGUEROS D E G， et al. A systems approach for CO₂ fixation from flue gas by microalgae：Theory review [J]. Process Biochemistry，2016， 51 （11）：1817–1832.

[3]K S. LACKNER. Climate change： aguide to CO₂ sequestration [J]. Science， 2003， 300：1677–1678

[4]廖莎.利用富含淀粉的亚心型四爿藻生物质生产乙醇的研究[D]. 大连：大连理工大学，2011.

[5]HAIDUC A G， BRANDENBERGER M， SUQUET S， et al. SunCHem： an integrated process for the hydrothermal production of methane from microalgae and CO₂ mitigation [J]. J. Appl. Phycol.，2009. 21： 529–541.

[6]范道春，张红兵，刘垒.富油脂微藻育种技术研究进展[J]. 微生物学杂志，2019（1）：115-121.

[7]尚海，薛林贵，马萍，等. 微藻降解废水污染物的研究进展 [J].微生物学杂志，2018，38（3）：114-121.

[8]CHEN C Y， YEH K L， AISYAH R， et al. Cultivation， photobioreactor design and harvesting of microalgae for biodiesel production： A critical review [J]. Bioresource Technology，2011， 102 （1）：71-81.

[9]MUNOZ R， GUIEYSSE B. Algal-bacterial processes for the treatment of hazardous contaminants： a review [J]. Water Research，2006， 40 （15）： 2799-2815.

[10]ANDERS S C， JAN B V B， PALF M， et al. Micro and micro-algae： utility for industrial applications [D]. University of York， 2007.

[11]LUCIELEN O S， KRICELLE M D， BRUNO C M， et al. Magnetic treatment of microalgae for enhanced product formation [J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology，2017， 33： 169.

[12]BHOLA V， SWALAHA F， RANJITH K R， et al. Overview of the potential of microalgae for CO₂ sequestration [J]. International Journal of Environmental Science and Technology， 2014， 11 （7）： 2103–2118.

[13]ZHOU， G J， YING， G G， LIU， S， et al. Simultaneous removal of inorganic and organic compounds in wastewater by freshwater green microalgae [J].Environmental Science： Processes & Impacts， 2014， 16 （8）： 2018-2027.

[14]HU Q， YAIR Z， AMOS R. Combined effects of light intensity， light-path and culture density on output rate of Spirulina platensis （Cyanobacteria） [J]. European Journal of Phycology， 33 （2）， 165–171.

[15]KODAMA N， IKEMOTO H， MIAYCHI S. A new species of highly CO₂- tolerant fast-growing marine microalga suitable for high-density culture [J]. Journal of Marine Biotechnology， 1993， 1 （1）： 21-25.

[16]鄧祥元.应用微藻生物学[M]. 北京：海洋出版社，2016.

[17]YANG M，MENG Y，CHU Y，et al.Triacylglycerol accumulates exclusively outside the chloroplast in short-term nitrogen-deprived Chlamydom- onas reinhardtii [J]. Biochimic et Biophysica Acta， 2018， 1863（12）： 1478-1487.

[18]KUMAR A， YUAN X ， SAHU A K， et al. Hollow fiber membrane photo-bioreactor for CO₂ sequestration from combustion gas coupled with wastewater treatment： a process engineering approach [J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology，2009， 85： 387-394.

[19]WYKOFF D D， DAVIES J P， MELIS A， et al. The regulation of Photosynthetic Electron Transport during Nutrient Deprivation in Chlamydomonas reinhardti [J]. Plant Physiol， 1998， 117： 129-139.

[20]XOJO E O， AUT H， BAGANZ F，et al. Design and arallelization of a miniature photobioreactor platform for microalgal culture evaluation and optimization [J].Biochemical Engineering Journal， 2015， 103： 93-102.

[21]SATO T， USUI S， TSUCHIYA Y， et al. Invention of outdoor closed type photobioreactor for microalgae [J].Energy Conversion and Management， 2006， 47 （6）：791-799.

[22]P?ACZEK M， PATYNA A， WITCZAK S. Technical evaluation of photobioreactors for microalgae cultivation[J]. E3S Web of Conferences， 2017， 19： 20-32.

[23]BARBOSA M J， ALBRECHT M， WIJFFELS R H. Hydrodynamic stress and lethal events in sparged microalgae culture [J].Biotechnology and Bioengineering，2003， 83： 112–120.

[24]PULZ O. Photobioreactors： production systems for phototrophic microorganisms [J]. Applied Microbiology & Biotechnology，2001， 57： 287-293.

[25]MUHS， J. Design and analysis of hybrid solar lighting and fullspectrum solar energy systems [C]∥Proceedings of the International Solar Energy Conference， Solar Engineering， 2000.

[26]HANAGATA N. Tolerance of microalgae to high CO₂ and high temperature [J]. Phytochemictry，1992， 31： 3345-3348.

[27]康少鋒.基于CFD的平板式光生物反应器内部结构的优化设计[D].上海：华东理工大学，2012.

[28]WANG B， LAN C Q， HORSMAN M. Closed photobioreactors for production of microalgal biomasses [J]. Biotechnology Advances， 2012， 30 （4）： 904-912.

[29]AMOS R， ZHANG C W. Optimization of a flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. Outdoors [J].Journal of Biotechnology，2001. 85： 259–269.

[30]PULZ O. Photobioreactors： production systems for phototrophic microorganisms [J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2001， 57： 287-293.

[31]UGWU C， AOYAGI H， UCHIYAMA H. Photobioreactors for mass cultivation of algae [J]. Bioresource technology， 2008， 99 （10）： 4021-4028.

[32]CARVALHO A P， MEIRELES L A， MALCATA F X， et al. Microalgal reactors： a review of enclosed systems design and performances [J]. Biotechnology Progress，2006. 22 （6）： 1490–1506.