李珂，李清毅，郭文文，李國能

（1 浙江科技學院能源與環(huán)境系統(tǒng)工程系，浙江杭州310023；2 浙江省能源集團有限公司，浙江杭州310007）

利用光合自養(yǎng)微藻固定煙氣中的CO2是一種可行性高、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好型碳減排技術(shù)，可以與生物煉制工藝聯(lián)用，提供多種生物燃料，緩解能源危機，被列為我國面向2050年能源可持續(xù)發(fā)展的潛力研究方向之一[1-2]。微藻可以在較廣的CO2濃度范圍內(nèi)存活，如綠球藻可在體積分數(shù)40%甚至60%CO2條件下快速生長[3]。利用煙氣CO2培養(yǎng)微藻不僅可以避免異養(yǎng)培養(yǎng)造成的生物污染，降低曝氣能耗和成本，而且可以促進微藻生長和提高油脂含量，但煙氣中含量超過10%的高濃度CO2對大部分的微藻具有“麻醉”作用，抑制其生長和油脂積累[4-5]。因此，選育出可以耐受含量5%以上的高濃度CO2，并且生長速率較高的藻株是實現(xiàn)微藻固定煙氣CO2的首要前提。國內(nèi)外固碳微藻藻種篩選結(jié)果表明, 綠藻綱（Chlorophyceae）、藍綠藻綱（Cyanophyceae）、硅藻綱（Bacillariophyceae）和金藻綱（Chrysophyceae）微藻在固定CO2上均具有顯著優(yōu)勢（見表1），其中，綠藻綱微藻研究最為廣泛[6-7]。因此，本文主要總結(jié)了煙氣高濃度（體積分數(shù)5%～20%）CO2與光調(diào)控對綠藻綱微藻的影響機制，為進一步提高微藻光合作用固碳效率和光能利用效率提供理論參考，為今后的微藻減排研究和技術(shù)提供新思路。深入了解高濃度CO2對微藻細胞的影響機制對如何針對性地篩選固碳藻種，提高微藻的高碳耐受性，以及促進高碳條件下的光合作用和生物質(zhì)積累均具有重要指導意義。

微藻固碳效率高的主要原因之一是其較高的光能轉(zhuǎn)化效率，普通陸生植物太陽能轉(zhuǎn)化的量子效率均不足1%，而微藻的量子效率為2%～10%[8]。然而，微藻的實際光合作用效率卻僅為理論光合作用效率的(1/3)～(1/2)[9]。由于光能捕集和電子傳遞的動力學耦合過程不對稱[10]，大部分的能量通過熱耗散和熒光形式逸出，只有0.1%～10%葉綠體捕集的光能可用于CO2的固定[11]。此外，微藻對光譜吸收的多樣性，光合色素對光譜利用的選擇性，微藻固碳、產(chǎn)油多階段對光譜需求的差異性，導致了利用光照優(yōu)化調(diào)控促進微藻固碳生長的復(fù)雜性。深入了解光調(diào)控對微藻光合作用的影響機制，有利于針對性地提高微藻的光合作用能量傳遞和利用效率，促進光合作用反應(yīng)，為微藻固碳反應(yīng)途徑提供更多能量，對顯著提高微藻捕集CO2效率具有重要作用。

1 高濃度CO2誘導下細胞內(nèi)環(huán)境的維穩(wěn)機制

在高濃度CO2下，微藻細胞會通過增加ATP，上調(diào)H+-ATPases，上調(diào)PSⅠ/PSⅡ能量比，下調(diào)CCM（見表2）相關(guān)基因表達和改變細胞膜脂肪酸成分等一系列機制增強細胞對高濃度CO2的適應(yīng)性[20-22]，在高碳引起的酸性環(huán)境中維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，保障細胞各項機能的正常運行。高濃度CO2中，微藻細胞維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的兩個主要因素為：①PSⅠ附近的循環(huán)電子傳遞，它可產(chǎn)生ATP；②V-ATPase 構(gòu)成的質(zhì)子泵，它可以利用循環(huán)電子傳遞產(chǎn)生的ATP 維持細胞pH 的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。在施加高濃度CO2壓力后，高濃度CO2耐受微藻的生長出現(xiàn)短暫停滯期，而后恢復(fù)生長的兩階段性。在停滯期中，CO2固定速率、O2釋放速率和PSⅡ的量子效率會先降低，而后增加；PSⅠ的活性，尤其是PSⅠ周圍循環(huán)電子傳遞的活性顯著增強，PSⅠ/PSⅡ比例提高。不耐受高濃度CO2微藻的生長則沒有表現(xiàn)出明顯的兩階段性[23]。液泡是細胞內(nèi)儲存H+的重要場所，對調(diào)節(jié)細胞質(zhì)酸堿平衡具有重要作用，其調(diào)節(jié)能力的強弱直接影響細胞對高濃度CO2的耐受性。細胞通過液泡膜上V-ATPase 離子泵將細胞質(zhì)中過量的H+轉(zhuǎn)運到液泡中，從而使細胞內(nèi)液泡的比例隨CO2濃度提高逐漸增加[24]。高濃度CO2對微藻生長的抑制可能是由于細胞質(zhì)甚至葉綠體的酸化造成的，而細胞內(nèi)的酸化可能是由胞內(nèi)碳酸酐酶導致的。在高濃度CO2條件下，碳酸酐酶被抑制，活性降低至零[25]。類囊體膜上F-型H+-ATPase轉(zhuǎn)運酶和細胞色素b6/f復(fù)合物上的鐵硫蛋白亞基共同作用降低H+由基質(zhì)向類囊體內(nèi)部的主動運輸，同時增強了H+向外部的輸出，防止高濃度CO2條件下葉綠體的酸化，維持光合作用酶活性[22]。由于鐵離子影響光合作用酶和呼吸作用酶，鐵離子的吸收也對微藻適應(yīng)高濃度CO2起重要作用。

表2 名詞縮寫對照表

2 高濃度CO2對光合作用質(zhì)能遷移轉(zhuǎn)化的影響

2.1 細胞內(nèi)外CO2的運輸

大量采用純CO2、模擬煙氣和真實煙氣養(yǎng)殖微藻的研究表明，CO2對微藻碳固定效率和生物質(zhì)產(chǎn)量具有正向促進作用[26]。在低濃度CO2條件下，由于CO2在水中的溶解度較低，溶解的CO2遠低于Rubisco 酶的Km（CO2），因此，Rubisco 酶與CO2的親和性較低。在水中具有較高溶解度的O2與CO2競爭，促進了Rubisco 酶催化1,5-二磷酸核酮糖與氧氣的氧化反應(yīng)，而降低了其與CO2的羧化反應(yīng)，導致CO2固定效率較低[20]。為了捕捉到足夠的CO2供自身生長，許多藻類均具有CCM 機制。在高濃度CO2條件下，CCM 機制的關(guān)鍵酶碳酸酐酶被抑制，CO2和HCO-3之間的轉(zhuǎn)化過程被削弱，CO2在滲透壓作用下直接通過被動運輸轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)部，簡化了CO2轉(zhuǎn)化運輸過程，提高了細胞內(nèi)CO2的供給效率。此外，在煙氣濃度CO2條件下，處于酸性環(huán)境中的藻細胞會分泌膨脹素，引起氫鍵的斷裂，導致細胞壁多糖分子間結(jié)構(gòu)交織點破裂[27]，使細胞壁松弛，孔隙增多。因此，CO2氣體在更多點與細胞壁接觸，通過更多的細胞壁孔道進入細胞內(nèi)，提高CO2主動運輸效率。

2.2 CO2的固定

高濃度CO2可以顯著提高微藻的固碳效率，與空氣條件下相比，6%CO2濃度下雨生紅球藻生長速率可提高82%，在15%CO2條件下，生物質(zhì)可提高至2.6倍[32]。高濃度CO2可以促進藻細胞多條固碳途徑的基因表達上調(diào)，改變mRNA的表達，提高同步表達模式，影響能量代謝和光反應(yīng)相關(guān)基因表達，刺激藻細胞光合作用[28-30]。C3途徑中，景天庚酮糖雙磷酸酯酶、轉(zhuǎn)酮醇酶和果糖雙磷酸酶表達量上調(diào)加速磷酸核酮糖的再生，與果糖二磷酸醛縮酶增加共同促進卡爾文循環(huán)[31]；磷酸甘油酸激酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶和磷酸丙糖異構(gòu)酶增加，促進淀粉合成，將CO2固定至生物質(zhì)中[32]（見圖1）。C4途徑中，磷酸烯醇丙酮酸含量提高，增加C4 途徑中CO2的原初受體，提高CO2固定效率。糖酵解、TCA循環(huán)和氧化磷酸化等過程相關(guān)基因上調(diào)，產(chǎn)生了更多ATP 和代謝中間物，為細胞快速生長和合成代謝提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，微藻配子發(fā)育過程、細胞外蛋白質(zhì)成分、胞內(nèi)儲能物質(zhì)形態(tài)等也受高濃度CO2影響[33-34]。低濃度CO2條件下淀粉粒主要為杯狀的蛋白核淀粉粒；高濃度CO2下，淀粉粒主要為盤狀的基質(zhì)淀粉，直徑小于蛋白核淀粉粒，包含更多的直鏈淀粉粒，并且已經(jīng)水解的淀粉比例較大，更有利于生物燃料的制備[35]。CO2濃度提高還會影響有機碳在淀粉和油脂合成途徑之間的平衡，影響蛋白質(zhì)和油脂含量[36-37]。

2.3 光能量的轉(zhuǎn)化傳遞

圖1 高碳對CO2運輸、碳固定途徑和光能量轉(zhuǎn)化傳遞的影響

葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素是光合生物捕獲光能量的三大有機色素。其中，類胡蘿卜素在光合結(jié)構(gòu)中具有重要作用，可將激發(fā)能量傳遞給葉綠素a。此外，類胡蘿卜素還可以防止過量的光輻射及活性氧類物質(zhì)對細胞的損傷。由于紅光在水表的衰減強烈，水環(huán)境中以藍綠光為主，類胡蘿卜素對藍綠波段光能的吸收使微藻可對葉綠素無法吸收的光進行有效利用，這對水生藻類來說非常重要[38]。高濃度CO2對類胡蘿卜素的代謝途徑具有顯著促進作用，八氫番茄紅素去飽和酶、ζ-胡蘿卜素去飽和酶和番茄紅素β-環(huán)化酶增加，提高β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化的效率[39]。被捕獲的光能在包含捕光觸角、PSⅠ和PSⅡ、細胞色素b6/f以及ATP合成酶的類囊體膜上轉(zhuǎn)化為ATP 化學能。合成ATP 所需的能量源于細胞膜兩側(cè)質(zhì)子濃度梯度的勢能，該勢能使得質(zhì)子穿過細胞膜推動ATP 合成。高濃度CO2條件下，NADH氧化增強，促進質(zhì)子從細胞質(zhì)向膜間隙轉(zhuǎn)移，提高了膜兩側(cè)質(zhì)子濃度。細胞色素b6/f 是連接PSⅠ和PSⅡ之間電子傳遞的重要復(fù)合物，高濃度CO2可顯著促進其亞基——復(fù)合物鐵硫蛋白亞基表達，提高電子傳遞效率[40]。

3 光調(diào)控促進微藻固定CO2

3.1 光質(zhì)對微藻光合固碳效率的影響

光是影響微藻光合作用效率的關(guān)鍵因素，通過光質(zhì)調(diào)控可將微藻對CO2的固定速率提高50%[15]。適宜的光強和光質(zhì)配比不僅有利于提高微藻的光合作用效率，還可以減少光照產(chǎn)生的熱量，緩解高溫對微藻生長的抑制作用。表3總結(jié)了幾種微藻固碳光合反應(yīng)器的光調(diào)控策略[11,41]。

由于不同波段的光在水體中的穿透性不同，不同水層深度的微藻細胞接收到的光照強度、光質(zhì)和光的均勻度均不同。微藻通過調(diào)節(jié)色素復(fù)合物和色素數(shù)量適應(yīng)光照條件變化。在光照不足時，微藻捕光天線蛋白數(shù)量增加；光照飽和時，大量捕光天線蛋白捕集的能量過剩，流向光反應(yīng)中心的光子約為線性電子傳遞的100倍，導致高達75%的能量通過熱或熒光耗散[10]，因而出現(xiàn)光飽和、光抑制和光氧化等現(xiàn)象。微藻對光能的吸收能力很大程度上取決于它自身的色素特性，有些微藻細胞可在高光照條件下降低色素含量以避免光抑制[42]。不同類型的光合色素具有鮮明的顏色特征，并且只吸收某段特定波長的光。葉綠素分別對450～475nm、630～680nm、700～750nm 波長的光均有吸收，輔助色素藻膽素和類胡蘿卜素則分別吸收500～650nm 波段和400～550nm 的光。由于光譜范圍窄、能量集中，單色紅/藍光對微藻生長固碳的促進效果要顯著高于白光[12]。向微藻提供其色素光譜吸收峰值附近的特定波長的光，有利于針對性地提高生物質(zhì)產(chǎn)量，提高光能利用效率，以及改善工業(yè)水平光生物反應(yīng)器的經(jīng)濟實用性。

表3 微藻固碳光合反應(yīng)器的光調(diào)控策略

光質(zhì)調(diào)控對微藻固碳速率的促進作用受微藻種類、生長階段、培養(yǎng)密度、曝氣方式等多方面因素影響。第一，不同微藻吸收利用的光譜波段存在差異。普遍認為紅光和藍光對光合作用貢獻最大，但光合作用對這兩波段能量的轉(zhuǎn)化效率因微藻種類不同而異。紅光有利于小球藻細胞的快速分裂，三角褐指藻、微囊藻在紅光下的固碳速率最高，斜生柵藻在綠光下生長最快，而扁藻、微擬球藻等則對藍光能量的利用效率最高，生長速率最快[12,52-53]。第二，微藻對光質(zhì)的需求隨生長階段變化而改變。雨生紅球藻的綠色細胞在紅光下生長迅速，而紅色細胞在藍光下生物量的增長和蝦青素的積累較紅光多；蛋白核小球藻生長的初期階段，在紅光條件下的固碳速率較高，而經(jīng)過15 天的生長期后，藍光下的固碳速率則較高[52]，這是由于紅色光更有利于細胞分裂，而藍色光則更有利于細胞個體生長（見圖2）。第三，微藻培養(yǎng)密度影響光合反應(yīng)器中光的穿透性。微藻葉綠素對紅光和藍光具有較高的吸收率，而對綠光的利用較少。在微藻培養(yǎng)密度較低時，紅藍光可顯著促進微藻光合作用活性，提高固碳速率，但是當微藻培養(yǎng)密度較高時，由于紅藍光的吸收損耗，到達反應(yīng)器中心的光減少，生物量的增長速率反而較綠光低[54]。第四，曝氣方式改變光質(zhì)對微藻固碳效率的影響。在靜態(tài)培養(yǎng)條件下，綠光下培養(yǎng)的小球藻固碳速率更高，而加入鼓泡曝氣后，由于紅光衰減弱化，紅光下小球藻的固碳速率遠高于綠光[55]。掌握微藻的有效吸收光譜，依據(jù)微藻種類和生長階段，選擇適宜波長的光源，是光調(diào)控提高微藻固碳效率的首要前提。大部分的研究以微藻的光吸收或衰減替代微藻的有效光合輻射利用，但這與基于氧氣產(chǎn)量的有效光合吸收光譜有顯著差異。后者表征了光合作用對特定波長光源的真實利用情況，對比發(fā)現(xiàn)，某些微藻吸收較差的光波段反而對光合作用具有重要促進作用（見圖3）[11]。目前僅通過測量單色波長下熒光參數(shù)、光合放氧量和生長速率等獲得了少數(shù)幾種微藻的有效光合吸收曲線，遠不能滿足種類多元化的固碳微藻需求，因此，大量相關(guān)工作仍有待進一步開展。

圖2 紅、藍光對微藻生長繁殖影響示意圖

圖3 微藻的光吸收曲線與有效光合吸收曲線對比［11］

3.2 微藻碳代謝途徑對光質(zhì)調(diào)控的響應(yīng)

相比于白光，紅藍光可以提高微藻葉綠素a、葉綠素b以及類胡蘿卜素的含量，從而促進微藻光合固碳作用。但由于不同波段的光攜帶的能量不同，其對微藻生長繁殖、細胞形態(tài)的影響不盡相同。紅光有利于微藻細胞的分裂繁殖。紅光本身的能量使其更易于被光合作用電子傳遞鏈傳遞和利用，并且產(chǎn)生的ROS 更少，使細胞不需要通過合成大量的油脂和色素來消耗多余的ROS。此外，與其他波段的光相比，紅光的光量子效率最高，若吸收固定1mol 的碳，紅光的最高光量子效率可達到130E[56]。藍光對微藻細胞的分裂具有抑制作用，卻對細胞個體的增大和有機碳的積累具有促進作用。藍光可上調(diào)葉綠體類囊體膜上chlB、rbcL、psaB、psbA、MinD 蛋白基因表達。其中，chlB 編碼葉綠素還原酶亞基B、rbcL 編碼Rubisco 酶亞基、psaB編碼PSⅠ中心蛋白、psbA編碼PSⅡ的D1蛋白，這些蛋白表達的上調(diào)都有利于微藻光合作用光反應(yīng)的增強，但MinD 蛋白表達上調(diào)會抑制細胞分裂過程[57]。MinD 蛋白和FtsZ 環(huán)正確定位與細胞中部的潛在分裂位點密切相關(guān)。介導細胞分裂的環(huán)狀復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)tsZ蛋白最早在細胞中部組裝成環(huán)狀結(jié)構(gòu)-Z 環(huán)，MinD 蛋白過表達會抑制Z 環(huán)的形成，從而抑制細胞的分裂。藍光下過氧化氫酶的表達是白光條件下的160倍[58]，較高的ROS水平也是導致細胞分裂繁殖降低的重要原因，但較高的ROS 水平卻有利于刺激油脂和色素等次級代謝產(chǎn)物的合成代謝途徑。

光照強度相同時，藍光下油脂合成的乙酰輔酶A 羧化酶（ACC）、ACP-S-丙二酰轉(zhuǎn)移酶（FabD）和酮?；?ACP 縮合酶（KAS）等關(guān)鍵酶表達顯著高于白光條件。脂肪酸合成的第一步是Acetyl-CoA在ACC 的催化作用下合成Malonyl-CoA，因此，ACC 是催化脂肪酸合成的第一限速酶，其含量提高，可以有效促進脂肪酸合成代謝；FabD 可提高Malonyl-CoA 和ACP 的反應(yīng)效率；KAS 表達量上調(diào)可促進Malonyl-ACP 和Acyl-CoA 反應(yīng)，生成Acetoacetyl-ACP，進入脂肪鏈延長過程[59]。雖然光質(zhì)調(diào)節(jié)下某一代謝途徑宏觀表征增強，但是其代謝途徑中部分基因的表達響應(yīng)卻不一致。如在藍光下蝦青素的合成代謝途徑中，八氫番茄紅素合成酶、八氫番茄紅素去飽和酶等在藍光條件下的表達要高于紅光條件，而β-胡蘿卜素羥化酶、番茄紅素β-環(huán)化酶的表達卻在紅光條件下更高[60]。因此，代謝途徑對光質(zhì)調(diào)控的響應(yīng)較為復(fù)雜，除受代謝過程機制調(diào)節(jié)外，還受微藻種類和培養(yǎng)條件的制約。紅光對小球藻的淀粉積累和四肩突四鞭藻的油脂積累具有顯著的促進作用，而藍光作用下微擬球藻的油脂積累更高。自養(yǎng)情況下，在藍光下的油脂含量遠高于紅光，并且，蝦青素和蛋白質(zhì)的含量也較高[59-60]；但自養(yǎng)異養(yǎng)混合培養(yǎng)情況下，雨生紅球藻在紅光下的油脂含量，尤其是飽和脂肪酸的含量遠高于藍光[12,61]。亦有研究表明，光合作用效率低的綠光可以通過抑制等鞭金藻、三角褐指藻等微藻生長，將碳源導流向油脂合成代謝途徑，其綠光下的油脂含量較紅藍光下油脂含量高。綜上所述，若光質(zhì)調(diào)控微藻固碳的研究僅針對微藻生長和有機碳積累表征的宏觀層面，而對復(fù)雜情況下碳代謝的過程機制和微觀機理研究較少，對微藻固碳過程中的光能吸收轉(zhuǎn)化機制對光譜的響應(yīng)過程規(guī)律不清晰，則將導致如何充分合理利用光源優(yōu)化調(diào)控微藻固碳缺乏完善的理論指導。

4 結(jié)語

利用光合效率高、生長速率快的微藻捕集CO2，是控制煙氣碳排放、緩解溫室效應(yīng)的一項非常有前景的技術(shù)。微藻通過光合作用固定CO2受多種因素影響，如營養(yǎng)鹽、溫度、光照、pH 等，其中，CO2和光照是支撐和驅(qū)動光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)和能量來源，微藻對能量的利用和對碳的轉(zhuǎn)化直接決定微藻對CO2的捕集效率。針對煙氣濃度CO2，選育出具有高濃度CO2耐受機制的微藻固碳藻株是實現(xiàn)微藻碳捕集的首要前提，提高CO2捕集、傳遞和固定效率是微藻碳捕集技術(shù)需要突破的關(guān)鍵制約瓶頸，高效積累微藻碳代謝產(chǎn)物，加強能源化和資源化利用是推動微藻碳捕集產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的助力器。對微藻固定CO2分子機理的深入研究、不同微藻種類在生長和積累目標產(chǎn)物過程中對特殊光質(zhì)需求的深入了解，更有助于針對性地制訂光調(diào)控和碳供給策略，以有效提高固碳效率和目標產(chǎn)物如淀粉、油脂、色素等代謝產(chǎn)物的含量。在光調(diào)控和高碳誘導協(xié)同刺激提高光合效率的同時，微藻對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的需求也相應(yīng)提高，如何轉(zhuǎn)化利用煙氣中的氮氧化物、如何將富營養(yǎng)廢水引入微藻固碳系統(tǒng)，構(gòu)建廢氣廢水協(xié)同處理耦合生物質(zhì)能產(chǎn)出的綠色產(chǎn)業(yè)鏈仍有待進一步探討。此外，針對微藻捕集CO2技術(shù)的經(jīng)濟可行性及生命周期評價體系研究等仍有待深入開展。