李 煦，榮峻峰，宗保寧

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

“能源”和“環(huán)境”是人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問(wèn)題，工業(yè)化和人類(lèi)活動(dòng)造成溫室氣體在大氣中的累積是引起氣候變化的一個(gè)重要因素[1]?；茉吹氖褂靡环矫嬷瘟巳祟?lèi)社會(huì)的高速發(fā)展，另一方面也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和碳排放危機(jī)。2018年全球能源消耗比上年度增長(zhǎng)2.3%，僅使用化石燃料排放的CO2就達(dá)到了33.1 Gt[2]。大氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)也從1980 年的340 μg/g上升到2020年的412 μg/g[3]。CO2約占溫室氣體總量的50%，但對(duì)環(huán)境變化所產(chǎn)生影響的比例卻達(dá)到了82%，帶來(lái)了包括海平面上升、食品安全危機(jī)、物種滅絕與生物多樣性危機(jī)等諸多問(wèn)題[4]。國(guó)際社會(huì)也在不遺余力地制定各種政策，希望能夠減緩CO2排放量逐年上升而引起的全球變暖趨勢(shì)。在技術(shù)方面，CO2的減排、封存與利用成為降低CO2凈排放量的有效手段。

光合作用是生物利用光能將CO2吸收并轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的過(guò)程，是自然界經(jīng)過(guò)數(shù)十億年進(jìn)化形成的高效CO2固定手段。微藻是能夠進(jìn)行光合作用的單細(xì)胞或細(xì)胞聚集體生物，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可分為原核微藻與真核微藻。原核微藻以藍(lán)藻為主，又稱(chēng)為藍(lán)細(xì)菌，包括螺旋藻、顫藻、念珠藻等種類(lèi)。原核微藻細(xì)胞內(nèi)含有光合色素，但不形成葉綠體，細(xì)胞結(jié)構(gòu)與革蘭氏陰性細(xì)菌相近。真核微藻具有細(xì)胞核、葉綠體等細(xì)胞器，包括綠藻、硅藻、輪藻等諸多種類(lèi)[5-6]。微藻通常生活在水環(huán)境中，不具有組織與器官的分化能力。與陸生高等植物相比，微藻通過(guò)光合作用進(jìn)行CO2的吸收有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，微藻的生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)高于高等植物。由于微藻細(xì)胞不產(chǎn)生分化，理論上所有的細(xì)胞都可以進(jìn)行光合作用生成有機(jī)物，因此微藻生物質(zhì)積累的速率遠(yuǎn)高于高等植物，生物質(zhì)產(chǎn)率可達(dá)50～100 t/(ha·a)[7]。其次，微藻以細(xì)胞為單位進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用，不存在遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸過(guò)程，因此固碳效率高于依賴(lài)維管束系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸?shù)母叩戎参铩Ｗ詈?，微藻種類(lèi)繁多，可以在淡水、海水等多種條件下生長(zhǎng)，擴(kuò)大了微藻固碳技術(shù)的適應(yīng)性。以下綜述微藻固碳領(lǐng)域近年來(lái)的研究與實(shí)踐進(jìn)展，包括微藻碳固定過(guò)程與微藻生物質(zhì)的利用等方面，以期為今后的技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供思路。

1 微藻固碳的原理

1.1 光能捕捉與傳遞

光系統(tǒng)是微藻進(jìn)行光吸收的功能單位，是由色素、脂肪和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物。每一個(gè)光系統(tǒng)含有捕光復(fù)合物和光反應(yīng)中心復(fù)合物兩個(gè)主要成分。捕光復(fù)合物中的光吸收色素可形象地比喻為一種天線，捕獲光子并將能量傳遞給反應(yīng)中心的色素，光反應(yīng)中心復(fù)合物利用這一能量裂解水分子，形成O2與H+，并激發(fā)出一個(gè)自由電子進(jìn)入光合電子傳遞鏈，這一過(guò)程又稱(chēng)為水的光解[8]。H+的不斷產(chǎn)生形成了跨生物膜H+濃度梯度。ATP(腺苷三磷酸)合成酶在跨膜H+濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下形成ATP，作為后續(xù)有機(jī)物合成的能源；而自由電子則經(jīng)過(guò)光系統(tǒng)中復(fù)雜的轉(zhuǎn)遞后與NADP+(氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，氧化型輔酶Ⅱ)形成NADPH(還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，還原型輔酶Ⅱ)，作為后續(xù)有機(jī)物合成過(guò)程中還原力的來(lái)源[9]。

1.2 無(wú)機(jī)碳濃縮機(jī)制

1.3 光合碳代謝

CO2在核糖-1，5-二磷酸羧化酶(Rubisco酶)的催化下與核糖-1，5-二磷酸生成3-磷酸甘油酸，是無(wú)機(jī)碳固定成為有機(jī)碳的第一步。以光能捕捉與傳遞步驟中產(chǎn)生的ATP與NADPH為能量和還原力的來(lái)源，3-磷酸甘油酸經(jīng)過(guò)多步酶催化生成果糖-1，6-二磷酸，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)檎崽?、淀粉等糖?lèi)分子，以生物質(zhì)的形式儲(chǔ)存下來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)CO2到生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。Rubisco酶是葉綠體中含量最高的蛋白質(zhì)，可能也是地球上最豐富的蛋白質(zhì)，是光合作用碳固定的核心，也是受到嚴(yán)密調(diào)控的位點(diǎn)[13]。

2 影響微藻固碳效率的因素

2.1 藻種

以CO2為原料合成有機(jī)物的過(guò)程發(fā)生在微藻細(xì)胞中，不同種類(lèi)的微藻固定CO2的效率也存在差異。研究者估計(jì)地球上存在約30萬(wàn)種微藻，而被人們發(fā)現(xiàn)并記錄的僅有約3萬(wàn)種，不同微藻物種之間的差異遠(yuǎn)大于高等植物之間的差異[14]。因此選擇合適的微藻藻種就成為提高固碳效率的首要手段。性狀優(yōu)良、CO2吸收固定效率高的藻種既可以從自然界篩選得到，也可以通過(guò)基因工程等手段對(duì)天然藻種進(jìn)行改造獲得。

2.1.1 藻種篩選微藻在天然水環(huán)境中生長(zhǎng)，對(duì)于空氣的CO2濃度有較好的適應(yīng)性。然而工業(yè)煙氣中的CO2濃度遠(yuǎn)高于空氣，在利用微藻進(jìn)行煙氣CO2減排時(shí)需要篩選能夠耐受高濃度CO2并快速生長(zhǎng)的藻種。Zhao Bingtao等[15]使用體積分?jǐn)?shù)15%的CO2進(jìn)行了微藻養(yǎng)殖試驗(yàn)，結(jié)果顯示小球藻(Chlorellasp.)的效果優(yōu)于等鞭金藻(Isochrysissp.)與強(qiáng)壯前溝藻(Amphidiniumcarterae)，小球藻生物質(zhì)積累效率可達(dá)到0.192 g/(L·d)，CO2固定速率為0.353 g/(L·d)。Radmann等[16]評(píng)價(jià)了不同藻種在以電廠煙氣CO2為碳源的養(yǎng)殖條件下的生長(zhǎng)情況，結(jié)果顯示螺旋藻、普通小球藻、斜生柵藻與聚球藻的生物質(zhì)質(zhì)量濃度分別可達(dá)到1.59，0.98，0.68，0.41 g/L。不同藻種在CO2固定方面具有較大的差異，因此需要針對(duì)待減排的煙氣特征篩選合適的藻種。

2.1.2 藻種改良定向進(jìn)化是一種以環(huán)境條件作為選擇壓，模擬自然界進(jìn)化過(guò)程實(shí)現(xiàn)生物體性狀快速改良的手段。通過(guò)人為施加比自然界更為嚴(yán)格的篩選條件，能夠大大提高有益突變積累的速率，從而在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物性狀快速進(jìn)化。Li Dengjin等[17]通過(guò)逐步提高CO2濃度進(jìn)行培養(yǎng)，使小球藻逐漸適應(yīng)了電廠煙氣中CO2的高濃度，解除了CO2體積分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)對(duì)小球藻生長(zhǎng)的抑制作用；進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，即使CO2體積分?jǐn)?shù)高達(dá)30%，也不會(huì)對(duì)定向進(jìn)化篩選所得藻種的生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯的不利影響。Cheng Dujia等[18]通過(guò)46輪的篩選，獲得了最大CO2固定速率達(dá)到1.20 g/(L·d)的藻種，這一結(jié)果遠(yuǎn)高于天然篩選得到的藻種。Aslam等[19]使用電廠煙氣對(duì)混合微藻種群進(jìn)行了定向進(jìn)化，篩選得到了對(duì)CO2與NOx濃度較高的煙氣具有良好耐受性的鏈帶藻藻種。

隨著對(duì)微藻生長(zhǎng)與生物質(zhì)積累以及光合作用研究的深入，這些過(guò)程的分子機(jī)制越來(lái)越明晰，分子生物學(xué)技術(shù)也正在日新月異地發(fā)展。這些都為通過(guò)合成生物學(xué)和基因工程手段對(duì)天然藻種進(jìn)行改良、提高微藻固碳效率奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)藻種遺傳改造提高微藻吸收CO2效率可能的途徑，包括提高CO2固定效率、增強(qiáng)光能捕捉系統(tǒng)以及引入新的CO2固定通路以減少能量損失。微藻細(xì)胞固定CO2的過(guò)程有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分別為Calvin循環(huán)與碳濃縮機(jī)制(CCM)。Hazra等[20]通過(guò)構(gòu)建雜合的Rubisco酶提高了萊茵衣藻對(duì)CO2/O2的特異性。而過(guò)表達(dá)Rubisco活化酶則能夠在不改變CO2濃度的條件下使微擬球藻的生物量產(chǎn)率提高46%[21]。提高景天庚酮糖-1，7-二磷酸酶的表達(dá)量能夠改善多種藻類(lèi)的生物質(zhì)積累和光合作用效率[22-23]。而在普通小球藻中，過(guò)表達(dá)果糖1，6-二磷酸醛縮酶能夠使光合作用速率提高1.2倍[24]。綠藻細(xì)胞中吸收光能的色素主要是葉綠素a和b，它們能夠吸收的日光波長(zhǎng)范圍在400～700 nm之間。向細(xì)胞中引入其他色素能夠擴(kuò)大吸收光的波長(zhǎng)范圍，從而改善光合作用的能量供應(yīng)，并更加充分地利用自然光。Tros等[25]在聚球藻PCC 7002中表達(dá)了葉綠素f合成相關(guān)基因，使細(xì)胞吸收光的波長(zhǎng)上限提高到750 nm，從而使細(xì)胞吸收的光能提高了19%。

2.2 養(yǎng)殖裝置

微藻生物質(zhì)的組成與積累速率在很大程度上受到養(yǎng)殖條件的影響。微藻的規(guī)模養(yǎng)殖流程和光生物反應(yīng)器形式是微藻生物技術(shù)的核心環(huán)節(jié)，也是目前該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸[26]。微藻的養(yǎng)殖系統(tǒng)根據(jù)具體形式的不同可分為開(kāi)放式系統(tǒng)和封閉式系統(tǒng)兩類(lèi)[27]。目前，通過(guò)養(yǎng)殖微藻進(jìn)行CO2減排時(shí)最常用的養(yǎng)殖裝置是跑道池。這種開(kāi)放式的養(yǎng)殖裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性較好、成本低的優(yōu)勢(shì)；但由于混合程度低、光利用效率低且藻液直接與外界環(huán)境接觸，對(duì)微藻生物量積累、CO2固定效率以及微藻品質(zhì)都帶來(lái)了不利影響[28-29]。

為了解決上述問(wèn)題，研究者開(kāi)發(fā)了封閉式光反應(yīng)器用于微藻養(yǎng)殖。封閉的養(yǎng)殖系統(tǒng)隔絕了微藻與外界環(huán)境，避免微藻受到灰塵、細(xì)菌、原生動(dòng)物等的污染，大大提高了微藻產(chǎn)品的品質(zhì)。同時(shí)，封閉式光反應(yīng)器可以通過(guò)在傳質(zhì)傳熱、補(bǔ)光導(dǎo)光等方面進(jìn)行改進(jìn)，提高CO2利用效率和微藻生長(zhǎng)速率，從而改善微藻固定CO2的能力。更優(yōu)秀的養(yǎng)殖系統(tǒng)意味著要在效率、成本、占地、能耗等多個(gè)因素中取得更好的平衡。眾多研究者在微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)形式方面進(jìn)行探索，得到了微藻在封閉式反應(yīng)器中的固碳效率，結(jié)果如表1所示，而這方面的探索還遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。

表1 微藻在封閉式反應(yīng)器中的固碳效率[3]

2.3 養(yǎng)殖條件

2.3.1 光照光能是微藻光合作用生產(chǎn)有機(jī)物的能量來(lái)源，因此光照是微藻固碳的重要影響因素?？傮w上，微藻的生長(zhǎng)速率隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而提高[30]。當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)特定的光飽和點(diǎn)后，繼續(xù)提高光強(qiáng)則會(huì)引起生長(zhǎng)速率的下降，稱(chēng)為光抑制現(xiàn)象。這是由于過(guò)量光照產(chǎn)生的自由電子數(shù)量超過(guò)了碳固定反應(yīng)的需求，產(chǎn)生了大量活性氧，對(duì)細(xì)胞造成了氧化損傷[31-32]。除光照強(qiáng)度外，光周期(一天中光照/黑暗的時(shí)間比例)也是影響微藻生長(zhǎng)與生物質(zhì)積累的重要因素，通常每天12～18 h的光照能夠?qū)崿F(xiàn)良好的效果[33]。但具體的光照參數(shù)根據(jù)實(shí)際的藻種與光照條件而又有所不同。例如，Wahidin等[34]發(fā)現(xiàn)：對(duì)于微擬球藻，在光量子密度為100 μmol/(m2·s)的中等光照條件下，光周期為18 h/6 h時(shí)可獲得最好的效果；而在光量子密度為200 μmol/(m2·s)的高光強(qiáng)條件下，最佳的光周期改變?yōu)?2 h/12 h。太陽(yáng)光是光能最廉價(jià)的來(lái)源，大規(guī)模的微藻養(yǎng)殖目前也以利用自然光為主。但隨著人工照明技術(shù)的發(fā)展，研究者也開(kāi)發(fā)了用于微藻培養(yǎng)的人工光源，以提高微藻生長(zhǎng)與固碳的效率。Koc等對(duì)發(fā)光二極管(LED)、鹵素?zé)?、熒光燈與白熾燈等多種光源進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示采用了AlIn GaP技術(shù)的LED光源在促進(jìn)微藻生長(zhǎng)方面具有最好的效果與經(jīng)濟(jì)性[35]。光伏與人工光源技術(shù)相結(jié)合，有望提高微藻對(duì)能量的利用效率。

2.3.3 CO2濃度在傳統(tǒng)的微藻養(yǎng)殖模式下，CO2在水中的溶解是一個(gè)較慢的過(guò)程，過(guò)高或過(guò)低的CO2濃度都會(huì)對(duì)微藻吸收CO2的效率產(chǎn)生影響。CO2濃度過(guò)低會(huì)使細(xì)胞不能得到足夠的CO2；而CO2濃度過(guò)高一方面會(huì)由于溶解不完全而產(chǎn)生逸散，另一方面則會(huì)因?yàn)镃O2在水中的解離導(dǎo)致培養(yǎng)體系pH過(guò)低[38]。因此，需要控制合適的CO2濃度，使CO2的供給與微藻對(duì)無(wú)機(jī)碳的需求相匹配，并維持合適的環(huán)境條件[39]。Razzak等[40]使用混有體積分?jǐn)?shù)2%～12% CO2的空氣進(jìn)行小球藻的養(yǎng)殖，結(jié)果顯示CO2體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)微藻固碳效率最高，CO2吸收速率為0.2 g/(L·d)。在通入CO2體積分?jǐn)?shù)為10%的空氣培養(yǎng)時(shí)，斜生柵藻的比生長(zhǎng)速率為(0.887±0.012) d-1，比CO2體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)提高13.7%[41]。因此，在利用微藻進(jìn)行CO2減排時(shí)，需要結(jié)合煙氣種類(lèi)與CO2濃度、藻種特性以及養(yǎng)殖條件，確定合適的煙氣通入方式。

3 微藻生物質(zhì)的利用

在綠色經(jīng)濟(jì)的背景下，資源的循環(huán)利用已經(jīng)成為支撐人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要力量。將固定CO2獲得的微藻生物質(zhì)進(jìn)行高價(jià)值利用，就成為微藻固碳技術(shù)不可或缺的一環(huán)。微藻的生物特性具有多樣化的特征，這就為微藻在不同領(lǐng)域的廣泛利用提供了可能。

3.1 微藻生物質(zhì)的組成

與其他生物體一樣，微藻在生長(zhǎng)過(guò)程中能夠積累大量的蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂肪、核酸及其他生物活性物質(zhì)。不同的微藻具有不同的生物化學(xué)組成，而微藻養(yǎng)殖方式的不同也會(huì)對(duì)生物質(zhì)組成產(chǎn)生影響。表2為典型藻種的生物質(zhì)組成。從表2可

表2 不同微藻生物質(zhì)的化學(xué)組成(以干物質(zhì)計(jì))[42] w，%

以看出，為了適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，需要選擇具有不同生物質(zhì)組成特性的藻種，才能發(fā)揮出微藻生物質(zhì)的最大價(jià)值。

3.2 微藻生物能源

脂肪在微藻細(xì)胞中主要作為能量?jī)?chǔ)存物質(zhì)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組成成分。其中，甘油三酯是細(xì)胞主要的能量?jī)?chǔ)存形式，而由磷脂和糖脂構(gòu)成的生物膜則是微藻細(xì)胞賴(lài)以存在的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[43]。從微藻的總脂中獲取脂肪酸，再通過(guò)酯化反應(yīng)獲得脂肪酸酯，就能夠作為燃料加以利用。微藻細(xì)胞中的脂肪酸鏈長(zhǎng)度通常在C12～C18之間，獲得的脂肪酸酯性質(zhì)與柴油相近，因此也被稱(chēng)為微藻生物柴油[44]。微藻總脂中含有較高比例的不飽和脂肪酸，這些不飽和的碳鏈會(huì)對(duì)生物柴油的品質(zhì)產(chǎn)生影響，因此在生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行加氫處理，以改良油品品質(zhì)[45]。除生物柴油外，微藻生物質(zhì)還可以用于生產(chǎn)甲烷、合成氣、氫氣、乙醇、噴氣燃料等多種能源產(chǎn)品[46-47]。

微藻生物柴油生產(chǎn)的第一步是從收獲的微藻生物質(zhì)中提取油脂。傳統(tǒng)的油脂提取是利用相似相容原理，使用有機(jī)溶劑對(duì)干燥的微藻生物質(zhì)進(jìn)行萃取。極性溶劑(例如異丙醇、甲醇等)與非極性溶劑(例如己烷、氯仿等)都可以實(shí)現(xiàn)微藻油脂的提取，但兩類(lèi)溶劑混合使用通常能夠得到更高的提取率[48]。有機(jī)溶劑的使用通常會(huì)帶來(lái)環(huán)境與安全方面的風(fēng)險(xiǎn)，近年來(lái)研究者將超臨界流體萃取技術(shù)應(yīng)用于微藻油脂的提取，大大降低了溶劑的使用與泄漏帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。超臨界流體萃取技術(shù)具有較強(qiáng)的靈活性，且溶劑回收過(guò)程不需要專(zhuān)門(mén)提供能量，效率也較高。例如，使用超臨界CO2進(jìn)行微藻油脂的提取，總脂收率通常在60%以上，甚至可以高達(dá)98%～100%[49]。為了獲得更高的總脂收率，除了提取壓力、溫度、時(shí)間等常規(guī)提取參數(shù)外，還有一些因素也有改良的空間。微藻生物質(zhì)在提取前通常需要脫水，將原料水質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至20%以下能夠顯著提升提取效率[50]。通過(guò)超聲、球磨或微波等手段在提取前對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，破壞微藻細(xì)胞壁，能夠?qū)⑻崛÷侍岣?6%～20%[51]。由于CO2極性較低，在超臨界CO2提取過(guò)程中加入少量極性溶劑乙醇，能夠在不增加提取過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)的前提下將提取率提高20%～90%[52-53]。

獲得微藻總脂后，傳統(tǒng)的生物柴油生產(chǎn)方式是將甘油三酯轉(zhuǎn)化為游離脂肪酸，再用甲醇酯化獲得脂肪酸甲酯。這種分步式的生產(chǎn)方式工藝較為復(fù)雜，各級(jí)提取純化過(guò)程的成本也較高。研究者開(kāi)發(fā)出原位轉(zhuǎn)酯反應(yīng)工藝，將脂肪提取與酯交換一步進(jìn)行，使用甲醇同時(shí)作為提取溶劑和酯交換反應(yīng)原料，從而大大降低了工藝的復(fù)雜程度和成本[54]。Patil等[55]對(duì)小球藻藻油進(jìn)行了原位轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的硫酸作為催化劑，在60 ℃下反應(yīng)4 h，脂肪酸甲酯收率最高可達(dá)98%。將超聲處理與原位轉(zhuǎn)酯反應(yīng)相結(jié)合，可以使藻油生產(chǎn)生物柴油的得率達(dá)到98.9%[56]。

3.3 高蛋白微藻生物質(zhì)

蛋白質(zhì)是微藻的重要生化組成成分之一，在細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成、物質(zhì)與能量代謝、信號(hào)傳遞與營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存等方面都具有基礎(chǔ)性的作用。某些微藻的蛋白質(zhì)含量很高，例如蛋白核小球藻與螺旋藻等，生物質(zhì)中蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到40%～70%，高于常見(jiàn)的蛋白質(zhì)來(lái)源[45，57]。蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很大程度上取決于其氨基酸的組成，特別是其中必需氨基酸的含量。植物來(lái)源的蛋白質(zhì)通常缺少一種或幾種必需氨基酸，大大影響了其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。而微藻蛋白質(zhì)的氨基酸組成豐富，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也優(yōu)于多種常見(jiàn)的動(dòng)物蛋白來(lái)源(如畜肉、禽肉與奶制品等)[58]。根據(jù)世界衛(wèi)生組織/聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的推薦，以小球藻和螺旋藻為代表的微藻生物質(zhì)中必需氨基酸的含量非常均衡，能夠滿足人類(lèi)膳食所需[59]。因此不管是作為人類(lèi)食物還是作為水產(chǎn)畜禽飼料，高蛋白的微藻生物質(zhì)都具有非常好的應(yīng)用前景。

微藻作為飼料的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代。近年來(lái)，越來(lái)越多飼料中出現(xiàn)了微藻生物質(zhì)的身影，包括大型牲畜飼料、禽類(lèi)飼料與水產(chǎn)飼料等[60]。飼料中添加微藻，不僅能作為蛋白質(zhì)的來(lái)源替代飼料中傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)來(lái)源(例如豆粕、魚(yú)粉等)，還能夠改善動(dòng)物的生長(zhǎng)性狀，從而提高養(yǎng)殖業(yè)的收益。Holman等[61]在綿羊飼料中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的螺旋藻，試驗(yàn)動(dòng)物的平均體重出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。螺旋藻完全替代飼料中的魚(yú)粉不會(huì)降低鯉魚(yú)的生長(zhǎng)性能，且更有利于蛋白質(zhì)的沉積[62]。螺旋藻替代50%的魚(yú)粉能夠顯著提高西伯利亞鱘魚(yú)的增重率和飼料轉(zhuǎn)化率[63]。目前，我國(guó)已將裂壺藻、螺旋藻、擬微綠球藻與小球藻等列入了飼料原料目錄，允許在飼料中使用上述藻種作為原料，為微藻在飼料領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)范。

在微藻作為食品方面，數(shù)十年以來(lái)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。美國(guó)FDA已經(jīng)將小球藻、螺旋藻、杜氏藻、裂殖壺藻等多種微藻認(rèn)定為公認(rèn)安全的(GRAS)食品原料[64]。在螺旋藻最初的發(fā)現(xiàn)地非洲乍得湖，天然生長(zhǎng)的螺旋藻本身就是當(dāng)?shù)厝嗣駛鹘y(tǒng)的食物之一，食用螺旋藻已有數(shù)百年的歷史。隨著食品工業(yè)的發(fā)展，目前市場(chǎng)上也有多種添加了小球藻或螺旋藻成分的食品、飲料等出售，如面包、酸奶、冰激凌、餅干等，為追求營(yíng)養(yǎng)和健康的消費(fèi)者提供了新的選擇[65-66]。

3.4 高價(jià)值微藻代謝物

除了脂肪、蛋白質(zhì)與糖類(lèi)等大量營(yíng)養(yǎng)成分外，微藻還含有多種具有生物活性的代謝物，能夠在保健品、醫(yī)藥產(chǎn)品與美容產(chǎn)品中開(kāi)展應(yīng)用。微藻中含有多種人體不能合成的長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸(PUFA)，例如十八碳三烯酸(亞麻酸，ALA)、二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)等。這些PUFA在人體內(nèi)具有促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育、調(diào)節(jié)細(xì)胞功能、抗炎癥、調(diào)節(jié)血糖血脂等多種生物活性，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。EPA和DHA的傳統(tǒng)來(lái)源是深海魚(yú)油。事實(shí)上，海魚(yú)本身合成這些PUFA的能力較低，體內(nèi)的EPA和DHA主要來(lái)源于食物鏈捕食，因此這些PUFA的最終來(lái)源正是海洋食物鏈的原初生產(chǎn)者——微藻。部分微藻細(xì)胞內(nèi)含有高濃度的PUFA，例如微綠球藻和三角褐指藻總脂中EPA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)39%，而裂殖壺藻總脂中DHA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也可達(dá)到30%～40%[67]。通過(guò)微藻大規(guī)模培養(yǎng)與提取直接獲得PUFA，不但降低了成本，還能夠避免重金屬等污染物經(jīng)食物鏈在海魚(yú)體內(nèi)富集引起的安全風(fēng)險(xiǎn)，是非常理想的PUFA來(lái)源。

類(lèi)胡蘿卜素是一類(lèi)長(zhǎng)鏈的類(lèi)異戊二烯聚合形成的萜類(lèi)化合物。微藻作為光合生物，細(xì)胞內(nèi)含有多種類(lèi)胡蘿卜素作為吸收光能的色素，例如β-胡蘿卜素、葉黃素、蝦青素、巖藻黃素等。這些類(lèi)胡蘿卜素分子中具有共軛雙鍵，在人體內(nèi)能夠發(fā)揮視覺(jué)維持、抗氧化、抗炎癥等多種功能，是微藻源保健品開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。雨生紅球藻(Haematococcuspluvialis)在其生長(zhǎng)過(guò)程中的紅色細(xì)胞階段能大量積累蝦青素，質(zhì)量可達(dá)藻體干基質(zhì)量的2%～5%，是理想的天然蝦青素來(lái)源[68]。金色奧杜藻生物質(zhì)中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)約2%的全反式巖藻黃素，具有很強(qiáng)的抗氧化功能[69]。

藻藍(lán)蛋白是藍(lán)藻中廣泛存在的捕光色素蛋白，由脫輔基蛋白和作為輔基的開(kāi)鏈線性四吡咯(藻膽色素)以硫醚鍵共價(jià)結(jié)合而成。藻藍(lán)蛋白是天然的水溶性色素蛋白，作為一種食品色素添加劑被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中[70]。藻藍(lán)蛋白還是功能強(qiáng)大的廣譜抗氧化劑，能夠清除體內(nèi)的自由基，具有抑制癌細(xì)胞、抗氧化、促進(jìn)細(xì)胞再生、提高機(jī)體免疫力等功能，在化妝品與醫(yī)藥保健等行業(yè)具有應(yīng)用前景[71]。螺旋藻是目前生產(chǎn)藻藍(lán)蛋白的主要原料。盡管藻藍(lán)蛋白的市場(chǎng)需求很大，但受提取純化技術(shù)所限，目前產(chǎn)量還不能滿足需求，成本也較高。研究者正在通過(guò)開(kāi)發(fā)新的提取純化技術(shù)提升藻藍(lán)蛋白的生產(chǎn)能力，并降低成本，擴(kuò)大藻藍(lán)蛋白的市場(chǎng)規(guī)模[72]。

4 微藻固碳的經(jīng)濟(jì)性

微藻的人工養(yǎng)殖現(xiàn)在仍然是一個(gè)規(guī)模較小的產(chǎn)業(yè)，全球每年養(yǎng)殖的微藻總量?jī)H為20～30 kt，且大部分微藻生物質(zhì)用于食品與保健品等領(lǐng)域，生產(chǎn)成本與價(jià)格均較高[73]。例如，使用封閉式反應(yīng)器生產(chǎn)的微藻，成本通常在1萬(wàn)美元/t以上，僅有保健品、醫(yī)藥產(chǎn)品、美容產(chǎn)品等少數(shù)應(yīng)用途徑能夠接受如此高的成本。使用開(kāi)放式養(yǎng)殖裝置并結(jié)合CO2廢氣與含氮磷廢水的應(yīng)用，能夠?qū)⑽⒃宓纳a(chǎn)成本降低到0.2～0.3萬(wàn)美元/t，具有在飼料等大宗蛋白領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商品化的潛力[74-75]。利用微藻固定CO2的成本受到原材料、能耗、土地占用等多個(gè)因素的影響，目前仍然處在較高的水平。微藻在飼料與環(huán)保產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用也受限于較小的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品產(chǎn)量[76]。為了提高微藻固碳的經(jīng)濟(jì)效益，勢(shì)必要通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)與大規(guī)模養(yǎng)殖的實(shí)踐來(lái)降低微藻養(yǎng)殖的成本，并做大微藻生物經(jīng)濟(jì)的規(guī)模。目前全球微藻產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)總價(jià)值在5 000萬(wàn)美元左右，到2025年預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)至7 000萬(wàn)美元[7]。隨著碳稅、碳匯與碳交易制度的實(shí)施，CO2的排放成本將會(huì)越來(lái)越高，而CO2的吸收利用勢(shì)必成為一項(xiàng)有利可圖的工作。如果將微藻養(yǎng)殖與CO2減排相結(jié)合，則能夠在很大程度上減少微藻養(yǎng)殖的原料成本；而大規(guī)模的微藻養(yǎng)殖也會(huì)使人工成本、管理成本等得到最大程度的降低，從而使微藻產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，并開(kāi)辟更多新的應(yīng)用途徑，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)規(guī)模與應(yīng)用領(lǐng)域的正反饋，使碳元素循環(huán)利用的新經(jīng)濟(jì)模式成為可能。

5 最新研究進(jìn)展

微藻固碳作為生物技術(shù)、新能源與綠色環(huán)保等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的交叉點(diǎn)，用自然的手段解決自然的問(wèn)題，能夠在循環(huán)經(jīng)濟(jì)的邏輯上實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院(簡(jiǎn)稱(chēng)石科院)在微藻環(huán)保減排領(lǐng)域開(kāi)展了十余年的工作。石科院微藻生物技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)將“CO2/NOx吸收固定技術(shù)”、“微藻養(yǎng)殖技術(shù)”與“微藻生物質(zhì)利用技術(shù)”集成，在煙氣吸收、藻種篩選、新型光反應(yīng)器開(kāi)發(fā)、養(yǎng)殖技術(shù)開(kāi)發(fā)與微藻產(chǎn)品加工利用方面進(jìn)行了大量創(chuàng)新，建立了微藻用于碳氮減排和高蛋白生物質(zhì)生產(chǎn)的新技術(shù)。這一技術(shù)利用微藻將石化行業(yè)排放的CO2和NOx進(jìn)行固定和轉(zhuǎn)化，將污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r(jià)值的微藻生物質(zhì)，為成功構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系奠定了基礎(chǔ)。目前已經(jīng)在中國(guó)石化催化劑長(zhǎng)嶺分公司、中國(guó)石化湖北化肥分公司與中國(guó)石化石家莊煉化分公司(簡(jiǎn)稱(chēng)石家莊煉化)等地開(kāi)展工業(yè)放大試驗(yàn)，在治理碳氮排放的同時(shí)生產(chǎn)微藻生物活餌料、微藻水質(zhì)改良劑、魚(yú)蝦及畜禽飼料原料、高品質(zhì)飼料添加劑等高附加值產(chǎn)品，取得了良好效果。圖1為石家莊煉化微藻減排煉油廠CO2示范裝置的照片，圖2為其微藻養(yǎng)殖池的照片。

圖1 石家莊煉化微藻減排煉油廠CO2示范裝置照片

圖2 微藻養(yǎng)殖池照片

6 總結(jié)與展望

微藻生物技術(shù)被認(rèn)為是能夠解決人類(lèi)社會(huì)發(fā)展所面臨諸多問(wèn)題的有效手段之一。過(guò)去數(shù)十年來(lái)，微藻的商業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用也為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)帶來(lái)了曙光，但展現(xiàn)在研究者和產(chǎn)業(yè)界面前的路還很長(zhǎng)，發(fā)展進(jìn)程中也需要繼續(xù)解決技術(shù)、資金、政策監(jiān)管與發(fā)展方式等諸多問(wèn)題。展望未來(lái)，微藻生物技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍需要堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，堅(jiān)持綠色可持續(xù)的發(fā)展概念，兼顧碳氮減排社會(huì)價(jià)值與微藻產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值體系的實(shí)現(xiàn)，為社會(huì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段保駕護(hù)航。