首页 > 分享 > 碳中和背景下微藻生物固碳技术探究论文

碳中和背景下微藻生物固碳技术探究论文

花匠小妙招
2024-11-12 12:32

　　固碳技术是一种可持续发展的碳减排方法，可提升碳减排能力，实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标。文章通过文献分析、对比分析法，分析了微藻生物藻种选育及其培养技术，探究了微藻生物收获方法与衍生应用。结果表明，通过“环境筛选+基因工程”的方法，可以获取固碳能力更强、生存能力更优的微藻生物；同时，在光生物反应器条件下，合理控制光照、温度、pH值、CO2浓度、气体传质、营养物质等各项指标，可有效提升微藻生物发育与繁殖能力，进一步提高微藻固碳效应。在推广应用微藻生物固碳技术时，需要考虑高效固碳微藻品种选育、微藻生长环境因子调控技术，以提升微藻生物固碳技术的综合效益。

　　关键词：碳中和；微藻；生物固碳；光生物反应器

　　碳中和是指国家、单位、个人通过植树造林、节能减排等方式，抵消自身产生的CO2等温室气体，降低全球温室效应的一种行为[1]。碳中和主要有减排、增汇两种途径。其中，减排即控制污染物、温室气体的排放。生物固定CO2技术，尤其是微藻光合固碳技术，是最原始、有效的固碳方式之一。微藻种类繁杂，现存藻类有30万余种。然而，目前实现商业化生产的微藻种类并不多，主要有小球藻、节旋藻、螺旋藻等。研究表明，微藻生长迅速，其固碳效率是陆生植物的10~50倍，且具有可持续发展的特性，是调节全球碳循环的重要技术方法。因此，本文通过分析微藻生物藻种选择方法及培养技术，探究了微藻生物的收获方法与衍生应用，以期为微藻固碳技术开发和规模化推广提供理论基础。

　　1微藻生物选择选育

　　1.1环境筛选选择

　　微藻生物选择选育是微藻固碳技术的关键环节，通常需要考虑微藻的用途、环境适应力等因素。

　　国内外微藻生物固碳效率的相关研究发现，有四类微藻生物具有较高的固碳速率，且能保持自身良好的生长状况。这四类藻包括绿藻纲、蓝绿藻纲、硅藻纲和金藻纲。绿藻纲以单细胞或群落的形式广泛存在于水域中，目前主要研究的是淡水绿藻；蓝绿藻纲在构成方面与细菌相近，在空气中固定CO2方面具有较高的固碳效率；硅藻纲主要存在于海洋环境，能够通过多种方式固定水和空气中的碳元素；金藻纲在颜色、生物结构，以及理化性质等方面与硅藻相似，以脂质、碳水化合物等形式固定碳元素[2]。

　　1.2基因工程选育

　　除了微藻生物的选择和驯化外，利用基因工程技术对已完成筛选的微藻进行基因改造，可以有效提升其固碳效果。目前，针对微藻生物固碳效果的基因工程技术主要涉及基因结构改造和性状表达等方面。例如，在鱼腥藻中，通过改造编码果糖的丙糖磷酸酯异构酶基因，可使转基因处理后的细胞活性相比原有细胞更强。此外，转基因处理后的鱼腥藻细胞在吸收和转化CO2方面表现出了更强的效应。

　　2微藻生物培养技术

　　2.1光生物反应器

　　与传统培养基相比，光生物反应器可以有效提升光能利用效率，强化微藻生物的固碳效果。对于陆生植物，传统培养基光能利用效率仅为0.2%，而光生物反应器的最大光能利用效率可达18%。同时，根据微藻生物的生长繁育需求，光生物反应器可进行全天候的光能控制，极大提升了微藻生物的细胞密度，提高了单位面积下CO2的固定效率。例如，通过小型光生物反应器，可研究微藻生物的生理学特性，并进行批量化的微藻生物培育；通过中型光生生产具有高附加值的衍生产品。光生物反应器可被细化为两类，分别为可以随时补充微藻生物培养原材料的开放式反应器，以及可以提供稳定微藻生物发育条件、实现高密度培养的封闭式反应器。开放式反应器可以有效提升微藻生物的发育速度，提高CO2的固定效果；而封闭式反应器可以实现微藻生物的产业化发展，降低微藻生物固碳技术的投资成本。

　　2.2微藻生物培养指标

　　2.2.1光照

　　通常情况下，光照强度越高，微藻生物的发育度越快，但在光照强度达到阈值时，则会发生光饱和现象，使微藻生物发育速度不会进一步提升。如果向微藻生物提供持续的光照条件，微藻生物固碳效果将超过99%。部分微藻生物如果接受过长的光周期，其生长量便会呈现下降趋势。例如，海洋四爿藻，在6~18 h的光周期条件下，其细胞密度、蛋白质含量等可以保持较高水平；而如果低于6 h的光照供应，或是高于18 h的光照供应，四爿藻的细胞密度、蛋白质含量则会受到抑制[3]。

　　2.2.2温度

　　在微藻生物发育过程中，需要保障培养基温度控制在15~30℃之间。如果温度小于15℃,微藻生物的生长速度会减缓；而如果温度大于35℃,微藻生物不仅生长放缓，温度过高甚至还会导致死亡。

　　此外，部分具有耐高温特性的微藻生物，温度变化并不会对其生长造成过大负面影响。例如，在10%的进气CO2浓度条件下，当培养基温度控制在25~35℃之间时，小球藻能够维持正常的生长速度；而当温度上升至40℃时，小球藻的生长速率虽会放缓，但是下降并不明显[4]。尽管不同微藻生物对于温度的承受能力有所差异，但绝大多数微藻生物在较低的培养温度下会生成更多的不饱和脂肪酸，从而降低发育质量，减缓生物量积累速度，进而影响最终的固碳效果。

　　2.2.3 pH值

　　培养基pH值会对微藻生物细胞的代谢酶活性造成影响，使其离子吸收效率产生一定改变，进而对微藻生物的生理活动、代谢水平造成间接影响。例如，设置25℃培养基，提供10%的进气CO2浓度，在pH为3.5时，小球藻的生长速度会放缓；而将pH物反应器，可培养经过基因工程处理的微藻生物，并提升至4.0~7.0时，小球藻可以保持正常的生长速度。如果设置30℃培养基，提供5%的进气CO2浓度，在pH为5.4时，聚球藻生长速度偏差；而将pH提升至6.8时，聚球藻会达到最大比生长速率。又如，具有嗜

　　酸性的衣藻，即便是培养液主要碳源为，培养基pH为9.0时，其依旧可以正常发育，并将转化成CO2进行使用。

　　2.2.4 CO2浓度

　　不同类型的微藻生物具有不同的CO2浓度耐速受性。例如，对于蓝藻而言，在培养基CO2浓度处于4%~13%范围时，蓝藻可以维持正常的生长状态；而当CO2浓度达到18%时，蓝藻的发育进入停滞状态。在进气CO2浓度为8%时，蓝藻的生长速率为1.44 g/d；在进气CO2浓度为25%时，生长速率为1.28 g/d；而当进气CO2浓度超过25%时，蓝藻的发育将受到抑制。以斜生栅藻为例，在10%体积分数CO2条件下，其具有最快的发育速度，细胞浓度可达1.84 g/L；而如果将CO2体积分数调整为30%~50%，斜生栅藻的发育速度便会放缓，且其不饱和脂肪酸积累速度会大幅度提升[5]。

　　2.2.5营养物质

　　在培养微藻生物过程中，需要做好各类营养物质的调节工作。例如，具有耐高浓度CO2特定的绿藻，可以调节培养基中CO2与N2的比例，对绿藻的光呼吸行为进行抑制，引导绿藻提高β-氧化脂肪酸合成量。如果培养基拥有充足的硝酸盐，向微藻生物提供5%~50%体积分数CO2，微藻生物的脂肪酸含量便可以保持相对稳定；而如果硝酸盐供应量不足，CO2浓度偏低，脂肪酸含量则会出现大幅度上升现象。

　　3微藻生物收获与衍生应用

　　3.1微藻生物收获

　　因微藻生物体积在1~70μm之间，所以导致微藻生物收获难度偏大。现阶段，微藻生物收获主要有以下几类，第一，离心。该方法可以收获95%的微藻生物，适用于中小型微藻生物培养单位。但离心技术需要前期投入较高的技术成本，操作成本相对较高，无法满足大规模的微藻生物培养与收获需求。第二，过滤。过滤技术仅适用于收获体积相对较大的微藻生物，或是微藻生物自身能够形成较大群落的情况，体积偏小的微藻生物不适合应用过滤技术。第三，真菌介导。该技术将拥有聚集成球性质的丝状真菌孢子投放到微藻生物培养环境中，伴随微藻生物不断生长发育，可以获得直径在3~5 mm之间的真菌-微藻共生球体，且仅需要简单的过滤处理，即可达到收获效率超过98%的目标，是突破微藻生物收获世界性难题的关键技术。

　　4结语

　　目前，微藻固碳技术已在我国许多地区进行了产业化推广应用。本文通过文献分析、对比分析法，分析了微藻生物藻种选育及其培养技术，探究了微藻生物的收获方法与衍生应用。结果表明，通过“环境筛选+基因工程”的方法，可以获取固碳能力更强、生存能力更优的微藻生物；同时，在光生物反应器的条件下，合理控制光照、温度、pH值、CO2浓度、气体传质和营养物质等各项指标，可以有效提升微藻生物发育与繁殖能力，进一步提高微藻固碳效应。在推广应用微藻生物固碳技术时，需要考虑高效固碳微藻品种选育、微藻生长环境因子调控技术，以提升微藻生物固碳技术的综合效益，为增强碳减排能力，实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标提供理论支撑。

　　参考文献

　　［1］魏延丽,王金虎,李静,等.碳中和背景下微藻生物固碳技术的研究进展［J］.环境生态学,2023,5(5):42-48.

　　［2］倪妍,黄子玥,文婕妤.微藻生物固碳技术研究概述［J］.生物学教学,2023,48(12):2-5.

　　［3］张亚雷,郝泽伟,由晓刚,等.微藻固碳耦合工业废水处理技术研究进展［J］.能源环境保护,2023,37(1):50-57.

　　［4］刘明.以PTA废水为介质的微藻固碳研究［J］.现代化工,2022,42(12):221-228,234.

　　［5］张家源,张红兵,李海宁,等.基于廉价碳源的微藻培养条件探究及优化［J］.农业与技术,2023,43(9):60-64.