藻類(lèi)生物質(zhì)能源研究技術(shù)

當前化石燃料環(huán)境污染、氣候變化問(wèn)題及儲量無(wú)法滿(mǎn)足全球不斷增長(cháng)的需求，生物質(zhì)能源的發(fā)展倍受關(guān)注，為了減少土地、水資源的利用消耗以及有害農藥的過(guò)度使用，藻類(lèi)生物質(zhì)能源作為第三代生物燃料成為可再生能源研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

案例一 提高廢水處理和微藻生物燃料生產(chǎn)效率

基于微藻的廢水處理系統是應對氣候變化和廢水處理中的關(guān)鍵挑戰的有前途的工藝之一。廢水中微藻的生長(cháng)為可再生能源創(chuàng )造了原料，廢水培養基為微藻的生長(cháng)提供必需的養分，而處理后的水可以再循環(huán)使用，以降低微藻培養的成本，因此，值得研究廢水系統中微藻生長(cháng)的因素和最佳條件。

重慶大學(xué)研究人員選取柵藻屬quadricauda為目標藻種，在不同湍流強度和農業(yè)植物激素條件下研究其生物量積累、光合特性、養分去除效率和循環(huán)特性。結果表明，中等湍流強度和混合植物激素為滿(mǎn)足養分去除和回收性能提供了最佳操作條件，與靜止組相比，生物量濃度和脂質(zhì)產(chǎn)量分別增加了24.78%和70.00%，氨氮和磷酸鹽處理的最高去除率分別為 77.49% 和 65.17%（Huang，2022）。

該研究采用易科泰公司提供的AquaPen手持式葉綠素熒光儀測量PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm，來(lái)評估微藻細胞光系統II活性，結果見(jiàn)下表，表中列出了葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量和潛在最大光合效率，可以看出M+GIB條件下葉綠素含量達到最高值8.84±0.22 mg/L，湍流組的Fv/Fm值是對照組的1.12倍，揭示出湍流對藻類(lèi)光系統II和Fv/Fm的正向作用。

案例二 可持續生物烷烴氣體生產(chǎn)和可再生能源的低碳戰略

鑒于當前和今后嚴峻的能源危機和碳排放因素，Mohamed Amer和清華大學(xué)陳國強等人（Amer，2020）利用FMT150作為培養和反應容器，對工業(yè)藻株大腸桿菌（E. coli）、嗜鹽單胞菌（Halomonas）、集胞藻（Synechocystis）所產(chǎn)生的丙烷和丁烷氣進(jìn)行研究，并構思出適用于發(fā)達和發(fā)展中國家可持續生物烷烴氣體生產(chǎn)和可再生能源的實(shí)驗設計圖以及量產(chǎn)流程圖。

案例三 城市污水、污水污泥和農業(yè)廢棄物厭氧消化物的微藻培養

為了降低藻類(lèi)工業(yè)化培養如二氧化碳、氮和磷等營(yíng)養物質(zhì)成本，Zuliani等研究人員（2016）使用來(lái)自城市廢水、污水污泥和農廢處理廠(chǎng)的三種不同厭氧消化物作為營(yíng)養源培養不同微藻藻株，結果發(fā)現后兩者條件下的小球藻培養物中每體積的脂質(zhì)產(chǎn)量增加了300%以上，該研究相關(guān)結果證明了使用不同厭氧消化物改善生物量或脂質(zhì)生產(chǎn)的可能性，。

該研究利用MC 1000進(jìn)行8通道藻類(lèi)恒溫培養和測量，每個(gè)試管都由一個(gè)獨立的LED燈列提供照明，可分別獨立設置光強及時(shí)間，實(shí)驗光強統一設置為400 µmol·m⁻²·s⁻¹，此外為了防止細胞聚集還配備了氣泡混勻模塊，每5分鐘測量一次光密度Abs680（與葉綠素含量成比例），Abs720（表征細胞數），680/720（表征每個(gè)細胞中葉綠素含量的變化）。利用FluorCAM葉綠素熒光成像測量Fv/Fm參數，評估藻類(lèi)隨時(shí)間積累后的脅迫增加，高光條件下該值在0.5到0.59之間變化，例外是在dC5HS中生長(cháng)的Scenddesmus I藻株，其Fv/Fm高達0.69。以上結果表明，不同生長(cháng)介質(zhì)中的生長(cháng)并未顯著(zhù)改變 PSII 的量子效率。

案例四 生成隨機突變體以提高藻類(lèi)光利用效率進(jìn)而生產(chǎn)更多生物燃料

藻類(lèi)培養的生產(chǎn)力取決于將陽(yáng)光轉化為生物量和脂質(zhì)的效率，自然環(huán)境中的野生藻類(lèi)朝著(zhù)競爭光能將單個(gè)細胞的生長(cháng)的方向進(jìn)化，而在光養生物反應器中提高整體生產(chǎn)力才是主要目標，研究人員用甲磺酸乙酯 (EMS) 處理Nannochloropsis gaditana，誘導隨機基因組突變，以產(chǎn)生細胞色素含量降低的藻類(lèi)，結果表明有助于在實(shí)驗室規模培養條件下提高該藻類(lèi)的生物燃料生產(chǎn)率（Perin，2015）。

該研究用SL3500光源為藻類(lèi)提供培養光照，利用FluorCam葉綠素熒光成像篩選突變藻，并充分運用F0/Area，Fv/Fm，NPQ等參數進(jìn)行分析。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供藻類(lèi)生物質(zhì)能源研究技術(shù)全面解決方案

1.藻類(lèi)葉綠素熒光與光合作用測量：包括FL6000雙調制葉綠素熒光儀、AquaPen手持式藻類(lèi)熒光測量?jì)x、AOM藻類(lèi)葉綠素熒光在線(xiàn)監測等，可選配氧氣傳感器用于藻類(lèi)光合作用測量

2.藻類(lèi)葉綠素熒光成像分析：包括FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統、FluorCam熒光成像系統等

3.藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測：包括AlgaeTron藻類(lèi)培養箱、FMT150藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測、MC1000 8通道藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測、定制型光養生物反應器、SL3500光源等。

4.AlgaTech高通量藻類(lèi)表型分析平臺，可自動(dòng)運行藻類(lèi)葉綠素熒光成像分析、高光譜成像分析等。

參考文獻

1.Saad, M. G., Dosoky, N. S., Zoromba, M. S. & Shafik, H. M. Algal Biofuels: Current Status and Key Challenges. Energies 12, 1920 (2019).

2.Huang, H., Zhong, S., Wen, S., Luo, C. & Long, T. Improving the efficiency of wastewater treatment and microalgae production for biofuels. Resources, Conservation and Recycling 178, 106094 (2022).

3.Amer M, et al. 2020. Low Carbon Strategies for Sustainable Bio-alkane Gas Production and Renewable Energy. Energy & Environmental Science 13(6): 1818-1831.

4.Zuliani, L. et al. Microalgae C*tion on Anaerobic Digestate of Municipal Wastewater, Sewage Sludge and Agro-Waste. IJMS 17, 1692 (2016).

5.Perin, G. et al. Generation of random mutants to improve light-use efficiency of Nannochloropsis gaditana cultures for biofuel production. Biotechnol Biofuels 8, 161 (2015).