“微藻生物固碳”研究?jì)x器推薦

      2030年前實(shí)現碳達峰、2060年前實(shí)現碳中和是黨中央深思熟慮后做出的戰略決策，既是對國際社會(huì )的莊嚴承諾，也是國內經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的內在要求（求是網(wǎng)，2022）。二氧化碳的捕集、利用和封存（CCUS）是化石能源未來(lái)大規模減排的核心技術(shù)或者是關(guān)鍵技術(shù)，是中國實(shí)現碳中和的關(guān)鍵核心技術(shù)（中國網(wǎng)，2021）。

      用于CO2減排的方法主要包括物理封存法、化學(xué)固定法和生物固定轉化法。但前兩者存在環(huán)境要求苛刻、成本高、不可持續性等缺點(diǎn)。生物固定CO2技術(shù)，尤其是微藻固定CO2技術(shù)，是主要和有效的固碳方式之一，也是一種經(jīng)濟可行、環(huán)境友好和可持續性發(fā)展的CO2固定技術(shù)。

      作為一種高效固定CO2的微小細胞工廠(chǎng)，微藻具備生長(cháng)周期短、光合效率高等特點(diǎn)，其CO2固定效率為一般陸生植物的10~50倍；同時(shí)微藻生長(cháng)速度快，環(huán)境適應性強，不占用可耕地。此外，微藻能利用發(fā)電廠(chǎng)煙道廢氣和其他工業(yè)尾氣為無(wú)機碳源，并利用市政廢水和工農業(yè)生產(chǎn)廢水為營(yíng)養源進(jìn)行低成本培養微藻，同時(shí)生產(chǎn)出具有高附加值的微藻產(chǎn)品及生物燃料?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，微藻應用于各領(lǐng)域CO2的減排研究己廣泛展開(kāi)，如空氣凈化、發(fā)電廠(chǎng)等工業(yè)煙道廢氣及汽車(chē)尾氣中的CO2凈化脫除等（周文廣和阮榕生，2014）。

      北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司長(cháng)期致力于先進(jìn)的光生物反應器和藻類(lèi)光合生理無(wú)損檢測技術(shù)的引進(jìn)、推廣和集成，特此將“微藻生物固碳"研究相關(guān)的儀器設備進(jìn)行整理歸納，方便研究人員參考查閱。

1. AquaPen手持式藻類(lèi)熒光測量?jì)x

      AquaPen是一款藻類(lèi)研究者的小型設備。它既具備PAM葉綠素熒光測量功能，又具備快速熒光誘導曲線(xiàn)測量和分析（JIP-test）功能，所有常用葉綠素熒光參數一鍵即得。比色杯式的AquaPen具備OD680和OD720測量功能，可對微藻的葉綠素含量及濃度進(jìn)行快速評估。探頭式的AquaPen則可進(jìn)入到培養液中進(jìn)行測量。

      獲得能耐受高濃度CO2并可高效固定CO2的微藻藻株是微藻固定減排CO2技術(shù)能否 實(shí)現工業(yè)化應用的關(guān)鍵。AquaPen能夠用來(lái)快速評估固碳候選藻種在高濃度CO2下的光合活力和光能轉化效率。

      在亞北極海域和動(dòng)物共生的微藻因其寄主的呼吸作用和更長(cháng)的黑暗季節，所以理論上對高濃度CO2具有天然的適應性?；诖思僭O，莫斯科國立大學(xué)的研究人員成功從生活在白海深海海底的水螅Dynamena pumila中分離出一種新型共生綠藻，將其培養在高濃度CO2（體積分數20%）的環(huán)境中，發(fā)現共生綠藻的生長(cháng)速度比大氣培養條件（0.04%CO2）下增長(cháng)了兩倍，并且能夠維持碳氮同化的平衡。高濃度CO2培養并不會(huì )影響共生綠藻光合機構的超微結構和功能，相反會(huì )使其飽和光強、量子效率、光合放氧速率和CO2固定率均有所升高，由此證明了該共生綠藻天然適應于高濃度CO2環(huán)境，并表現出出色的生理可塑性。該研究證明了高CO2耐受性的共生微藻是CO2生物減排的有力候選藻種（Solovchenko et al., 2015）。

      為評估共生綠藻的光合機構在不同CO2濃度中的狀態(tài)，使用AquaPen測定了不同光照培養條件下的PSII最大量子產(chǎn)額Fv/Fm。發(fā)現所有組別的樣品均未低于0.6，而飽和光（250μmol/m2*s）、低CO2濃度（0.04%）培養下的共生綠藻的Fv/Fm大幅降低，相反高CO2濃度培養的共生綠藻在不同光照條件下均保持較高的最大量子產(chǎn)額，表現出優(yōu)異的光強適應性和可塑性。

2. AP-kit藻類(lèi)光合生理檢測盒

      AP-kit藻類(lèi)光合生理檢測盒是量身定制的藻類(lèi)光合作用測量方案，幫助藻類(lèi)科研工作者輕松、完整地獲取藻類(lèi)光合生理數據。具有小巧便攜、易操作、高性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)。檢測盒由呼吸瓶式氧氣測量?jì)x、手持式藻類(lèi)葉綠素熒光儀組成，具備測量光合（放氧）速率、葉綠素熒光參數的功能。檢測盒既能夠測定微藻的光化學(xué)轉化效率，評估光合機構的功能狀態(tài)，也能夠測定光合呼吸速率，評估微藻的CO2同化能力。

      顆石藻是海洋中最重要的鈣化生物類(lèi)群之一，也是主要的初級生產(chǎn)者，同時(shí)進(jìn)行光合與鈣化兩種固碳作用（兩者分別是碳匯和碳源過(guò)程），因此在海洋碳循環(huán)中起到重要作用（許凱，2012）。顆石藻表面往往覆蓋一層又一層的顆石粒（Coccolith），形成殼狀結構的顆石球(Coccosphere)。英國海洋生物協(xié)會(huì )和美國北卡萊羅納大學(xué)威明頓分校聯(lián)合研究發(fā)現：不同種的顆石藻對鈣化作用的需求不同，破壞鈣化作用會(huì )導致某些種的顆石藻無(wú)法維持完整的顆石球，產(chǎn)生細胞周期阻滯現象和重大的生長(cháng)缺陷(Walker et al., 2018)。

      研究人員使用低濃度Ca2+中斷顆石藻的鈣化作用，借助AP-kit藻類(lèi)光合生理檢測盒測定其Fv/Fm最大光化學(xué)效率和凈光合速率，發(fā)現兩個(gè)參數均未發(fā)生顯著(zhù)變化，表明顆石藻的光合活性未受到抑制，因而在一定程度上證明了顆石藻的光合作用和鈣化作用相對獨立。論文發(fā)表于2018年《New Phytologist》雜志。

3. MC1000 8通道藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統

      MC1000 8通道藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統由8個(gè)100ml藻類(lèi)培養試管、水浴控溫系統、LED光源控制系統及光密度和溶解氧（選配）在線(xiàn)監測系統等組成，可用于藻類(lèi)培養與控制實(shí)驗、梯度對比實(shí)驗。MC1000能夠為微藻生物固碳研究提供精確可控的培養環(huán)境（光、溫度、氣體），并能夠基于比色法在線(xiàn)評估微藻生物量濃度。

      今年美-巴能源高級研究中心(USPCAS-E)的研究人員報道了兩種新型微藻：它們能夠在高濃度CO2（體積分數4%）培養環(huán)境中提升生物量產(chǎn)量，保持高生長(cháng)速率和高固碳率，因而具備CO2生物固定的潛力。研究人員對比了MC1000 8通道藻類(lèi)培養監測系統和實(shí)驗室常規反應器對微藻的培養效率和功能表現。發(fā)現在相同CO2濃度下，使用MC1000培養的兩種新型微藻的生物量濃度、比生長(cháng)速率和CO2固定率均顯著(zhù)高于實(shí)驗室常規反應器(Khan et al., 2022)。

      MC1000多通道藻類(lèi)培養監測系統優(yōu)秀的表現和更高的效率得益于其*的設計和多樣的功能，能夠提供精確的水浴控溫和均質(zhì)光照，且內置OD測量功能。實(shí)測結果表明生物量濃度—OD680擬合相關(guān)系數高，因此無(wú)需取樣即可定期監測微藻生物量濃度變化，用以計算生長(cháng)速率。

4. FMT150藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統

      FMT150藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統是國際將藻類(lèi)光生物反應器技術(shù)與藻類(lèi)生理監測技術(shù)（葉綠素熒光技術(shù)、光密度測量）結合起來(lái)的系統，集成了目前幾乎所有主要的藻類(lèi)在線(xiàn)培養與生理監測技術(shù)。它能夠為微藻固碳研究提供精確可控的培養環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養），能夠在線(xiàn)評估微藻生物量濃度、光合生理狀態(tài)及監測培養液溶解CO2濃度。

      印度科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì )中央采礦研究所（CSIR-CIMFR）的研究人員從采礦區的水塘中分離和鑒定出數種淡水藻類(lèi)，并基于高生長(cháng)速率和光合速率、對其他痕量組分氣體的高耐受性、高溫度耐受性、生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品的潛力等多個(gè)指標，對適用于工業(yè)廢氣（包括熱電廠(chǎng)和天然氣處理廠(chǎng)尾氣）CO2固定的藻種進(jìn)行了篩選。本研究中400mL的FMT150和 25L的ET-PSI光生物反應器被用來(lái)進(jìn)行淡水藻的培養、在線(xiàn)監測和CO2的固定。研究結果表明絲狀藍藻Oscillatoria是工業(yè)廢氣生物固碳的理想藻種，其CO2捕獲能力較高的時(shí)期出現在16-32h，即遲緩期后期和對數期，并在pH為7-9，溫度25-30℃的培養條件下能夠獲得較高的CO2捕獲效率和生物量產(chǎn)量(Anguselvi et al., 2019)。

5. ET-PSI多功能藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統

      ET-PSI多功能藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統由大型平板式培養器（標配25L，可選配100L或定制其它容積大?。?、控制系統及在線(xiàn)監測系統組成，集光養生物反應器技術(shù)、葉綠素熒光監測技術(shù)、水體／藻類(lèi)光合呼吸監測技術(shù)、營(yíng)養鹽在線(xiàn)監測技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)于一體。

      在微藻固碳研究中，同FMT150的功能一致，ET-PSI能夠提供精確可控的培養環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養），在線(xiàn)評估微藻生物量濃度，光合生理狀態(tài)及監測培養液溶解CO2濃度。同時(shí)較大的容積利于優(yōu)質(zhì)固碳微藻(尤其是基因工程微藻)的藻種培養，以及大規模固定煙氣CO2用以生產(chǎn)微藻及高附加值微藻產(chǎn)品。

      例如華盛頓大學(xué)Advanced Coal & Energy Research Facility安裝了5套100L ET-PSI多功能藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統，以利用藍藻和真核藻類(lèi)的光合作用捕獲和消耗廢氣中的CO2進(jìn)行生物量生產(chǎn)。整套設備既能夠使用存儲的廢氣獨立工作，也能夠和燃燒裝置相連進(jìn)行系統的研究及整合優(yōu)化(CCCU, 2016)。

6. FluorCam葉綠素熒光成像系統

      FluorCam葉綠素熒光成像系統在二十世紀末由捷克PSI廠(chǎng)家研制成功，是一臺商業(yè)化的葉綠素熒光成像系統。自面世后，FluorCam廣泛應用于植物葉片及果實(shí)等其它植物組織、整株植物或培養的多株植物、苔蘚地衣等低等植物，實(shí)現了綠色組織光合時(shí)空異質(zhì)性的快速靈敏檢測。對于微藻，FluorCam則提供了高通量光合活性檢測的有效手段，既可用于高通量篩選光合突變體，用于光合基因表達調控的研究；也可用于高通量篩選高光化學(xué)效率、低熱耗散的高效固碳藻種。

      Perin等人采用FluorCam葉綠素熒光成像系統初步篩選微擬球藻（Nannochloropsis gaditana）的高光效突變體。研究小組使用化學(xué)引變劑乙基甲烷磺酸鹽(EMS)誘導突變和插入突變兩種方式生成突變體庫，使用FluorCam高通量檢測其光合活性的可能變化，測量參數包括最小熒光F0、最大光化學(xué)效率Fv/Fm、有效光化學(xué)效率ΦPSII、光系統調節能力NPQ（Perin et al., 2015）。四個(gè)參數分別用來(lái)篩選細胞葉綠素含量降低（利于在人工培養環(huán)境中提高藻液光透過(guò)率）、PSII最大光化學(xué)效率升高或者保持不變、在更高的光強下使光合作用飽和（即φPSII升高）、NPQ降低無(wú)法結構性激活過(guò)量能量耗散（在光限制嚴重的人工培養環(huán)境中更有利）的突變株系。

      左圖展示了微擬球藻熒光強度（最小熒光F0）的篩選結果：紅圈為野生型，白圈為篩選出的、熒光過(guò)低或過(guò)高的突變體；右圖展示了不同突變體上述4個(gè)篩選參數的差異。

參考文獻

1.周文廣, 阮榕生. 微藻生物固碳技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢[J]. 中國科學(xué)：化學(xué), 2014(1):16.

2.許凱.顆石藻固碳作用對海洋酸化與UV輻射響應的研究[D].廈門(mén)大學(xué),2012.

3.李玉國, 李芳. 燃煤煙氣微藻固碳減排技術(shù)現狀及發(fā)展[J]. 皮革制作與環(huán)?？萍? 2021, 2(14):2.

4.中國網(wǎng)，許世森：CCUS是中國實(shí)現碳中和的關(guān)鍵核心技術(shù).[EB/OL] (2021-09-30)

5.求是網(wǎng).正確認識和把握我國發(fā)展重大理論和實(shí)踐問(wèn)題.[EB/OL](2022-05-15)

6.Anguselvi V, Masto R E, Mukherjee A, et al. CO 2 capture for industries by algae[M]//Algae. IntechOpen, 2019.

7.Khan T A, Liaquat R, Khoja A H, et al. Biological carbon capture, growth kinetics and biomass composition of novel microalgal species[J]. Bioresource Technology Reports, 2022, 17: 100982.

8.Solovchenko A, Gorelova O, Selyakh I, et al. A novel CO2-tolerant symbiotic Desmodesmus (Chlorophyceae, Desmodesmaceae): Acclimation to and performance at a high carbon dioxide level[J]. Algal Research, 2015, 11: 399-410.

9.Walker C E, Taylor A R, Langer G, et al. The requirement for calcification differs between ecologically important coccolithophore species[J]. New Phytologist, 2018, 220(1): 147-162.

10.Perin G, Bellan A, Segalla A, et al. Generation of random mutants to improve light-use efficiency of Nannochloropsis gaditana cultures for biofuel production[J]. Biotechnology for biofuels, 2015, 8(1): 1-13.

11.Consortium for Clean Coal Utilization,[EB/OL](2016-10-20)