文 献 综 述

1.课题背景

1.1微藻概述

微藻是一类单细胞微生物，是地球上最早的生物物种之一，营养丰富，含有微量元素和各类生物活性物质，它们中的某些物种己经在地球上生存了大约有35亿年之久。它们能有效的利用太阳能将H₂O、CO₂和无机盐类转化为有机质，是地球有机质的最初级生产力之一，有了它们才开始有了氧气，有了海洋和陆地的其他生物，也才有了人类。近几十年来，随着现代生物技术的应用，分离鉴别手段的提高，遗传工程、基因工程等的迅猛发展，人类对微藻的研究开发已进入一个崭新的时期^[1-2]。

1.2微藻的培养

微藻的培养和研究始于18世纪末，主要是栅藻和小球藻等淡水藻类，目的是作为研究植物生理学的试验材料。1910年Allen和Nelson开始培养单种硅藻饲养各种无脊椎动物。1949年，Spoehr和Milner就建议利用藻类蛋白质来解决全球的蛋白紧缺问题。我国则从1958年开始培养作为食品和饲料的微型藻类，中科院水生所等机构先后进行了小球藻、扁藻、褐指藻等的大量培养，建立了培养池，为我国的微藻生产打下了基础。1972年，中科院水生所、海洋所、植物所等不少单位又开展了螺旋藻的培养研究，而中科院水生所大量培养鱼腥藻已有20多年。我国在藻种选育、培养基配制及某些培养技术方面，已经达到或接近国际水平。在藻类蛋白的工厂化生产试验、藻类采收、浓缩、干燥和加工及藻类饲料的应用试验中也取得了重大成果^[3-4]。

1.3微藻应用技术

微藻的应用技术主要面向能源、环境、食品和医药卫生领域，是实现微藻价值的技术保证。在能源领域，微藻有望成为继粮食作物生物乙醇、纤维素生物乙醇和陆生作物生物柴油之后第三代生物质能源的原材料^[5]。

1.4传统的CO₂减排技术

目前，用于CO₂减排的方法主要包括物理封存法、化学固定法和生物固定转化法。 物理法主要为地下封存，即将高浓度的CO₂注入深海或地质底层如油气井、含盐水层和碱性矿物底层等暂时封埋起来。其操作相对简单，但需要选择合适的地质环境和空间，需要高成本的分离设备和技术（如吸附、物理吸收、膜分离和低温蒸馏等）来收集和浓缩高纯度的CO₂；此外，该方法容易泄露，不具长期可持续发展要求。化学固定法包括利用吸附材料（如氢氧化锂）直接吸附固定和通过添加碱性中和试剂以碳酸盐或碳酸氢盐的形式固定CO₂。该方法相对安全且具有永久性，但试剂需求量大，成本高^[6]。

1.5 微藻吸收CO₂技术简介

微藻吸收CO₂是世界上最主要和最有效的固碳方式之一，从长远角度考虑，其是一种经济可行、环境友好和可持续性发展的CO₂固定技术。微藻作为一种高效固定CO₂的微小细胞工厂，具有以下独特的优点：（1）能直接利用太阳能，与物理化学法相比节省了大量的能源；（2）光合作用效率高，微藻利用太阳能固定CO₂的效率是其他陆生植物的10~50倍^[7]；（3）生长速率快，微藻繁殖快速（几个小时繁殖一次），远远高于高等植物；（4）能够循环利用CO₂，CO₂可以通过微藻的光合作用转化为生物能源，生物能源使用时产生的CO₂又可被微藻固定转化，因此该方法环境友好并具可持续性发展等优点^[7]；（5）环境适应性强，微藻能忍耐和适应多种极端环境，能够在沿海滩涂、盐碱地和沙漠等地培养，不占用可耕地^[8]；（6）能利用发电厂烟道废气和其他工业尾气为无机碳源，并利用市政废水和工农业生产废水为营养源（N、P等）低成本培养微藻^[12,15]；（7）能同时生产具有高附加值的微藻产品，用于制备食品、动物及水产养殖饲料、化妆品、医药品、肥料、有特殊用途的生物活性物质及生物燃料（包括生物柴油、生物氢、航空用油、甲烷）等^[13]。

基于以上优点，微藻应用于各领域CO₂的减排研究已广泛展开，如空气净化、发电厂等工业烟道废气及汽车尾气中的CO₂净化脱除等^[10]。微藻CO₂固定技术的另一潜在用途是军事和航天等领域。例如，在核潜艇和载人航天器等密闭空间中研究如何利用微藻在环境控制和生命保护系统中去除CO₂和产生O₂^[14]。微藻固定的CO₂主要来自以下三个途径：（1）空气中的CO₂（约0.03%~0.06%，v/v）；（2）工农业生产排出的废气，如发电厂烟道废气等^[11]；（3）可溶性碳酸盐（NaHCO₃和Na₂CO₃）等化学形式固定的CO₂^[9]。此外，在微藻下游精炼过程中产生的CO₂和制备的生物能源在使用过程中产生的CO₂能够再次被微藻循环利用，从而使该技术对环境的影响达到最低，具有非常广阔的应用前景^[16]。

2 研究目的和内容

2.1研究目的

鉴于以上文献综述中提到的传统的减排CO₂技术的缺点，现在愈来愈多的科学家将减排CO₂的科学研究放在生物的方法上面。与传统的陆生植物相比，微藻类由于具有生长繁殖快、光合作用效率高、不占用耕种面积、可产生高附加值产品等优点。激起了愈来愈多的科学家研究的热情。我们希望通过研究，掌握微藻生物培育基本的方式方法，并通过模拟微藻培养过程的条件探究微藻吸收CO₂的实际效果。

2.2研究内容

1）研究掌握微藻生物正常培育基本的方式方法。

2）改变微藻的生长环境，将微藻置于不同的温度、CO₂浓度、酸碱度、营养源下，考察其吸收CO₂效果的变化。

3）找到培养微藻吸收CO₂的最佳方法。

参考文献

[1] 刘倩. 产能海洋微藻的分离筛选[D]. 宁波: 宁波大学, 2010.

[2] 李健, 张学成, 胡鸿钧, 等. 微藻生物技术产业前景和研发策略分析[J]. 科学通报, 2012, 57(1): 23-31.

[3] 张跃群, 王勇军. 微藻的营养价值及其应用[J]. 生物学教学, 2002, 27(6): 42-44.

[4] 姜晓宏. 胡强: 引爆单细胞微藻的巨大能量[J]. 科学中国人, 2014 (6): 56-59.

[5] 张英伟, 刘炜. 微藻能源的研究进展[J]. 海洋科学, 2012, 36(1): 132-138.

[6] Lackner K S. A guide to CO₂ sequestration[J]. Science, 2003, 300(5626): 1677-1678.

[7] Wang B, Li Y, Wu N, et al. CO₂ bio-mitigation using microalgae[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2008, 79(5): 707-718.

[8] Chisti Y. Biodiesel from microalgae[J]. Biotechnology advances, 2007, 25(3): 294-306.

[9] Kumar A, Ergas S, Yuan X, et al. Enhanced CO₂ fixation and biofuel production via microalgae: recent developments and future directions[J]. Trends in biotechnology, 2010, 28(7): 371-380.

[10] 王丽艳. 微藻固定烟气中CO₂的发展及可行性探讨[J]. 绿色科技, 2012 (9): 182-183.

[11] 杨忠华, 杨改, 李方芳, 等. 利用微藻固定CO₂实现碳减排的研究进展[J]. 生物加工过程, 2011, 9(1): 66-75.

[12] Zhou W, Hu B, Li Y, et al. Mass cultivation of microalgae on animal wastewater: a sequential two-stage cultivation process for energy crop and omega-3-rich animal feed production[J]. Applied biochemistry and biotechnology, 2012, 168(2): 348-363.

[13] Hu Q, Sommerfeld M, Jarvis E, et al. Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances[J]. The Plant Journal, 2008, 54(4): 621-639.

[14] 薛彦斌, 崔效杰, 刘建国. 微藻资源的研究和开发[J]. 食品与药品, 2005, 7(09A): 20-23.

[15] Li Y, Chen Y F, Chen P, et al. Characterization of a microalga Chlorella sp. well adapted to highly concentrated municipal wastewater for nutrient removal and biodiesel production[J]. Bioresource technology, 2011, 102(8): 5138-5144.

[16] 周文广, 阮榕生. 微藻生物固碳技术进展和发展趋势[J]. 中国科学: 化学, 2014, 44(1): 63-78.