碳中和背景下微藻的應用價值

曾予昳，廖 芬

(貴州省生態環境廳六盤水生態環境監測中心，貴州 六盤水 553000)

1 引言

自工業革命以來，人類生活水平不斷提高，同時碳排放量也在逐漸增加，人們賴以生存和發展的環境正在發生變化并面臨巨大的威脅。隨著碳排放量增加，全球氣候變暖，溫室效應發生，極端惡劣天氣頻繁出現，冰川加速融化，海平面逐漸上升，地球生態環境面臨危機。1992 年，第一個以全面控制CO2等溫室氣體排放、應對氣候變暖問題為主旨的國際公約——《聯合國氣候變化框架公約》在巴西里約熱內盧舉行的聯合國環境大會上發布。1997年，為了防止氣候改變對人類造成危害，《京都議定書》于12月在日本京都通過，2005年2月正式生效，成為人類歷史上首次以法規的形式限制溫室氣體排放的條約。作為二氧化碳排放大國，中國是《聯合國氣候變化框架公約》的首批締約國，并于1998年5月簽署了《京都議定書》，于2002年8月核準了該議定書，2009年我國首次提出具體溫室氣體減排目標，2020年習近平主席在第七十五屆聯合國大會上首次提出“雙碳”目標，即“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。

“碳中和”又稱為“CO2凈零排放”，是指在一定時期內通過一系列措施對CO2進行處理，以抵消人為直接或間接排放的CO2，實現CO2凈零排放。實現“碳中和”任務艱巨，一方面應當大力提倡節能減排，實現產業結構轉化升級，淘汰落后產能，以清潔能源(如氫能、風能、太陽能、生物質能等)替代傳統的富碳化石能源，減少碳排放；另一方面應當鼓勵科技創新，強化CO2捕獲、利用與封存(Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS)技術。目前國內外已大力開展CCUS技術研究，并建有不同規模的CCUS項目，CCUS項目對解決碳排放問題有較好的前景[1]。微藻固碳技術也屬于CCUS技術之一，微藻不僅能夠固定大氣中的低濃度 CO2，還可以固定特殊來源(如燃煤發電廠)中的高濃度 CO2，以及廢水中的無機碳和有機碳，這些“碳”經轉化后形成微藻生物質，經過提取和加工可制成生物柴油、乙醇、甲烷等生物燃料或其他高附加值產品，具有廣闊的應用前景。本文就“碳中和”背景下，微藻的應用價值和發展前景進行分析和探討。

2 CO2固定方法

目前，固定CO2的方法可以大致分為物理封存法、化學吸附法和生物固定轉化法[2, 3]，物理法主要是通過物理封存的方法將CO2注入深海或地質底層將其在地下封存起來，物理封存技術對地質條件和空間環境有一定要求，并且能耗高、成本高，存在泄露風險，不宜作為長期儲存的方法[4]。目前，CO2驅替煤層氣封存(CO2Enhanced Coalbed Methane Recovery，CO2-ECBM)、CO2咸水層封存與采水(CO2Enhanced Saline Water Recovery，CO2-ESWR)等技術仍處于先導試驗階段，而CO2驅替天然氣封存(CO2Enhanced Natural Gas Recovery，CO2-ENGR)、CO2驅替頁巖氣封存(CO2Enhanced Shale Gas Recovery，CO2-ESGR)等技術還處于實驗研究階段[5]；化學法主要是通過化學吸附材料直接或間接固定CO2，該方法簡單有效，相對安全，但是如果固定大量CO2，則需要大量化學試劑，其成本高，且產物可能帶來二次污染；生物固碳主要是指某些生物通過光合作用吸收并轉化CO2，而微藻則是最具潛力的固碳生物，它是地球上已知的最古老的光合生物之一，可以直接利用光能和CO2進行光合作用，或直接利用有機化合物作為碳源或能源代謝生長，其生長周期短，對極端環境耐受性強，光合作用效率高，大多數微藻在長期進化過程中形成了CO2濃縮機制(CO2concentrating mechanism，CCM)，當環境中CO2濃度低時，藻細胞便啟動CCM進行CO2運輸，微藻固定CO2的效率是其他常見陸生植物的10～50倍，生物質產量是大豆的4.5倍[6, 7]。

3 微藻固碳的應用

3.1 微藻固定煙氣中CO2

燃煤電廠排放的煙氣中含有大量CO2以及微量的其他污染物(如SO2、NOx、重金屬以及顆粒物等)，研究表明實現超低排放的燃煤電廠，其煙氣中雜質濃度低于微藻細胞耐受闊值時，一些微藻可以以煙氣中的CO2作為無機碳源進行光合作用從而固定燃煤電廠煙氣中的CO2實現碳減排[14]，有的藻細胞還可以利用 NOx和 SOx作為生長所需的氮源及硫源，Sakai通過分離篩選從日本溫泉中分離得到一株對40% CO2和42 ℃高溫具有耐受性的綠藻[17]，黃云通過核輻射誘變和高濃度CO2馴化篩選，并對培養條件進行優化，得到一株對15%高濃度CO2固定效率峰值達85.6%的小球藻突變株[18]。

3.2 微藻污水處理

利用廢水中的養分(尤其是氮和磷)作為營養源培養微藻，不僅減少微藻的培養成本，同時還可利用微藻去除水中污染物，凈化水質，削減污染[19，23]，因此利用微藻進行污水處理受到廣泛關注。劉林林等用15種藻株對養豬場養殖廢水進行凈化，結果顯示15個藻株對總磷的去除率基本上都超過90%，并且有兩株多棘柵藻對總氮和硝態氮的去除率都分別達到93.25%和100%[24]，Chen等用藻株ChlorellasorokinianaAK-1處理養豬場養殖廢水，COD、TN 和TP的去除率分別達到90.1%、97.0% 和 92.8%[25]，Li等從明尼蘇達州分離得到一株小球藻，將其用于處理活性污泥濃縮過程產生的高濃度城市廢水，結果表明，該藻株對廢水中NH4-N、TN、TP和COD的去除率分別為93.9%、89.1%、80.9%和90.8%[26]。微藻在處理廢水的過程中，還可以產生生物質，藻株ChlorellasorokinianaAK-1在最佳條件下最高生物量濃度、生物量生產力、蛋白質生產力和葉黃素生產力可分別達到8.08 g/L、0.52 g/L/d、0.28 g/L/d 和 3.10 mg/L/d[25]，從明尼蘇達州分離的小球藻在處理高濃度城市廢水的同時，每升藻液可生產0.12 g生物柴油，并且能夠成功擴大生產[26]，Zhou等通過使用不同的培養基和光照條件對60株藻種進行馴化，篩選得到5株對高濃縮城市廢水耐受性好且能生產脂質的兼性異養型藻株，這5株藻的脂質生產率為74.5～77.8 mg/L/d[27]，此外，Kang等使用雨生紅球藻成功去除了生活污水和養豬廢水中的氮和磷，同時合成了質量分數分別為5.1%和5.9%的蝦青素[28]。由于垃圾滲濾液有機物含量高，有學者認為有望使用微藻處理經預處理過的垃圾滲濾液[29]。

3.3 微藻生物質能源

與傳統化石燃料相比，生物燃料無毒無害、可生物降解，被認為是一種綠色環保、可再生的清潔能源。微藻的油脂含量在1%～70%[30]，主要成分為甘油三酯和長鏈脂肪酸，被認為可為生物柴油、甲烷、氫氣、乙醇等可再生燃料提供原料[31]。以生物柴油為例，陽國軍通過對微藻毛油制備的生物柴油的密度、閃點、含硫量等12項指標進行分析，結果表明制備的微藻生物柴油符合國標對調和用生物柴油BD100的要求[32，33]。當前，已有大量研究對不同藻種的油脂含量和油脂產量進行比較，不同的微藻種類油脂含量和油脂產量各不相同，總體來看，小球藻、萊茵衣藻、微擬球藻平均油脂產量較高[31, 34]，Deng用經厭氧消化預處理的豬糞培養小球藻UTEX 2714，最高油脂產量達183.7 mg/L/d[35]，Shin等通過CRISPR-cas9對萊茵衣藻CC-4349進行基因組編輯，其油脂產量增加了64.25%[36]。

3.4 微藻的其他應用

微藻就像是碳的單細胞生物工廠，不僅可以通過吸收固定碳降低CO2排放量，還可以生成許多有價值的副產物，例如蛋白質、油脂、色素等，這些產物經過深加工可制成食品、化妝品、藥品、醫用保健品、動物和水產養殖飼料、肥料、生物燃料等，具有很高的經濟效應。研究結果表明，大多數藻類的蛋白質質量等于甚至優于其他傳統的高質量植物蛋白質[38]，Lucas等開發了富含螺旋藻的零食，通過添加螺旋藻，零食中的蛋白質、脂質、礦物質分別增加了22.6%、28.1%和46.4% ，從而使食品具有了更高的營養水平和感官接受度[39]。許巖分離純化得到的一株固碳率達33.71 g/m2/d的螺旋藻，類胡蘿卜素產率達72.29 mg/m2/d，藻藍蛋白產率達2.79 g/m2/d[40]，藻藍蛋白具有極大的醫藥價值[41]。微藻還可應用于目前備受關注的微生物燃料電池，在去除污染物的同時將化學能轉化為電能，實驗結果顯示與其他微生物燃料電池相比，將微藻作為陰極底物構成的燃料電池在性能方面具有明顯優勢[42, 43]。

4 微藻固碳面臨的挑戰

微藻固碳有著廣泛的應用前景，但與此同時，也面臨諸多挑戰，國內外專家學者已經在對微藻固碳面臨的問題展開研究。要想將微藻固碳工業化，需要進一步提升微藻的生長速度和固碳效率。同時提升微藻的生長速度和固碳效率是微藻固碳面臨的挑戰之一，影響微藻生長速度、固碳效率和生物質積累的因素主要包括藻種、碳濃度、營養水平、光反應器類型、光照條件、溫度和pH值等[8, 9]。

微藻種類眾多，包括藍藻、綠藻、紅藻、甲藻、隱藻、裸藻等[10]，有的可以直接固定空氣中氣態的CO2，有的則需要以吸收水中碳酸鹽的形式固定CO2，不同的藻種固碳效果不同，目前篩選理想藻株的方法主要有自然篩選和基因工程等技術手段，盧鴻翔通過核誘變獲得了生物質量和油脂含量同時增加的節旋藻突變株[11]。不同的藻株對CO2的濃度要求也不同[3, 12]，并且在不同CO2水平下微藻的生物質產量會有所差異，Tang等發現高水平的CO2有利于脂質的積累[13]。pH值也會影響微藻的生長速率，在微藻固定煙氣中CO2的過程中，由于煙氣中含有CO2、NOx和SOx等氣體，可能導致pH值降低，從而影響微藻生長和固碳[19]， Lee等通過控制培養基中的pH值提高了小球藻對煙氣中NOx和SOx的耐受性[20]，Jiang等也用類似的方法，通過添加碳酸鈣調節pH值，增強微藻的耐受性[21]，另外，煙氣中的重金屬離子也可能抑制微藻生長。因此，優化反應條件、獲取高耐受的藻種，對提升微藻的固碳效率具有重要意義[22]。

在規模化培養中，光生物反應器(PBR)對微藻的生長和CO2固定效率尤為關鍵，目前的光生物反應器主要有跑道池反應器、立柱式反應器、平板式反應器和管式反應器[14]。不同的反應器有各自的優缺點，跑道池反應器成本低，易清潔維護，但由于其開放式特征藻液易揮發損失，CO2傳質率低，且占地面積大，管式反應器類型多樣，有橫管式、彎管式、螺旋管式等，占地面積小，光轉換效率高，但能耗和成本較高。除上述懸浮式微藻培養法外，固定式微藻培養法因其采收成本低、生物量密度高成為廣受關注的新型微藻培養方式[15]，段丹如通過使用高孔隙率和低密度的泡沫鎳作為固定微藻細胞的載體，獲得改良后的光生物反應器，其最大CO2生物固定率和CO2去除效率分別達到4549.9 μmol/m3/h和47.39%[16]。

此外，利用微藻生產生物柴油時，降低生產成本是微藻應用的另一大挑戰，Yu通過構建微藻生物柴油生產的數字模型，發現微藻生物柴油的生產成本仍高于化石柴油的平均價格，并提出篩選油脂產量高的藻株是降低成本的一個重要環節[33]，除藻種外，微藻的采收、油脂的提取和生物柴油的制備也是降低微藻柴油生產成本的重要環節，目前常見的微藻油脂提取技術有有機溶劑提取法、超臨界萃取法、微波輔助提取法、超聲輔助提取法、酸熱法、水酶法等[37]，但是這些方法或成本高、或提取率低，因此，改進技術，提高微藻脂質生產能力和油脂提取率，降低微藻柴油成本，是微藻生物柴油從實驗室走向市場的關鍵。

5 結論與展望

微藻是極具價值的固碳微生物，許多研究表明微藻不僅可以固碳，還可以用于處理廢水，生產生物柴油、蛋白質、脂質、藻蛋白等高經濟價值的產品，具有極強的潛在價值，是“碳中和”背景下十分理想的固碳微生物。

充分發揮微藻的應用價值，形成從固碳除廢到生產附加產品的多模式多組合的復合綠色生態產業鏈，形成以微藻為核心的兼環境治理和附加增值產業為一體的新型綠色產業模式具有重要現實意義，比如“微藻煙氣固碳—生物柴油生產”產業鏈、“微藻廢水處理—農業養殖”產業鏈等。

當然，微藻在具備廣闊應用前景的同時，也面臨眾多挑戰，雖然全球已有很多國家將微藻進行商業化生產[44]，但是由于技術水平和生產成本限制，產業化微藻固碳技術仍處于發展階段，為加快規模化微藻固碳，需要在技術上進行更多創新和改進：一方面，篩選具備生長速度快、易于批量培養、環境耐受強、具有后期附加應用價值等特性的高性能藻種，或通過基因工程獲得高固碳效率和高生物質產量的固碳藻株；另一方面，通過更深入地了解微藻固碳機制，改善二氧化碳轉化功能。此外，提高后期產物的采收技術和提取技術，將培養工藝優化，培養模式擴大化，通過提高工藝水平最大化降低微藻固碳成本。可以預見，隨著科技水平的發展，微藻在未來有著巨大的環境效益和經濟效益。