登录

/

注册

首页 > 科技媒体 > 媒体详情
【学者专栏】环境增殖:微藻生物固碳技术进展及趋势(2)适用藻类
醉卧青云 2015-12-10
导语

本节主要从生物方面来综述高效固定CO2微藻获得的研究进展。

                    

微藻是地球上分布最广、种类最多,结构简单的一类形态微小的单细胞或多细胞光合自养生物,目前已知的微藻藻种约有4万余种[2]。碳是微藻细胞的主要组成成分,微藻细胞内碳含量约占细胞干重的50%左右,通常每生产100吨的微藻,就可以固定减排183吨的CO2 [2,11]

一般来讲,提高微藻固定CO2能力可以从生物和工程这两方面来着手,生物方面主要包括高效固定CO2优良藻种的筛选和驯化以及应用现代基因工程手段从分子水平上改造微藻细胞,从而从根本上提高微藻固碳效率;工程方面主要包括微藻培养基配方的改良、最佳培养条件的优化和高效微藻培养反应器的设计等。本节主要从生物方面来综述高效固定CO2微藻获得的研究进展。

2.1从环境中筛选藻株

高效固碳微藻的筛选与其应用的环境密切相关。用于空气包括密闭空间(如潜艇和航空器等)中微量CO2 (0.03-0.06%v/v) 的去除所选用的微藻通常要求对CO2转化率高、生长速率快且耐pH范围宽[7,24];化石燃料燃烧所排放尾气中的CO2含量达到15%,甚至高达20%以上,对于CO2浓度偏高的烟道尾气和其他工业废气减排来讲,获得能耐受高浓度CO2并可高效固定CO2的微藻藻株是微藻固定减排CO2技术能否实现工业化应用的关键。

近几十年来国内外针对微藻藻种筛选研究结果表明,无论是空气中微量CO2的固定还是烟道废气中大量CO2的脱除减排,下列微藻藻种都具有极大的优势[2,25]

1绿藻纲Chlorophyceae)。绿藻在地球上分布广泛,以单细胞或群落的形式大量存在于江河湖泊中,主要以淡水绿藻为主,绿藻也是现代高等植物的进化始祖。

2)蓝绿藻纲 (Cyanophyceae。该藻种在结构与组成上与细菌相近,这些藻株在固定空气中的N2上发挥重要的作用,目前已知有大约2000多种分布于各种不同的生态环境中。

3硅藻纲Bacillariophyceae)。大部分分布于海洋的浮游植物都属硅藻,一些也分布于淡水和半咸水中。目前已知存在于地球上的硅藻有10,000多种,硅藻能以各种形式固定和贮存碳;

4)金藻纲Chrysophyceae)。该种微藻在色素颜色和生化组成上与硅藻成分相似,目前已知有大约1000种金藻。金藻主要以脂质和碳水化合物的形式贮存碳。

                                       

在众多能够固定CO2的绿藻中,尤以绿藻中的小球藻为佳。例如Satoh[26]报道,一株小球藻Chlorella sp. UK001能在CO2浓度高达40% v/v)培养环境中生长,且微藻细胞从通空气的环境转接到通入CO2浓度为40%的环境中细胞生长无明显滞后期。

ChangYang [27]从中国台湾不同的地方采集的200多种微藻中筛选到一株耐高CO2浓度的绿藻Chlorella sp. NTU-H15,实验表明该藻株能在CO2浓度达到60%的培养环境中生长,且固定CO2速率能达到011013 g/(L·d),在最适CO2培养浓度下(%, v/v)该藻达到最大生长速率,且固定CO2速率大幅提高,达到0.5-0.57g/(L·d)

Watanabe[28]从稻田中筛选出一种小球藻HA-1,发现该藻在CO2 浓度为5-50%之间,均可保持正常生长,且当最优CO2浓度为10%时,该藻固定CO2的速率达到最大,为6.04 g/(m2·d)

De Morais[29]Chlorella kessleriChlorella vulgarisScenedesmus oliquusSpirulina sp.分别进行固定CO2的试验研究。在藻液中分别通入6%,12%,18%浓度的CO2,测试微藻在不同浓度CO2下固碳的效果。结果显示,藻株Chlorella kessleri更适宜用于高浓度CO2固定。

此外,海洋绿藻在高效CO2固定的过程中也发挥重要的作用。例如Kurano[30]从韩国釜山海边分离出一种海洋绿球藻Chlorococcum littorale,该藻在CO2浓度为10%~20%条件下能够快速地生长,比生长速率达到0078 h-1。当在3种不同容积的培养反应器(10 mL4 L20 L)中分别通入20%、20%、10%浓度的CO2,发现该种绿藻固定CO2速率分别达到4065085 g/(L·d)

对于应用微藻生物技术减排工业废气如烟道废气、锅炉尾气等,由于这些气体除含高浓度CO2外,还含有一定量的硫化物和氮氧化物(如NOSOx)等有毒气体组分,而且这些尾气刚出来时温度太高,不适用直接通气养藻,因此,应用于此类废气中CO2脱除的微藻,除需满足耐高CO2浓度外,还要求微藻满足耐高温和耐NOSOx等对微藻细胞生长有抑制作用的气体的特点,这些都是在筛选优良藻种时需重点考虑的因素。

Sakai[31]等从日本的温泉中筛选到几株小球藻藻株,进一步实验发现这些藻株能在温度高达42℃,CO2浓度大于40%的培养环境中生长,这些耐受高温、耐高CO2浓度的特性使得这些微藻藻株成为去除工业烟道废气的最佳载体

Yoshihara[32]在日本Kinki地区海洋中通过筛选,得到一株耐NO的海藻Nannochloris spNOA-113,并研究了不同浓度的NO100 ppm 300 ppm)对该藻生长的影响。结果显示:在培养的第4天通入NO进行试验, 2种浓度的NONannochloris spNOA-113有较弱的抑制作用,但生长速率与无NO藻样相差不大;

Matsumoto[33]研究了来自日本仙台Tohoku电厂废气(主要成分为:CO2141%;O213%;SOx185 ppmNOx125 ppm)对3种微藻Nannochloropsis salinaPhaeodactylum tricormutumTetraselmis sp., TM-S3生长及CO2固定效果的影响,结果表明3种微藻都能在高浓度CO2环境下快速生长,其中Tetraselmis spTM-S3的固定CO2速率最高,达到40 g/m2·d显示该藻株在工业废气减排方面良好的应用前景。Kurano[30]从高温温泉中筛选出多株微藻样品并进行耐高温和耐酸试验,结果显示只有3种红藻,即Cyanidium caldariumGaldieria partiraCyanidilschyzon melorae 可以在温度高达40℃,pH 2,且通入的CO2浓度为20%的培养条件下继续生长;当培养温度提高到50℃,且pH调整到1,通入的CO2NO的浓度分别为10%的和50 ppm时,以上3种红藻均可以继续存活,然而再通入50 pmmSO2时,发现只有Galdieria partira能继续生长,证明该藻株具有很强的耐高温和耐强酸的特性,可以适用于富含NOSO2等有毒气体的CO2减排。

从目前所研究的成果可以看出,环境因素对微藻的生长影响是显著的,不同微藻对各种环境因素的耐受性较为明显,因此选择合适的筛选环境对获得具有高效固碳特征的微藻是十分必要的。

2.2 用基因工程法增强固碳能力

通过基因工程方法重新构建高效固定CO2的工程微藻是进一步提高筛选的野生微藻藻株固定CO2能力的最有效途径之一。

最近几十年对不同模式微藻,如莱茵衣藻分子水平的研究表明,通过改良微藻体内与CO2固定转化代谢途径有关的几个关键代谢酶基因或引入相关的新的代谢途径,可以显著提高微藻固定CO2的效率[34]

目前,微藻固定CO2的基因工程研究主要集中在基因的结构、序列分析以及基因克隆与表达方面

Beuf[35]从耐受CO2浓度高达60%的单细胞海洋绿藻Chlorococcum littorale中分离出编码Rubisco活化酶(rca)相应的DNA区域,结果显示高浓度的CO2诱导了rca,而非表面上的环境因素影响。

Kang[36]在鱼腥藻Anabaena sp7120细胞内成功表达了编码果糖16一二磷酸酯醛缩酶(ALD)和丙糖磷酸酯异构酶(TPI)的基因,进一步研究发现,这两种酶的转基因细胞活性比野生型细胞的活性强,且这两个基因转入后微藻细胞明显提高了吸收和转化CO2的能力。以上研究结果充分说明了调控微藻CO2固定代谢途径中相关关键酶对提高CO2固定能力的显著作用。

此外,还存在其他传统的微藻基因改造方法包括选择性育种、诱变育种和细胞融合等,由于这些方法不在该篇综述重点讨论的范畴,这里不再一一详述。


(未完待续)

(本文作者,美国明尼苏达大学周文广博士,授权发布)


如若转载,请注明e科网。

如果你有好文章想发表or科研成果想展示推广,可以联系我们或免费注册拥有自己的主页

  • 学者专栏
  • 微藻
  • 生物固碳
  • 资源与环境
分享到
文章评论(0)
登陆后参加评论
作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


发布成功!

确 定 关 闭