“微藻生物固碳”應(yīng)用研究及選型推薦

      2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和是黨中央深思熟慮后做出的戰(zhàn)略決策，既是對國際社會的莊嚴(yán)承諾，也是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求（求是網(wǎng)，2022）。二氧化碳的捕集、利用和封存（CCUS）是化石能源未來大規(guī)模減排的核心技術(shù)或者是關(guān)鍵技術(shù)，是中國實現(xiàn)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(zhuǎn)化法。但前兩者存在環(huán)境要求苛刻、成本高、不可持續(xù)性等缺點。生物固定CO2技術(shù)，尤其是微藻固定CO2技術(shù)，是世界上最主要和最有效的固碳方式之一，也是一種經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境友好和可持續(xù)性發(fā)展的CO2固定技術(shù)。
      作為一種高效固定CO2的微小細(xì)胞工廠，微藻具備生長周期短、光合效率高等特點，其CO2固定效率為一般陸生植物的10~50倍；同時微藻生長速度快，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不占用可耕地。此外，微藻能利用發(fā)電廠煙道廢氣和其他工業(yè)尾氣為無機(jī)碳源，并利用市政廢水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水為營養(yǎng)源進(jìn)行低成本培養(yǎng)微藻，同時生產(chǎn)出具有高附加值的微藻產(chǎn)品及生物燃料�；�于以上優(yōu)點，微藻應(yīng)用于各領(lǐng)域CO2的減排研究己廣泛展開，如空氣凈化、發(fā)電廠等工業(yè)煙道廢氣及汽車尾氣中的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)有限公司長期致力于先進(jìn)的光生物反應(yīng)器和藻類光合生理無損檢測技術(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(shè)備進(jìn)行整理歸納，方便研究人員參考查閱。
 

儀器名稱	功能	常用參數(shù)/程序	在微藻固碳研究中的作用
AquaPen手持式藻類熒光測量儀	快速測量葉綠素?zé)晒鈪��?shù)	Fv/Fm、NPQ、JIP test、Light Curve	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(zhuǎn)化效率
AP-kit藻類光合生理檢測盒	快速輕松獲得葉綠素?zé)晒鈪��?shù)和光合呼吸速率參數(shù)	Fv/Fm、NPQ、JIP test、Light Curve、光合放氧速率	綜合評估固碳候選藻種在高濃度CO2下的光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率及CO2同化率
MC1000 8通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)	8通道的精確控光培養(yǎng)及在線生物量評估	培養(yǎng)周期及環(huán)境參數(shù)設(shè)定；OD680&OD720	提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體），在線評估微藻生物量濃度（比色法），篩選優(yōu)質(zhì)固碳藻種
FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)	精確控光培養(yǎng)及多參數(shù)調(diào)控監(jiān)測	培養(yǎng)周期及環(huán)境參數(shù) 設(shè)定；OD680&OD720；Fv/Fm、ΦPSII；pH、溶解氧（選配）、溶解CO2（選配）	提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養(yǎng)），在線評估微藻生物量濃度，對微藻的光合生理狀態(tài)、培養(yǎng)液溶解co2濃度進(jìn)行在線監(jiān)測
ET-PSI多功能藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)	25L、100L及以上容積的規(guī)模化藻類培養(yǎng)，精確控光培養(yǎng)及多參數(shù)調(diào)控監(jiān)測	培養(yǎng)周期及環(huán)境參數(shù)設(shè)定；OD680&OD720；Fv/Fm、ΦPSII；pH、溶解氧（選配）、溶解CO2（選配）	提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養(yǎng)），在線評估微藻生物量濃度，對微藻的光合生理狀態(tài)、培養(yǎng)液溶解CO2濃度進(jìn)行在線監(jiān)測，培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)固碳藻種及工業(yè)應(yīng)用
FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)	高通量測定微藻葉綠素?zé)晒鈪��?shù)	Fv/Fm、NPQ、φPSII、qP、Rfd、ETR、LC曲線等	高通量篩選光合突變體；高通量篩選高光化學(xué)效率、低熱耗散的高效固碳藻種
AOM藻類熒光在線監(jiān)測系統(tǒng)	微藻葉綠素?zé)晒庠诰�監(jiān)測	Ft、Fv/Fm、OJIP、Fix Area（與藻類濃度線性相關(guān)）	在線評估微藻生長狀況及濃度

 
1.AquaPen手持式藻類熒光測量儀

      AquaPen是一款藻類研究者必備的小型設(shè)備。它既具備PAM葉綠素?zé)晒鉁y量功能，又具備快速熒光誘導(dǎo)曲線測量和分析（JIP-test）功能，所有常用葉綠素?zé)晒鈪��?shù)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(yǎng)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 實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。AquaPen能夠用來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(zhuǎn)化效率。
      在亞北極海域和動物共生的微藻因其寄主的呼吸作用和更長的黑暗季節(jié)，所以理論上對高濃度CO2具有天然的適應(yīng)性�；�于此假設(shè)，俄國莫斯科國立大學(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(yǎng)在高濃度CO2（體積分?jǐn)?shù)20%）的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)共生綠藻的生長速度比大氣培養(yǎng)條件（0.04%CO2）下增長了兩倍，并且能夠維持碳氮同化的平衡。高濃度CO2培養(yǎng)并不會影響共生綠藻光合機(jī)構(gòu)的超微結(jié)構(gòu)和功能，相反會使其飽和光強(qiáng)、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(yīng)于高濃度CO2環(huán)境，并表現(xiàn)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(jī)構(gòu)在不同CO2濃度中的狀態(tài)，使用AquaPen測定了不同光照培養(yǎng)條件下的PSII最大量子產(chǎn)額Fv/Fm。發(fā)現(xiàn)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(yǎng)下的共生綠藻的Fv/Fm大幅降低，相反高CO2濃度培養(yǎng)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(xiàn)出優(yōu)異的光強(qiáng)適應(yīng)性和可塑性。

2.AP-kit藻類光合生理檢測盒

      AP-kit藻類光合生理檢測盒是量身定制的藻類光合作用測量方案，幫助藻類科研工作者輕松、完整地獲取藻類光合生理數(shù)據(jù)。具有小巧便攜、易操作、高性價比的特點。檢測盒由呼吸瓶式氧氣測量儀、手持式藻類葉綠素?zé)晒鈨x組成，具備測量光合（放氧）速率、葉綠素?zé)晒鈪��?shù)的功能。檢測盒既能夠測定微藻的光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率，評估光合機(jī)構(gòu)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群之一，也是主要的初級生產(chǎn)者，同時進(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(jié)構(gòu)的顆石球(Coccosphere)。英國海洋生物協(xié)會和美國北卡萊羅納大學(xué)威明頓分校聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)：不同種的顆石藻對鈣化作用的需求不同，破壞鈣化作用會導(dǎo)致某些種的顆石藻無法維持完整的顆石球，產(chǎn)生細(xì)胞周期阻滯現(xiàn)象和重大的生長缺陷(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(xiàn)兩個參數(shù)均未發(fā)生顯著變化，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通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

      MC1000 8通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)由8個100ml藻類培養(yǎng)試管、水浴控溫系統(tǒng)、LED光源控制系統(tǒng)及光密度和溶解氧（選配）在線監(jiān)測系統(tǒng)等組成，可用于藻類培養(yǎng)與控制實驗、梯度對比實驗。MC1000能夠為微藻生物固碳研究提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體），并能夠基于比色法在線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?jǐn)?shù)4%）培養(yǎng)環(huán)境中提升生物量產(chǎn)量，保持高生長速率和高固碳率，因而具備CO2生物固定的潛力。研究人員對比了MC1000 8通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)和實驗室常規(guī)反應(yīng)器對微藻的培養(yǎng)效率和功能表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)在相同CO2濃度下，使用MC1000培養(yǎng)的兩種新型微藻的生物量濃度、比生長速率和CO2固定率均顯著高于實驗室常規(guī)反應(yīng)器(Khan et al., 2022)。
      MC1000多通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)秀的表現(xiàn)和更高的效率得益于其獨特的設(shè)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(nèi)置OD測量功能。實測結(jié)果表明生物量濃度—OD680擬合相關(guān)系數(shù)高，因此無需取樣即可定期監(jiān)測微藻生物量濃度變化，用以計算生長速率。

 
4.FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

      FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)是國際首個將藻類光生物反應(yīng)器技術(shù)與藻類生理監(jiān)測技術(shù)（葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)、光密度測量）結(jié)合起來的系統(tǒng)，集成了目前幾乎所有主要的藻類在線培養(yǎng)與生理監(jiān)測技術(shù)。它能夠為微藻固碳研究提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養(yǎng)），能夠在線評估微藻生物量濃度、光合生理狀態(tài)及監(jiān)測培養(yǎng)液溶解CO2濃度。

 

      印度科學(xué)和工業(yè)研究委員會中央采礦研究所（CSIR-CIMFR）的研究人員從采礦區(qū)的水塘中分離和鑒定出數(shù)種淡水藻類，并基于高生長速率和光合速率、對其他痕量組分氣體的高耐受性、高溫度耐受性、生產(chǎn)高價值產(chǎn)品的潛力等多個指標(biāo)，對適用于工業(yè)廢氣（包括熱電廠和天然氣處理廠尾氣）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(yīng)器被用來進(jìn)行淡水藻的培養(yǎng)、在線監(jiān)測和CO2的固定。研究結(jié)果表明絲狀藍(lán)藻Oscillatoria是工業(yè)廢氣生物固碳的理想藻種，其CO2捕獲能力較高的時期出現(xiàn)在16-32h，即遲緩期后期和對數(shù)期，并在pH為7-9，溫度25-30℃的培養(yǎng)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多功能藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

      ET-PSI多功能藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)由大型平板式培養(yǎng)器（標(biāo)配25L，可選配100L或定制其它容積大�。�、控制系統(tǒng)及在線監(jiān)測系統(tǒng)組成，集光養(yǎng)生物反應(yīng)器技術(shù)、葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測技術(shù)、水體／藻類光合呼吸監(jiān)測技術(shù)、營養(yǎng)鹽在線監(jiān)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F(xiàn)MT150的功能一致，ET-PSI能夠提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養(yǎng)），在線評估微藻生物量濃度，光合生理狀態(tài)及監(jiān)測培養(yǎng)液溶解CO2濃度。同時較大的容積利于優(yōu)質(zhì)固碳微藻(尤其是基因工程微藻)的藻種培養(yǎng)，以及大規(guī)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多功能藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)，以利用藍(lán)藻和真核藻類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(shè)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(tǒng)的研究及整合優(yōu)化(CCCU, 2016)。  
6.FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)

      FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)在二十世紀(jì)末由捷克PSI廠家研制成功，是世界上第一臺商業(yè)化的葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)。自面世后，F(xiàn)luorCam廣泛應(yīng)用于植物葉片及果實等其它植物組織、整株植物或培養(yǎng)的多株植物、苔蘚地衣等低等植物，實現(xiàn)了綠色組織光合時空異質(zhì)性的快速靈敏檢測。對于微藻，F(xiàn)luorCam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(dá)調(diào)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?zé)晒獬上裣到y(tǒng)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(dǎo)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(shù)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(tǒng)調(diào)節(jié)能力NPQ（Perin et al., 2015）。四個參數(shù)分別用來篩選細(xì)胞葉綠素含量降低（利于在人工培養(yǎng)環(huán)境中提高藻液光透過率）、PSII最大光化學(xué)效率升高或者保持不變、在更高的光強(qiáng)下使光合作用飽和（即φPSII升高）、NPQ降低無法結(jié)構(gòu)性激活過量能量耗散（在光限制嚴(yán)重的人工培養(yǎng)環(huán)境中更有利）的突變株系。       左圖展示了微擬球藻熒光強(qiáng)度（最小熒光F0）的篩選結(jié)果：紅圈為野生型，白圈為篩選出的、熒光過低或過高的突變體；右圖展示了不同突變體上述4個篩選參數(shù)的差異。
 
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