記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所日前開發的高固碳能力工業產油微藻細胞工廠，實現了經濟環保的海洋微藻利用新模式。
地球固碳的“主力軍”
人類活動排放的二氧化碳等溫室氣體，導致了全球氣候變化和海洋酸化等重大環境和社會問題。利用工業產油微藻將煙道氣等工業二氧化碳排放源直接轉化為柴油等生物燃料，對于減少溫室氣體排放，遏制全球氣候變暖具有重大意義。
包括微藻在內的海洋浮游植物適應了當前地球大氣0.04%的二氧化碳含量，每年固定了全球二氧化碳固定量的40%。但煙道氣中的二氧化碳含量高于5%，是大氣碳含量的百倍以上。由此導致的培養環境酸化，在降低了生物污染發生幾率的同時，也通常會抑制工業產油微藻的生長與繁殖，大幅度降低了工業生物固碳產油過程的經濟性。
自然界中，實現碳循環的途徑，主要是通過生物體生命過程中的光合作用完成生物固碳。然而，樹木、植物只能緩慢吸收大氣中的二氧化碳，受土地面積的限制，其消納二氧化碳的總量與人類生產活動的排放量比，十分有限。而與農作物相比，微藻具有光合速率高、繁殖快、環境適應性強，可調控以及可與其他工程技術集成等優點，可獲得高效、立體、高密度的培養。據了解，每噸微藻生物約可固定2噸二氧化碳，且微藻培養過程可對點源排放的二氧化碳進行利用。
微擬球藻是一種在世界各地均可室外大規模培養的工業產油微藻。中國科學院青島生物能源與過程研究所研究人員提出其利用和耐受二氧化碳均與碳濃縮機制有關的科學假設。
“以微藻為代表的海洋浮游植物每年可固定全球二氧化碳固定量的40%，是當前地球固碳的‘主力軍’。”該所單細胞中心主任徐健研究員表示，他們的主要研究就是利用工業產油微藻，將陽光和煙道氣（即煤等化石燃料燃燒時所產生的對環境有污染的氣態物質）等工業二氧化碳排放源直接轉化為柴油等生物燃料，既可保護生態環境，又產生了經濟效益。
“我們主要利用的微藻是一種名為‘微擬球藻’的工業產油微藻，可實現室外大規模培養，和其他微藻相比優勢明顯。”單細胞中心助理研究員魏力介紹說，微擬球藻具有生長速度快、二氧化碳耐受能力強、海水淡水均可培養、遺傳操作較完善等突出優點。
讓微藻“返祖”
據介紹，工業微藻能夠將陽光和煙道氣直接轉化為生物柴油，因此是應對全球氣候變暖的重要舉措之一。然而煙道氣中高濃度的二氧化碳及其導致的酸性培養條件，往往抑制了微藻的生長，因此提高二氧化碳耐受性是設計與構建超級光合固碳細胞工廠的關鍵技術之一。
“科研團隊雖然找到了合適的微藻品種，但在實驗起步階段，由于煙道氣中的二氧化碳濃度較高，微藻的生長狀態并不理想。”魏力說。
如果不解決微藻的二氧化碳耐受性問題，就難以設計和構建超級光合固碳細胞工廠。因此，科研人員根據微藻特性提出了一個科學假設，找到微藻感應二氧化碳的“關鍵靶點”，對它的碳濃縮機制動“手術”，從而解決這一問題。
據了解，藻類等植物被認為是約5.1億年前出現的，那段時間的地球大氣中，二氧化碳濃度高，是當前地球大氣二氧化碳濃度的二十幾倍。“這也就證明了，藻類在逐漸進化，適應低濃度的二氧化碳環境。我們希望通過一種方式，讓工業微藻‘返祖’。”魏力說，經過反復實驗，研究團隊發現人為的破壞或抑制微藻的碳濃縮機制可達到這一效果。
據介紹，在類似煙道氣的環境中，通過靶向敲低位于細胞質內的一個特殊的碳酸酐酶基因的工程微擬球藻株，其生物質產量能提高30%以上，而且含油量不受影響。
或可改造火星大氣
3月21日，國際學術期刊《代謝工程》刊載了中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心的研究成果。通過開發高固碳能力的工業產油微藻細胞工廠，不僅對于工業煙道氣直接轉化生物柴油具有應用價值，對于人類拓展生存空間也有重要意義。
“研究表明，這種改良性狀適應性極強，且具有相當穩定的遺傳性。”徐健表示，經過改良后，工程藻株研究實現新進展，藻株的生長優勢只在煙道氣培養條件下展現，若在空氣濃度二氧化碳下，工程藻株則喪失了生長優勢。因此，該研究成果不僅證明工業微藻的二氧化碳含量適應性可以理性調控，而且發明了一種原創的工程藻株生態控制策略。
當前，全球各國對于碳排放問題越來越重視。《巴黎氣候協定》明確了將全球氣溫較工業化前水平的增幅控制在2°C以內，以此避免極地冰層融化和海平面上升的后果。但據全球碳項目科學家初步預計，2018年的全球碳排放增幅預計達到2.7%，較前年1.6%的增速進一步加快。
在碳排放逆勢上揚的環境下，青島能源所研究團隊的這一新思路不僅對于工業煙道氣直接轉化生物柴油具有應用價值，對于人類生存空間的改造與拓展也有啟發。
例如，火星是最有希望實現載人登陸的地外行星。但是火星大氣中95%是二氧化碳，因此對火星大氣的改造是人類大規模殖民火星的前提。
本研究展示的高二氧化碳耐受性的工業微擬球藻，不僅能夠將二氧化碳轉化為氧氣，而且能夠按需生產生物柴油和食用油脂，因此或許可作為第一代“火星移民”，肩負改造火星大氣層的重任。（記者 王晶）
轉自：中國海洋報
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