微藻:很惭愧,只为固碳做了一点微小的工作

二氧化碳过度排放是全球气候变暖的罪魁祸首之一,怎么减少大气中的二氧化碳?比如……能不能把二氧化碳“吃掉”?

还别说,有一种古老的生物就有这种好胃口,它们不仅可以捕食大气中的二氧化碳,还能利用二氧化碳生产 “生物柴油”,成为我们利用自然规律实现固碳减排,碳中和的得力助手。

一呼一吸间,离不开的小小微藻

微藻(microalgae)是细小藻类群体的总称,属于单细胞生物。微藻是浮游植物,通常存在于淡水和海洋系统中,在陆地系统也有分布,它们体积很小,从几微米到几百微米不等,通过肉眼难以捕获到。

微藻单独存在或者以群体形式存在于环境中。与高等植物不同,微藻没有根、茎、叶组织构造。它们特别适应以粘力为主导的环境中,例如各种水域。当然在其他极端环境也会有发现,比如螺旋藻是最耐碱的生物,在pH 11以上的环境也能存活。

微藻体内含有叶绿体,意味着它可以进行光合作用。另外,部分微藻细胞体外有细胞壁,可以起到保护作用,还有部分微藻表面具有鞭毛,可以帮助其在水中游动。

微藻有原核微藻和真核微藻两大类。目前我国学者一般将藻类分为11门:蓝藻、红藻、隐藻、甲藻、金藻、黄藻、硅藻、褐藻、裸藻、绿藻、轮藻。

如下图所示,微藻的形状奇奇怪怪,有球状,三角状,椭圆状或星状,以及其它不规则形状。另外,微藻体内还含有各种色素,比如雨生红球藻体内含有的虾青素,使得其颜色为红色。种类繁多的微藻构成了一个奇特的小世界。

奇形怪状的微藻

奇形怪状的微藻

微藻是自然生态系统中的重要组成部分,在物质循环过程中发挥着重要作用。比如微藻体内具有光合色素(叶绿素等),能高效地利用光能、二氧化碳和水进行光合作用,产生氧气并合成碳水化合物,与其它光合细菌一起为食物链上游端生物提供营养,并且微藻本身也可以利用CO2以光营养的方式生长。

微藻能够进行光合作用对地球上的生命非常重要,可别小瞧了这个过程,地球的大气氧气中约有一半都是靠这些微藻进行光合作用产生的。

吃的是二氧化碳,挤的是生物柴油

让我们“文艺复兴”回到2013年的电影《泰囧》,影片中,徐峥给王宝强展示了一种叫做“油霸”的液体,“你去加油站加油,加到一半,滴几滴油霸,油箱自动涨满”。

《泰囧》中的“油霸”  图片来源:电影截图

《泰囧》中的“油霸”
图片来源:电影截图

当然,这种不符合能量守恒定律的物质在现实生活中是不存在的,但神奇的微藻可以近似地视为一种“油霸”,在生物燃料领域有着大好前景——这与微藻体内的构成物有关,微藻中富含的酯类和甘油是制备液体燃料的良好原料!

上面提到,微藻能够利用光合作用将CO2转化为自身生物量,通过这个过程,微藻能够将碳元素固定在体内,再通过诱导反应转化为油脂,最后利用物理和化学方法将油脂转化到细胞外。关于这一点,往期文章《微拟球藻:吃的是二氧化碳,挤出来的是燃料》有详细的科普(戳我回顾往期详细科普~)。

微藻的干细胞中含有微藻油70%以上,人们可以对其进行提炼加工。微藻油作为亚临界生物技术合成生物柴油的最佳原料,是理想的可再生能源。在石油价格大幅上升,粮食短缺问题日渐突出的今天,该产业有着广阔的发展前景。

除了脂类和甘油外,微藻体内的超过15000种新型化合物也被提取确定,比如类胡萝卜素,抗氧化剂,脂肪酸,酶,聚合物,肽,毒素和固醇等,这些物质都等待着我们去开发利用。如此优秀的单细胞生物,还真是“可造之才”!

硅藻——海链藻 (Thalassiosira)  图片来源:维基百科

硅藻——海链藻 (Thalassiosira)
图片来源:维基百科

虽是单细胞生物,应用可不单一

除了能作为生物燃料外,微藻中富含多糖、类胡萝卜素、维生素、氨基酸等生物活性物质,可以被用作生物制药、保健品、及化妆品等行业。

在生物制药行业,天然β-胡罗卜素具有抑制肿瘤和升高白细胞等作用,尤其对萎缩性胃炎、口腔溃疡、皮肤疾病和放化疗患者有着明显的辅助治疗效果。褐藻多糖(源自海洋棕色海藻)对HIV(人体免疫缺陷病毒)有一定的抗病毒活性。而不饱和脂肪酸(DHA、RHA)在婴儿食品和保健品中的使用深受人们的欢迎。

   图片来源:veer图库


图片来源:veer图库

在化妆品领域,微藻中的多糖具有良好的成膜性能,可减少皮肤表面的水分蒸发,可用作制备保湿产品。岩藻黄质(源自海洋微藻)和虾青素(源自雨生红球藻)具有很强的抗氧化活性,能够清除自由基、防止脂质氧化,可以起到祛斑、防皱和防衰老的功能。拟甲色球藻能够合成具有紫外吸收作用的伪枝藻素和类菌胞素氨基酸,是制备防晒化妆品的良好原料。

微藻还可以运用到食品和农业领域,微藻体内含有的丰富的粗蛋白,可以被制作成优质的食品添加剂和动物饲料。蓝绿色藻类还可以被用来当作生物肥料,因为这种微藻不仅能固碳还能固氮!作为生物肥料,它们能将大气中碳和氮固定在土壤中供作物吸收利用,经济又环保。

某雨生红球藻培育基地  图片来源:新华社

某雨生红球藻培育基地
图片来源:新华社

人工培育微藻,未来可期

当然,微藻不是那么容易被 “驯服”的,它有自己的生活习性。微藻主要生活在淡水和海洋生态系统中,科学家们又是如何将它从自然环境中提取并扩大培养的呢?这就要考验我们的实验手段和实验条件了。

目前的提取手段大多是先将微藻个体从环境样品中分离出来,之后利用特定的培养基扩大,最后在开放池、发酵罐或者光反应器中进行大规模的繁殖。微藻的营养方式可分为自养型和异养型,而且多数是属于光能自养型。也就是说只要有了“光”,就能养藻!

实验室培养过程中的微藻

实验室培养过程中的微藻

值得一提的是,微藻体内的合成物质也不是固定不变的,会根据品种类别和繁殖条件而异,比如通过改变环境因素(pH、温度、光照、CO2浓度、营养物质等),可以在很大程度上积累特定品种的微藻。

比如固氮鱼腥藻是典型的念珠状微藻,属于蓝藻门。在人工养殖时,它更喜好微碱性环境,需要多种营养元素,如氮、磷、钾、钙、镁、硼等。除此以外,光照强度应控制在5000~8000lux,温度在25~30℃之间。

因此要想生产我们想要的微藻,需要合理地利用培养条件,这也是目前科学家们所研究的难题。

图片来源:绿色中国杂志

图片来源:绿色中国杂志

目前,中国已成为全球第一大微藻生产国,每年微藻年产量已超过万吨。从我国微藻产业的品类上来看,有八成以上为螺旋藻;其次为小球藻,占比达到10%;而雨生红球藻和盐生杜氏藻分别占据8%和2%的比重。《中国渔业统计年鉴2020》显示,2019年螺旋藻在我国的养殖面积已经达到750万平方米,年产量突破9000吨,占据着全球市场近六成的比重。其中内蒙古的螺旋藻产量最大,占据着总产量的将近三分之一。

固碳减排,是实现全球碳中和的关键一环,而我国发展迅速的微藻产业将在其中发挥越来越重要的助力作用。

作者单位:中国科学院亚热带农业生态研究所

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