海洋藻类固碳原理发展

    自工业革命以来,人类由于大量使用化石燃料,致使大气浓度升高,温室效应明显,全球变暖速度惊人。为了应对全球气候变化,许多国家积极采取措施减少各个途径CO2排放,各国均制订了各种节能减排措施,另一方面则大力推进固定CO2技术(CO2 Sequestration)的开发,以期遏制气候不断恶化趋势。植物通过碳储存可以减少大气中CO2的增长,对稳定全球气候和减轻温室效应发挥着重要作用。

    人们一直在寻找高效固碳的植物。目前固碳可分为两种方法:物理法和生物法。物理法存在成本高等缺点,如深海注射耗资巨大,使用生物法替代物理法,具有如下优点:

    (1)藻类生长周期快,其固碳效率比绿色植物高;

    (2)生产环节简便、易培养,如工业废气可直接通入藻池中以去除和减少CO2及其他有毒物质的含量,节省废气处理的费用;

   (3)某些藻能耐受极端条件,如高盐、高温、高CO2及高光强等;

   (4)收获的藻类还可以做工农业原料生产食品、药物、饵料等.综上所述,藻类在生物固碳领域具有相当广阔的应用前景。

图1海洋藻类 图片来源:视觉中国

海洋藻类固碳原理

    海藻细胞通过利用CO2和光能进行光合作用合成有机物并释放氧气实现光合固碳。藻类光合作用时首先由核酮糖二磷酸梭化酶(Rubiseo)将CO2:固定,再经过Calvin-Benson循环合成为种种有机物。藻类光合作用时, CO2由细胞外的扩散层(Bundarya lyer)依次传递到细胞壁、细胞膜、细胞质、叶绿体膜和间质,最后到达Ruibcs。在各个传递过程中都存在CO2输送及扩散的阻力,成为限制CO2固定的原因。CO2在水中存在方式如图1方程所示:

图2 CO2在水中反应方程式

    CO2,HCO3或CO32-哪种透过细胞膜被吸收、哪种被利用的问题是一个很重要的植物生理学问题。就至今的研究进展而论,大部分的微藻只吸收CO2只有少数吸收HCO3;大型的藻类有些能够利用HCO3了,但极少数是直接吸收HCO3,通常是借助于细胞表面的碳酸醉酶(CA)将HCO3了转化为CO2后者被吸收和固定。

    一般认为藻类不能直接利用CO32-。总之,不管是微型还是大型藻类都吸收CO2 (CO2分子本身具有生物膜透性)。在大部分藻类生活适宜的中性或偏碱性pH阐值内,“CO2”的大部分是HCO3离子,CO2的浓度仅仅占百分之几(例如,pH为8.3,与空气中CO2达到平衡的海水中90%以上的“CO2”是HCO3,CO2低于1%)。因此,对于只能利用CO2的藻类来说,在适应环境变化的过程中必须为自己装备利用CO2的特别机制;藻类在细胞内浓缩CO2或者提高对CO2的亲和力,都是其有效利CO2的特征。

 

海洋藻类固氮进展

    美国和日本等国在微藻的规模培养、固碳和再生燃料能源的生产进行了大量的研究,其螺旋藻培养技术已成为目前藻类规模化生产的典范。具有代表性的应用模式是夏威夷的蓝藻生物技术公司,他们利用一些小型能源工厂排放的烟道气体(flue gas)作为规模培养螺旋藻和血球藻的碳源. 该公司采用跑道式培养池,小型供能发电站,发电产生的CO2作为藻类培养所需碳源。2个功率为180kW的发电装置提供67个培养池搅拌所需的电能和其他消耗,发电过程产生的废气中含8%的CO2(188kg h)回收至CO2吸收塔作为碳源,其回收利用率为75%左右,相当于每个月通过生产36t螺旋藻藻粉,重复消耗67t CO2,并节省了购置CO2气体所需费用.根据螺旋藻市场价格这个系统每年的净产值是30万美元。

    一般认为,大型海藻无机碳利用能力由高到低依次为绿藻、褐藻、红藻,章守宇等人对比发现,枸杞岛六种大型海藻固碳效率从高到底依次为鼠尾藻、羊栖菜、斯氏刚毛藻、孔石莼、多管藻、蜈蚣藻。

    胡自明等研究光生物反应器中CO2溶解速率的影响发现,CO2气泡在藻液中停留时间增加,强化了溶解传输, CO2体积传质系数提高了143%,混合时间降低了24%,最终使微藻生物质浓度提高 18.8%,固碳速率提高23.2%。

Algenol公司和栾国栋研究组为了开发更适于规模化应用的光驱固碳合成乙醇细胞工厂,通过拷贝数优化等策略来强化乙醇合成核心途径的表达量可以有效提高乙醇合成效率。

 

 

参考文献

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