微藻可能成为可持续农业的未来 　　你可能无法在早餐、午餐和晚餐时消化大豆，但你吃的动物却可以。主要农作物的种植面积是英国面积的五倍，其中85%用于动物饲料。由于预计世界人口和食肉的全球中产阶级都将迅速增长，到2050年，大豆的需求将增长80%，超过任何其他主食作物。 　　由于可耕地的稀缺，我们对动物产品的需求已经导致了亚马逊和其他热带雨林的大面积砍伐。需求的大幅增长很可能导致更多的破坏，而此时正是我们需要遏制全球变暖的第二大原因的时候。 　　但这种毁灭还不确定。我最近去冰岛考察了一项提高光合作用的尖端商业技术。它可以帮助保存生物多样性,CO₂吸吮至关重要的生态系统的健康我们的地球。 　　光合作用的特点 　　光、二氧化碳和水赋予植物生命。通过光合作用，植物将这三种成分转化为繁盛所需的重要碳水化合物。但令人惊讶的是，传统农业对这些因素几乎没有控制。它依靠阳光来灌溉，虽然灌溉大大提高了作物产量，但水资源短缺往往是农民面临的一个问题。 　　一片大豆地侵蚀着亚马逊雨林。 　　这种新方法在冰岛的Hellisheidi地热公园进行了试验，将阳光与LED灯、淡水与含盐量更高的“微咸”水以及环境空气与高浓度二氧化碳进行交换，控制它们在名为光生物反应器的创新模块中的浓度。把它们想象成核反应堆，除了以高浓度的二氧化碳和光为输入，以有机物质为输出。 　　这些光生物反应器的设计目的不是种植大豆，而是种植植物微生物。在管不同的形状和大小,富含微仔细搅拌,水分、光照、水,和₂。使用与NASA太空旅行系统相同的逻辑，他们回收碳、磷和氮。与传统农业相比,这些闭环模块允许更大的控制和测量的肥料和水,更高效地利用有限公司₂,风险低污染的农作物损失,害虫,风暴。 　　最重要的是，它们最大化了光合作用的关键成分:光的效率。通过保持微藻液的不断流动，密切调节温度和采收时间，这些微生物暴露在最大健康的光照下，摆脱了昼夜循环和天气的自然限制。 　　相当不同。 　　利用这一技术，光生物反应器可以提供与大豆相似的营养含量，且在土地和水的使用中所占比例不到0.6%。生产单位使用130 m²每年增长10500公斤的生物质–在资源效率提高200倍。 　　一种可伸缩的解决方案 　　这些反应堆的生态足迹很小。冰岛的反应堆是地热供电的，可以与任何形式的可再生电力配套使用。碳的生产成本后,他们公司₂净吸收器。它们消除了对杀虫剂和除草剂的需求。它们可以放在贫瘠的土地上，也可以像乐高积木一样垂直堆放。模块化设计甚至可以部署在城市中心。 　　关键是，这项技术具有成本效益。主要得益于大麻的商业化，LED技术现在比以前便宜得多，效率也更高，最近的其他工程创新也进一步降低了成本。如果把大豆种植造成的环境和社会危害的货币成本考虑在内，微藻现在的性价比要高得多，尽管生产商需要更高水平的初始投资。虽然从传统农业向技术技能的转变需要短期的密集培训，但对农民和各州来说，这种成本将被更大的利润和更容易的生产所抵消。…

　欧洲航天局尝试用“光生物反应器”作为航天员的氧气和营养来源 　　空客公司将一个光生物反应器(PBR)实验系统带到国际空间站。该反应器由斯图加特大学开发，由空客公司代表德国航空航天中心(DLR)建造，旨在将国际空间站上的“LSR”生命支持系统所提取的部分二氧化碳转化为氧气和营养物质，这将有助于在未来长期太空任务中节约宝贵的资源。 未来太空探索的任务是将航天员送上月球和火星。任务成功的一个决定性因素将是将资源消耗保持在最低限度。由于从地球运送新的供应品既困难又昂贵，因此尽可能最大程度地实现水、氧和食物的各自资源循环是至关重要的。目前，大多数废水已经在国际空间站上被重新处理成淡水。 自2018年10月以来，欧洲航天局(ESA)的生命支持系统(LSR)一直在国际空间站上。它由空客公司制造，以前被称为ACLS(高级闭环系统)，它收集航天员呼出的二氧化碳，并通过电解将其转化为氧气。国际空间站实验“PBR LSR”是一项旨在将二氧化碳转化为氧气和生物质的技术演示。为了实现这一目标，PBR将与LSR以物理化学混合的方法连接，并运行长达180天，在此期间，系统的稳定性和藻类培养的性能将被记录和评估。 　小球藻是一种富含蛋白质的光合产物，目前已被广泛应用于食品(补充剂)中。在未来，大约30%的航天员食物可以被这种藻类营养物所替代。 小球藻所需的二氧化碳大部分将由LSR提供。如果没有可用的二氧化碳，藻类也可以从飞船上携带的瓶子中获取。藻类每14天被加入营养液，同时被稀释以允许新的藻类有空间生长。一旦实验完成，将对培养出的藻类的性能和生命周期进行评估，并将几个样本送回地球进行基因分析。技术上重要的下一个发展阶段，将是加工收获的藻类来生产食品。小球藻作为一种蛋白质来源，已经被广泛应用于食品中。 在“PBR LSR”中使用的混合方法，不仅有利于长期的太空任务，还将在更广泛的意义上实现资源节约，促进地球上可持续发展的实践。…

　　告别“靠天吃饭”，微藻异养培养大显身手 　　在进入今天的主题前，首先向大家明确几个基本概念。我们知道，能源和碳源作为一切生物生长的基础，所谓的“光合自养”“光能异养”“化能自养”和“化能异养”型生物，它们的差异也主要体现在这几个方面。 　　“光合自养”型生物中的能源和碳源来源分别为光和二氧化碳，与其不同的是，“光合异养”型生物中只以有机化合物而非二氧化碳作为它们的碳源。“化能自养”型生物中的能量来源是通过无机或有机化合物的氧化作用，其碳源是二氧化碳，而“化能异养”型生物生长所需的能源和碳源均为有机化合物（如葡萄糖）。 　　“靠天吃饭”的光自养培养模式 　　微藻是单细胞生物，可以用作生产能源、食品、饲料的原料，在工业领域有着广阔的应用前景。 　　一直以来，藻类被认为像高等植物一样必须通过光合作用（利用光和二氧化碳）才能实现细胞生物质合成，即光自养培养模式。但这种培养模式基本只能“靠天吃饭”，受外界环境条件如温度、光强、日照时间等的限制，细胞浓度较低，一般只能达到0.5-1.5g/L。 　　图1开放式跑道池自养培养 　　此外，开放式光自养培养模式下的微藻易遭受浮游动物或细菌污染，正因如此，通过这种培养方式进行商业化生产的微藻品种极其有限，仅有耐强碱（pH9-10）螺旋藻、耐高盐（NaCl浓度高于30%）杜氏盐藻和能够快速增殖的小球藻。 　　图2自养培养下小球藻被浮游动物吞噬 　　异养模式虽好，但是也不是所有微藻都适用 　　实际上，很多微藻可不依赖于光和二氧化碳，它们可以在完全黑暗条件下利用有机物质进行异养生长。由于这种培养方式摆脱了对光的限制，微藻的生长速率比在光照条件下快得多，优势也是显而易见： 　　l微藻异养培养所需的能源及碳源均由有机碳源来提供，首先解决了能源限制问题； 　　l由于异养是在密闭的发酵罐中进行，整个培养系统采用蒸汽进行灭菌，从而解决了被其它微生物污染的问题； 　　l异养培养过程中的温度、pH、营养物的供应等都能得到较好的控制，细胞浓度可高达到100-200g/L。 　　然而，并非所有的微藻都能够进行异养生长。不能异养培养的最主要因素是，微藻自身不具备完善的吸收利用胞外有机碳和有机氮的机制。 　　具体来说，一是有些微藻因为有机物难以透过细胞膜进入细胞或者缺乏浓缩有机物的能力而不能被异养；二是有机物在细胞内进行代谢所需的酶系统不完善,有机物不能被有效利用,造成某些微藻难以异养；三是在异养条件下,某些微藻因呼吸作用所提供的能量不足以维持其生长而不能异养。…