基于文献计量学的微藻生物技术发展趋势

微藻作为一类单细胞光合生物,具有光能利用率高、生长速度快、生物活性成分和储能物质含量高等特点,在食品、饲料、生物能源、碳减排和废水处理等领域具有广阔的应用前景。本文系统查阅了近年来国内外微藻领域发表的相关文献和专利,藉此对微藻生物技术领域的研究进展及存在问题进行了梳理和分析,并对我国微藻生物技术的科技布局、重要成果及发展瓶颈进行了概述,最后对微藻生物技术的发展趋势予以展望。     

微藻在废水处理和生物质回收再利用方面的研究进展

随着经济的发展和人口的增加,环境污染和水资源短缺已经成为不可避免的全球性问题。基于微藻的废水处理技术不仅可以净化废水、解决环境污染问题,还可以利用废水中的营养元素合成生物质,现如今这种技术已经受到越来越多的关注。为了进一步提高废水处理效果、降低废水处理成本,有必要了解微藻去除废水中营养物质和污染物的机理,开发下游低成本收获技术,提升微藻高价值副产物的生产。本文综述了微藻去除碳、氮、磷、重金属、抗生素和有机物的机理和影响因素,总结了微藻的不同收获方式和微藻生物质在各个领域的应用。最后,分析了不同微藻共培养体系和微藻固定化技术的优缺点,并展望了微藻废水处理技术未来的发展方向。     

微藻源生物刺激剂的制备及在设施农业中的应用

化肥和农药的过量使用导致的农业面源污染已经成为我国环境污染的重要组成部分,对农业绿色高效安全生产及设施农业带来了巨大挑战。寻找新型的传统化肥替代品、提高化肥使用效率及保护生态环境是亟待解决的重大问题。生物刺激剂是具有调控植物生长作用的成分和(或)微生物的统称,用于农业生产,可改善土壤理化性质与群落微生物,能促进作物的代谢与生长,增强对营养物质的吸收和利用,提升作物抗逆能力及提高作物产量与产品品质。微藻体内具有结构新颖、功能独特的天然活性物质,是制备新型生物刺激剂的理想来源。微藻用于环境治理的同时,可获得足量的微藻生物质来制备生物刺激剂,从而达到治理环境、降低成本及提质增效的目的。就微藻源生物刺激剂的定义及功能、微藻全细胞和天然活性物质生物刺激剂的制备、应用效果及对植物和土壤的作用原理进行综述,以期为微藻源强效生物刺激剂的规模化制备及农业生产应用奠定理论基础和提供生产实践指导。     

微藻培养系统内光现象的研究进展

分析了微藻培养系统内光传递过程的数学模型和光分布影响因素,重点综述了光暗循环对微藻生长影响的实验研究和CFD技术应用研究进展,展望了微藻培养系统内光现象的发展方向,以期为规模化、高效微藻培养光生物反应器的设计、优化和放大提供参考。     

利用废水培养微藻的研究进展

微藻被认为是一种有潜力的、可被开发为再生能源的重要生物材料。一些微藻种类具有较强的异养和混养能力,能直接利用有机物作为碳源。工农业生产和城市生活中所排放的废水中通常含有大量的有机碳、氮、磷等营养物质。利用废水培养微藻,一方面可以将废水中的碳、氮、磷等营养物质转化为具有更高价值的微藻生物质,另一方面又可实现废水的净化和营养物质的再利用。本综述了不同种类废水的特点,讨论了两类微藻培养模式的优劣,同时还探讨了微藻对营养元素的利用,并总结了微藻培养需突破的瓶颈。     

微藻生物柴油的现状与进展

微藻生物柴油能够解决目前使用植物原料发展生物柴油面临的耕地不足、气候变化对产量影响大和引起农作物价格上涨等突出问题。通过转基因技术培育“工程微藻”,繁衍能力高,生长周期短,比陆生植物产油高出几十倍,并且能用海水作为其天然培养基进行工业化生产。介绍了微藻生物柴油的优势,高脂质微藻选育,以及工程微藻研究与下游生产工艺的研究现状和进展。     

基于微藻培养处理畜禽养殖废水的研究进展

当前规模化畜禽养殖业排放含有大量氮磷、重金属和有机污染物的粪污废水,导致生态环境遭受严重的污染,治理畜禽废水的任务迫在眉睫。由于传统畜禽废水处理方式及应用存在较多不足,基于微藻生物技术处理废水的研究得到越来越多的关注。微藻是一种广泛存在于水体中的单细胞生物,具有高效的脱氮除磷及纳污能力,其主要利用同化作用吸附污水中的氮,通过磷酸化作用吸附、沉降磷,依靠细胞膜上的官能团对重金属进行富集。基于以上生理基础,大多数微藻的氮磷吸附率和重金属富集率可以高达80%。目前微藻对畜禽废水污染组分的处理的研究主要集中在氮磷、重金属,实际应用方式多为高效藻类塘、活性藻、固定化技术、光生物反应器等。但是微藻处理畜禽废水仍存在分子机理研究较少,生产实际经验不足等问题。基于微藻处理畜禽废水的机理,通过综述若干微藻去除氮磷、重金属等污染物的效率,总结国内外微藻废水处理技术的研究及存在问题,展望了微藻废水工程发展前景。     

微藻规模化培养研究进展

微藻作为地球上最古老的物种之一,其诞生可追溯到35亿多年前。微藻的种类十分丰富,形态也多种多样。微藻一般都含有叶绿体,因此可进行光合作用,有研究表明微藻固定CO_2的能力是陆地植物的10倍。微藻以其丰富的代谢产物及独特的生理特性在可再生能源、生物医药、食品工业和环境监测等方面有着广泛的应用。然而如何在控制成本的前提下对微藻进行规模化培养成为困扰微藻应用行业的一大难题。为此,本文将从微藻的生化特点及其在各领域中的应用、微藻的规模化培养和微藻的采收3个方面对微藻的规模化培养近十年的研究进展进行综述,旨在为微藻高效培养、低成本采收的研究开发提供参考。     

微藻-细菌共生体系在废水处理中的应用

在微藻-细菌协同共生的过程中,藻类光合作用释放的氧气被异养微生物利用来矿化水体中的污染物,细菌呼吸为藻类提供二氧化碳作为碳源。近年来,藻类-细菌协同共生体系在污水处理中的应用得到了广泛的研究。本文重点综述了菌藻协同共生体系中微藻与细菌之间的三种相互作用,以及菌藻协同共生体系在废水处理中的应用。菌藻协同共生体系中的微藻与细菌通过营养交换、信号转导及基因转移等相互作用实现共赢。该体系广泛用于处理富营养化、重金属、药物、多环芳烃(polycyclicaromatic hydrocarbons,PAHs)、石油烃化合物等难降解的有机污染的水体。对于氮、磷等营养物质的去除,其主要机理涉及同化作用、厌氧氨氧化作用、硝化与反硝化作用、磷酸化作用等。对重金属、药物、石油烃化合物及其他有机化合物的去除机制主要是生物吸附、生物富集及细胞内外的生物降解。     

光生物反应器培养微藻研究进展

微藻具有固定CO2和净化有机废水的能力,在环保、食品饲（饵）料、医药和生物能源开发等领域备受关注,但规模化培养及其产业化仍是研究的难点,亟待解决。就常用于大规模培养微藻的光生物反应器的特点和结构进行了综述。其中,封闭式微藻光生物反应器能够较好地调控藻种的培养条件、不易遭受污染,藻种的纯度容易控制,但培养规模小,生产成本较高;而开放式微藻光生物反应器无法精确控制藻种生长环境,但生产规模大、产量高、生产成本低,因此应用广泛。最佳的方法是综合两者优点,即首先利用封闭式微藻光生物反应器进行中试放大,大量繁殖藻种,然后投入开放式微藻光生物反应器内进行大规模商业生产,此方法有望成为微藻光生物反应器的发展方向,以期为微藻大规模培养提供参考借鉴。     

废水培养微藻藻种遴选及其组分积累的研究进展

利用废水培养微藻能够降低微藻的培养成本,同时削减污染.微藻的蛋白质、多糖和油脂等组分是影响其后续资源化利用的重要因素.本文重点综述了以废水为基质培养微藻的研究进展,从组分积累的角度,分析了微藻种类的选择依据,探讨了影响微藻生长的因素和提高产量的方法,并对藻体中组分的合成机制进行了讨论,提出未来废水培养微藻技术面临的挑战...     

藻类胞外聚合物的产生因素及其在污水处理和生物絮凝方面的应用

藻类胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)是一种复杂的高分子聚合物,主要由多糖、蛋白质等物质组成。由于EPS具有独特的结构、大的比表面积及含有大量官能团等物理-化学特性,使其在污水处理及微藻生物质的絮凝回收等方面都有着非常重要的作用。本文系统介绍了EPS的组成及特性,重点论述了影响藻类EPS产生的生物因素及非生物因素,如光照、营养盐、pH及温度等,并对EPS在污水处理及生物絮凝方面的应用进行了总结。对藻类EPS产生机制及机理的深入研究有望为微藻提供更广阔的应用前景。     

微藻两阶段培养技术研究进展

微藻细胞富含油脂、淀粉及其他高值代谢物,可用于食品、饲料、化学品和能源的生产。但在规模化培养中,微藻的高生长速率和高产物含量难以兼得,制约了其商业化应用。通过微藻的两阶段培养技术可以将生长和产物积累的时期分离,从而同时获得较高的微藻生物量和产物含量。该技术具有产品得率高、节能减排、适用范围广的优点,是推进微藻商业化的关键之一。本综述总结了现有微藻两阶段培养技术的优势和产品类型,解析了目前微藻两阶段培养技术的限制因素及发展前景,并提出微藻两阶段培养中存在阶段转换时间尚不明确、中间采收步骤成本高这两个限制该技术应用的关键瓶颈,从而为未来微藻两阶段培养技术规模化生产方案的科学决策与实施提供参考。     

Experimental and theoretical investigations of rotating algae biofilm reactors (RABRs): Areal productivity,nutrient recovery,and energy efficiency

Microalgae biofilms have been demonstrated to recover nutrients from wastewater and serve as biomass feedstock for bioproducts. However, there is a need to develop a platform to quantitatively describe microalgae biofilm production, which can provide guidance and insights for improving biomass areal productivity and nutrient uptake efficiency. This paper proposes a unified experimental and theoretical framework to investigate algae biofilm growth on a rotating algae biofilm reactor (RABR). Experimental laboratory setups are used to conduct controlled experiments on testing environmental and operational factors for RABRs. We propose a differential–integral equation-based mathematical model for microalgae biofilm cultivation guided by laboratory experimental findings. The predictive mathematical model development is coordinated with laboratory experiments of biofilm areal productivity associated with ammonia and inorganic phosphorus uptake by RABRs. The unified experimental and theoretical tool is used to investigate the effects of RABR rotating velocity, duty cycle (DC), and light intensity on algae biofilm growth, areal productivity, nutrient uptake efficiency, and energy efficiency in wastewater treatment. Our framework indicates that maintaining a reasonable light intensity range improves biomass areal productivity and nutrient uptake efficiency. Our framework also indicates that faster RABR rotation benefits biomass areal productivity. However, maximizing the nutrient uptake efficiency requires a reasonably low RABR rotating speed. Energy efficiency is strongly correlated with RABR rotating speed and DC.     

二氧化碳减排产柴油微藻培养体系研究进展

污水资源化、二氧化碳减排及微藻生物柴油是当前能源与环境领域的前沿课题。以下围绕污水及烟道气资源化培养产油微藻的培养体系,就藻种、营养条件、培养方式、培养环境及微藻生物反应器等影响产油微藻培养的因素研究进展进行了综述。在综述的基础上提出：由于微藻具有特殊营养方式,通过藻种筛选、微藻营养条件和培养环境的优化以及高效光生物反应器和生产工艺等的创新,可利用污水进行产油微藻生产,以获得生物柴油等高附加值产品,实现微藻生物能源、污水资源化处理和CO2减排三者高度耦合的产油微藻生产体系,从而减少微藻培养费用及污水处理费用,因此,该体系具有重要的环境、社会、经济价值和商业化应用前景。