微藻生物能源的产业化进程及其在CO2减排中的应用进展

基于微藻能源的第三代生物燃料,是一种通过微藻的光合作用积累生物量和油脂而获得的新型清洁生物能源。微藻是由阳光驱动的细胞工厂,它可以在常温常压下实现对CO2的高效吸收,通过微藻细胞高效的光合作用,将光能转化为脂肪或淀粉等碳水化合物的化学能,并释放出O2。将就生物能源、微藻生物能源及其在CO2减排中的应用和产业化进程进行总结和展望。     

利用烟道气培养微藻的机制与应用

微藻生物柴油是唯一有潜力代替传统化石燃料解决交通用油问题的可再生生物能源,但其产业化主要受到微藻培养高成本的制约。工业废气(烟道气)不仅含有大量CO2,还含有硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)。因此,利用烟道气培养产油微藻既可以降低微藻生物柴油的生产成本,又可以减少温室气体和污染气体的排放。综述了微藻液体悬浮培养系统吸收、转化CO2、SOX和NOx的机理和利用烟道气培养微藻的研究与实践,基于微藻细胞具有高效吸收、转化CO2、SO2和NOx的能力,提出了建立微藻产油、固碳、脱硫、除硝一体化模式来帮助解决当前能源和环境问题的设想。     

产生物柴油微藻培养研究进展

石油的大量使用会导致能源枯竭和温室气体（CO2）排放的增加。为了实现经济和环境的和谐发展,必须使用可再生能源代替石油。可再生能源使用后不会造成温室气体排放的增加。生物柴油是一种理想的可再生能源, 能满足以上要求,所以近年来得到迅速发展。微藻是一种主要利用太阳能固定 CO2,生成制备生物柴油所需油脂的藻类。因此以微藻油脂为原料转化成的生物柴油是石油理想的替代品。简要介绍了产油微藻的种类和微藻油脂的合成,较详细地阐述了微藻自养培养、异养培养、生物反应器、工程微藻的最新研究进展,并初步展望了微藻产油研究的未来发展方向。     

微藻固碳技术研究现状及发展思路

人类工农业生产造成大量CO2的排放,特别是化石原料的大量使用,使大气中CO2浓度升高,产生温室效应.采用微藻固碳技术对集中排放的CO2进行合理利用,是一个实现碳减排和碳循环的可行方法.如何经济合理的实现该技术的产业化成为关键.文章对微藻固碳技术的研究现状进行了归纳分析,并对微藻固定CO2技术的发展及产业化前景进行了探讨.     

利用乙醇发酵副产CO2培养富含淀粉亚心型四爿藻作为其补充原料

建立了乙醇发酵耦联微藻培养系统,研究了利用酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae乙醇发酵副产CO2为碳源,培养富含淀粉的亚心形四爿藻Tetraselmis subcordiformis,作为乙醇发酵补充原料的可行性。在连续光照培养条件下,间歇式培养7 d,反应器中藻细胞密度达到2.0 g/L左右,胞内淀粉含量约45％。微藻细胞收集后,经超声处理和酶法水解,葡萄糖释放量为胞内淀粉总量的71.1％。S. cerevisiae发酵微藻生物质水解液生产乙醇,其得率达到理论值的87.6％。表明乙醇发酵耦联微藻培养可行,既减少了CO2向环境的排放,又收获了富含淀粉的微藻生物质作为乙醇发酵的补充原料,节省粮食类淀粉质原料的消耗。     

微藻减排CO2制备生物柴油的研究进展

碳减排与可再生能源的开发利用是研究可持续发展的热点,而微藻在此方面具有巨大优势.利用微藻减排CO2合成生物柴油生产原料油脂,对于解决能源短缺和全球变暖具有重大战略意义.将碳减排与微藻生物柴油的制备方法相结合,对微藻转化CO2合成生物油脂的机制,微藻油脂积累的影响因素以及国内外在工业上的研究概况等方面进行综合归纳和评述,并对微藻生物油脂的发展前景进行了展望.     

不同二氧化碳浓度培养对两株栅藻碳固定速率及油脂积累的影响

正人类在利用化石燃料的过程中会导致大量有害温室气体CO_2的排放,促进全球气候变暖。微藻可通过光合作用固定CO_2,同时大量的微藻生物质还能作为生物能源的原料[1],因此,越来越多的研究关注于微藻生物固碳以达到降低碳排放的目的。利用微藻光合作用进行CO_2固定是一种能量节约型和环境友好型技术手段[2]。在利用微藻进行CO_2生物固定以及生物燃料生产时,研究微藻的CO_2固定能力、CO_2对微藻的生长以及油脂积累的影响等都是十分重要的。国内外利用微藻进行生     

利用基因工程技术提高微藻油脂含量的研究进展

利用微藻油脂制备生物柴油因具有重要的战略意义而受到世界各国的重视,成为近年来的研究热点。利用微藻制备生物柴油具有生长周期短、易于大规模培养、能大量吸收CO2及不占用耕地等优点。但是,由于对藻类油脂合成代谢中的调节机制了解不多,导致微藻基因组研究相对滞后,极大地限制了微藻生物能源的大规模开发和利用。随着现代生物技术的发展,通过基因工程、代谢工程等方法调控微藻脂类的合成代谢,提高藻类含油量和生物量已成为可能。概述了微藻中油脂的合成代谢,归纳总结利用基因工程技术提高微藻油脂含量的研究进展,为获得含油量高的工程微藻及微藻制备生物柴油提供技术储备。     

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。     

微藻采收方法的研究进展

微藻的生产过程可以实现能源生产、废水净化和CO2减排的高度耦合,在能源危机日益紧张、环境问题日趋严峻的今天,微藻的开发利用具有重要的研究价值和经济、社会效益。制约微藻产业化的瓶颈问题是采收成本过高,一种经济合理的采收方法不但可以大大降低生产成本,还可以奠定微藻产业化发展的基础。本文对目前应用较为普遍的微藻采收方法进行了介绍,重点阐述了絮凝法采收微藻,以期对微藻的低成本高效率采收以及产业化发展提供帮助。     

利用外源γ-氨基丁酸调控海洋绿藻亚心形四爿藻淀粉积累

微藻被看作第三代生物质能源的来源。微藻淀粉结构与高等植物的高度相似性使其可以作为粮食作物的替代,在生物能源领域有广泛的应用。γ-氨基丁酸(GABA)被认为是一种信号分子,可以调节植物细胞的生长代谢。本研究在缺氮培养条件下添加外源GABA调控海洋绿藻亚心形四爿藻生理代谢和淀粉积累。结果表明,添加外源GABA可以抑制细胞生长,降低光合作用效率;OJIP实验显示,GABA的添加增强了光合器官能量耗散,降低了光能利用效率,阻碍了电子传递,造成额外胁迫,从而促使细胞将碳流更多地分配到淀粉积累,导致藻细胞的淀粉含量、淀粉产量和淀粉产率提高。添加10 mmol/L GABA获得最大淀粉含量39%DW,比未添加GABA的对照组淀粉含量提高39%;同时获得最大淀粉产量和产率为1.72 g·L^-1和0.36 g·L^-1·d^-1,分别比未添加GABA的对照组提高39%和50%。以上结果表明在缺氮条件下添加外源GABA是一种调控亚心形四爿藻细胞代谢并提高其淀粉生产的有效方法。     

New look at starch degradation in Arabidopsis thaliana L. chloroplasts

Transitory starch is accumulated during the day and is the main source of energy for the cell metabolism during the night. The observed periodical starch degradation has become a model often used by scientist in their experiments. Starch granule degradation could be divided into 2 periods: initiation of degradation and digestion of amylopectin and amylose into maltooligosaccharide and their derivative. Key meaning is attributed in this process to beta-amylaze, product of its activity beta-maltose is transported to the cytosole and there it subjects farthest conversions. It has been demonstrated that a number of enzymes take part in the starch degradation process. However, the way of regulating their activity is still not fully explained. There is most important elements effecting rate of starch decomposition: day cycle, starch phosphorylation and regulation of enzyme activity. It proceeds through redox potential, pH changes and phosphorylation of protein involved in starch degradation due specific phosphatases. The purpose of the current work is to systematize the knowledge of the Arabidopsis thaliana L. leaf starch degradation. The results of the recent research cast a new light on the starch degradation process as well as on its control.     

Developments and perspectives of photobioreactors for biofuel production

The production of biofuels from microalgae requires efficient photobioreactors in order to meet the tight constraints of energy efficiency and economic profitability. Current cultivation systems are designed for high-value products rather than for mass production of cheap energy carriers. Future bioreactors will imply innovative solutions in terms of energy efficiency, light and gas transfer or attainable biomass concentration to lower the energy demand and cut down production costs. A new generation of highly developed reactor designs demonstrates the enormous potential of photobioreactors. However, a net energy production with microalgae remains challenging. Therefore, it is essential to review all aspects and production steps for optimization potential. This includes a custom process design according to production organism, desired product and production site. Moreover, the potential of microalgae to synthesize valuable products additionally to the energetic use can be integrated into a production concept as well as waste streams for carbon supply or temperature control.     

莱茵衣藻中脂质代谢过程研究进展

微藻中脂质代谢产生的化合物,可用于生物燃料、营养品和生物药品的生产,因此具有重要的经济价值。脂质代谢贯穿微藻的全部生命过程,对微藻的生长发育和应对外界胁迫都具有重要意义。微藻与研究较清楚的真菌和陆地植物在脂质代谢过程方面具有相似性。当然,随着微藻脂质代谢相关功能基因逐渐被鉴定,人们发现微藻的脂质代谢也具有区别真菌和陆地植物的独特性,因此针对微藻脂质代谢过程的分析具有重要意义。莱茵衣藻是研究脂质代谢过程的模式生物,已经通过基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等方法,对其质体、内质网和过氧化物酶体中进行的脂质合成和分解过程进行了研究。本文总结了近年来莱茵衣藻质体、内质网和过氧化物酶体中脂质代谢过程的研究成果,并进行综合阐述。     

微藻废水生物处理技术研究进展

微藻因生长速率快、细胞脂质含量高及具有生物隔离二氧化碳能力,已作为新一代生物质能源受到广泛关注.然而,投入大量淡水资源并需在生长期间持续提供营养物质已成为规模化培育微藻的主要障碍.将微藻培育系统与废水处理相结合是经济可行的污水资源化方案.基于微藻生长期间对氮磷等营养物质的利用机制,本文综述了微藻在各类废水生物处理过程中的应用情况,着重分析了其对废水中有机与无机化合物、重金属以及病原体的去除或抑制能力.同时,考察了废水初始营养物浓度、光照、温度、pH与盐度以及气体交换量等环境因素对微藻生长代谢的影响.此外,结合微藻规模化应用所面临的问题,对微藻废水处理技术的应用前景及发展方向进行了展望,旨在为水生态系统的建设与管理提供参考.     

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。     

A state of the art of metabolic networks of unicellular microalgae and cyanobacteria for biofuel production

The most promising and yet challenging application of microalgae and cyanobacteria is the production of renewable energy: biodiesel from microalgae triacylglycerols and bioethanol from cyanobacteria carbohydrates. A thorough understanding of microalgal and cyanobacterial metabolism is necessary to master and optimize biofuel production yields. To this end, systems biology and metabolic modeling have proven to be very efficient tools if supported by an accurate knowledge of the metabolic network. However, unlike heterotrophic microorganisms that utilize the same substrate for energy and as carbon source, microalgae and cyanobacteria require light for energy and inorganic carbon (CO₂ or bicarbonate) as carbon source. This double specificity, together with the complex mechanisms of light capture, makes the representation of metabolic network nonstandard. Here, we review the existing metabolic networks of photoautotrophic microalgae and cyanobacteria. We highlight how these networks have been useful for gaining insight on photoautotrophic metabolism.     

Metabolic and photosynthetic consequences of blocking starch biosynthesis in the green alga Chlamydomonas reinhardtii sta6 mutant

Upon nutrient deprivation, microalgae partition photosynthate into starch and lipids at the expense of protein synthesis and growth. We investigated the role of starch biosynthesis with respect to photosynthetic growth and carbon partitioning in the Chlamydomonas reinhardtii starchless mutant, sta6, which lacks ADP‐glucose pyrophosphorylase. This mutant is unable to convert glucose‐1–phosphate to ADP‐glucose, the precursor of starch biosynthesis. During nutrient‐replete culturing, sta6 does not re‐direct metabolism to make more proteins or lipids, and accumulates 20% less biomass. The underlying molecular basis for the decreased biomass phenotype was identified using LC–MS metabolomics studies and flux methods. Above a threshold light intensity, photosynthetic electron transport rates (water → CO₂) decrease in sta6 due to attenuated rates of NADPH re‐oxidation, without affecting photosystems I or II (no change in isolated photosynthetic electron transport). We observed large accumulations of carbon metabolites that are precursors for the biosynthesis of lipids, amino acids and sugars/starch, indicating system‐wide consequences of slower NADPH re‐oxidation. Attenuated carbon fixation resulted in imbalances in both redox and adenylate energy. The pool sizes of both pyridine and adenylate nucleotides in sta6 increased substantially to compensate for the slower rate of turnover. Mitochondrial respiration partially relieved the reductant stress; however, prolonged high‐light exposure caused accelerated photoinhibition. Thus, starch biosynthesis in Chlamydomonas plays a critical role as a principal carbon sink influencing cellular energy balance however, disrupting starch biosynthesis does not redirect resources to other bioproducts (lipids or proteins) during nutrient‐replete culturing, resulting in cells that are susceptible to photochemical damage caused by redox stress.     

微藻生物质制备燃料乙醇关键技术研究进展

燃料乙醇作为一种优良的可再生液体燃料,其开发利用受到了人们的广泛关注。微藻是一种高光合、高产生物量的生物质资源,很多的藻体细胞中含有大量的淀粉、纤维素（Iα型）等多糖物质,是制备燃料乙醇的优良原料。发展利用微藻制备燃料乙醇技术工艺,对于缓解我国目前日益短缺的能源问题,减少温室气体排放和环境污染等具有很好的应用前景。综述了国内外利用微藻生物质制备燃料乙醇中所用到的关键技术、存在的问题以及今后的发展前景等。