記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所日前開發(fā)的高固碳能力工業(yè)產(chǎn)油微藻細(xì)胞工廠，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)環(huán)保的海洋微藻利用新模式。
地球固碳的“主力軍”
人類活動(dòng)排放的二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致了全球氣候變化和海洋酸化等重大環(huán)境和社會(huì)問題。利用工業(yè)產(chǎn)油微藻將煙道氣等工業(yè)二氧化碳排放源直接轉(zhuǎn)化為柴油等生物燃料，對于減少溫室氣體排放，遏制全球氣候變暖具有重大意義。
包括微藻在內(nèi)的海洋浮游植物適應(yīng)了當(dāng)前地球大氣0.04%的二氧化碳含量，每年固定了全球二氧化碳固定量的40%。但煙道氣中的二氧化碳含量高于5%，是大氣碳含量的百倍以上。由此導(dǎo)致的培養(yǎng)環(huán)境酸化，在降低了生物污染發(fā)生幾率的同時(shí)，也通常會(huì)抑制工業(yè)產(chǎn)油微藻的生長與繁殖，大幅度降低了工業(yè)生物固碳產(chǎn)油過程的經(jīng)濟(jì)性。
自然界中，實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)的途徑，主要是通過生物體生命過程中的光合作用完成生物固碳。然而，樹木、植物只能緩慢吸收大氣中的二氧化碳，受土地面積的限制，其消納二氧化碳的總量與人類生產(chǎn)活動(dòng)的排放量比，十分有限。而與農(nóng)作物相比，微藻具有光合速率高、繁殖快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可調(diào)控以及可與其他工程技術(shù)集成等優(yōu)點(diǎn)，可獲得高效、立體、高密度的培養(yǎng)。據(jù)了解，每噸微藻生物約可固定2噸二氧化碳，且微藻培養(yǎng)過程可對點(diǎn)源排放的二氧化碳進(jìn)行利用。
微擬球藻是一種在世界各地均可室外大規(guī)模培養(yǎng)的工業(yè)產(chǎn)油微藻。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究人員提出其利用和耐受二氧化碳均與碳濃縮機(jī)制有關(guān)的科學(xué)假設(shè)。
“以微藻為代表的海洋浮游植物每年可固定全球二氧化碳固定量的40%，是當(dāng)前地球固碳的‘主力軍’。”該所單細(xì)胞中心主任徐健研究員表示，他們的主要研究就是利用工業(yè)產(chǎn)油微藻，將陽光和煙道氣（即煤等化石燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的對環(huán)境有污染的氣態(tài)物質(zhì)）等工業(yè)二氧化碳排放源直接轉(zhuǎn)化為柴油等生物燃料，既可保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。
“我們主要利用的微藻是一種名為‘微擬球藻’的工業(yè)產(chǎn)油微藻，可實(shí)現(xiàn)室外大規(guī)模培養(yǎng)，和其他微藻相比優(yōu)勢明顯。”單細(xì)胞中心助理研究員魏力介紹說，微擬球藻具有生長速度快、二氧化碳耐受能力強(qiáng)、海水淡水均可培養(yǎng)、遺傳操作較完善等突出優(yōu)點(diǎn)。
讓微藻“返祖”
據(jù)介紹，工業(yè)微藻能夠?qū)㈥柟夂蜔煹罋庵苯愚D(zhuǎn)化為生物柴油，因此是應(yīng)對全球氣候變暖的重要舉措之一。然而煙道氣中高濃度的二氧化碳及其導(dǎo)致的酸性培養(yǎng)條件，往往抑制了微藻的生長，因此提高二氧化碳耐受性是設(shè)計(jì)與構(gòu)建超級(jí)光合固碳細(xì)胞工廠的關(guān)鍵技術(shù)之一。
“科研團(tuán)隊(duì)雖然找到了合適的微藻品種，但在實(shí)驗(yàn)起步階段，由于煙道氣中的二氧化碳濃度較高，微藻的生長狀態(tài)并不理想。”魏力說。
如果不解決微藻的二氧化碳耐受性問題，就難以設(shè)計(jì)和構(gòu)建超級(jí)光合固碳細(xì)胞工廠。因此，科研人員根據(jù)微藻特性提出了一個(gè)科學(xué)假設(shè)，找到微藻感應(yīng)二氧化碳的“關(guān)鍵靶點(diǎn)”，對它的碳濃縮機(jī)制動(dòng)“手術(shù)”，從而解決這一問題。
據(jù)了解，藻類等植物被認(rèn)為是約5.1億年前出現(xiàn)的，那段時(shí)間的地球大氣中，二氧化碳濃度高，是當(dāng)前地球大氣二氧化碳濃度的二十幾倍。“這也就證明了，藻類在逐漸進(jìn)化，適應(yīng)低濃度的二氧化碳環(huán)境。我們希望通過一種方式，讓工業(yè)微藻‘返祖’。”魏力說，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)人為的破壞或抑制微藻的碳濃縮機(jī)制可達(dá)到這一效果。
據(jù)介紹，在類似煙道氣的環(huán)境中，通過靶向敲低位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的一個(gè)特殊的碳酸酐酶基因的工程微擬球藻株，其生物質(zhì)產(chǎn)量能提高30%以上，而且含油量不受影響。
或可改造火星大氣
3月21日，國際學(xué)術(shù)期刊《代謝工程》刊載了中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細(xì)胞中心的研究成果。通過開發(fā)高固碳能力的工業(yè)產(chǎn)油微藻細(xì)胞工廠，不僅對于工業(yè)煙道氣直接轉(zhuǎn)化生物柴油具有應(yīng)用價(jià)值，對于人類拓展生存空間也有重要意義。
“研究表明，這種改良性狀適應(yīng)性極強(qiáng)，且具有相當(dāng)穩(wěn)定的遺傳性。”徐健表示，經(jīng)過改良后，工程藻株研究實(shí)現(xiàn)新進(jìn)展，藻株的生長優(yōu)勢只在煙道氣培養(yǎng)條件下展現(xiàn)，若在空氣濃度二氧化碳下，工程藻株則喪失了生長優(yōu)勢。因此，該研究成果不僅證明工業(yè)微藻的二氧化碳含量適應(yīng)性可以理性調(diào)控，而且發(fā)明了一種原創(chuàng)的工程藻株生態(tài)控制策略。
當(dāng)前，全球各國對于碳排放問題越來越重視。《巴黎氣候協(xié)定》明確了將全球氣溫較工業(yè)化前水平的增幅控制在2°C以內(nèi)，以此避免極地冰層融化和海平面上升的后果。但據(jù)全球碳項(xiàng)目科學(xué)家初步預(yù)計(jì)，2018年的全球碳排放增幅預(yù)計(jì)達(dá)到2.7%，較前年1.6%的增速進(jìn)一步加快。
在碳排放逆勢上揚(yáng)的環(huán)境下，青島能源所研究團(tuán)隊(duì)的這一新思路不僅對于工業(yè)煙道氣直接轉(zhuǎn)化生物柴油具有應(yīng)用價(jià)值，對于人類生存空間的改造與拓展也有啟發(fā)。
例如，火星是最有希望實(shí)現(xiàn)載人登陸的地外行星。但是火星大氣中95%是二氧化碳，因此對火星大氣的改造是人類大規(guī)模殖民火星的前提。
本研究展示的高二氧化碳耐受性的工業(yè)微擬球藻，不僅能夠?qū)⒍趸嫁D(zhuǎn)化為氧氣，而且能夠按需生產(chǎn)生物柴油和食用油脂，因此或許可作為第一代“火星移民”，肩負(fù)改造火星大氣層的重任。（記者 王晶）
轉(zhuǎn)自：中國海洋報(bào)
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