微藻的研究現(xiàn)狀及展望

微藻的研究現(xiàn)狀及展望

世界經(jīng)濟的現(xiàn)代化與石化燃料的開發(fā)和應用相輔相成。然而,由于人們的過度開采,化石燃料終將會枯竭?；剂系睦?也造成環(huán)境的嚴重污染,因此,清潔、可再生能源的開發(fā)成為了各國研究的重點。目前專家學者研究的主要范圍包括風能、水能、太陽能、生物能源等。生物能源是可再生能源的一種,它具有潛在大規(guī)模替代汽油和柴油的可能性,因此一直是國內(nèi)外研究的熱點。到目前為止,生物能源的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代生物能源是以玉米為主要原料生產(chǎn)乙醇。第二代生物能源以秸稈、枯草等非糧作物中的纖維素為主要原料,生產(chǎn)乙醇、纖維素乙醇和生物柴油等。第三代以產(chǎn)油微生物為主,其中又以海水微藻的研究最多。某些微藻因含油量高、易于培養(yǎng)、單位面積產(chǎn)量大等優(yōu)點,而被視為新一代甚至是唯一能實現(xiàn)完全替代石化柴油的生物柴油原料。RenéWijffels和MariaBarbosa預測,藻類可能在未來的10~15年中成為燃料給料的一個重要來源。微藻生物質(zhì)與能源植物相比,具有光合作用效率高、生長周期短、生物質(zhì)產(chǎn)量高的優(yōu)勢。在同樣條件下,微藻細胞生長加倍時間通常在24h內(nèi),對數(shù)生長期內(nèi)細胞物質(zhì)加倍時間可短至3.5h,生物質(zhì)生產(chǎn)能力遠遠高于陸地能源植物。就單位面積的產(chǎn)油量計算,微藻產(chǎn)油可達陸地油料作物產(chǎn)油量的30倍。微藻還可以利用鹽堿地、沙漠、海域來養(yǎng)殖,存在不與糧爭地及不與人爭糧的巨大優(yōu)勢。獲得大量的微藻生物質(zhì)是微藻生物能源發(fā)展的首要前提,而優(yōu)良的微藻種質(zhì)是提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量、降低原料成本的關(guān)鍵。產(chǎn)油量較高的部分藻類含油量占干重的比例分別是小球藻(Chlorellasp.,28%-32%)、葡萄藻(Botryococcus,25%-75%)、三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum,20%-30%)、杜氏鹽藻(Dunaliellaprimolecta,23%)等。1維燃料系統(tǒng)從可持續(xù)發(fā)展的角度來看,利用微藻實現(xiàn)CO2的減排符合自然界環(huán)保、經(jīng)濟、徹底的循環(huán)模式。因此藻類制備生物燃料成為了一種CO2減排及利用的新方式。陳明明等人利用誘變育種技術(shù)對用來固定CO2的微藻進行育種,獲得耐受高CO2濃度、可高效固定CO2的斜生柵藻突變株WUST-04,并成功的在5L的光生物反應器中初步研究了該微藻的固碳工藝。隨著這方面的研究成果的不斷發(fā)展,微藻固碳產(chǎn)油技術(shù)必定成為將來CO2減排的主要途徑。2影響微藻生長和脂肪積累的主要因素2.1營養(yǎng)脅迫對微藻油脂含量的影響國內(nèi)外大量研究表明:正常情況下,來自不同種類的產(chǎn)油微藻大多數(shù)油脂產(chǎn)率較低。在營養(yǎng)脅迫條件下,細胞分裂停止而細胞繼續(xù)積累油脂。葡萄藻(Botryococcusbraunii)在氮饑餓壓力下其油脂含量可從46%增加到54%;杜氏藻(Dunaliellasalina)在適度鹽度脅迫下,油脂含量可以從60%提高到70%;而小球藻在高鐵離子濃度脅迫下,中性脂含量也可提高到56.6%。硅缺乏會導致新吸收的碳更多的用于脂類合成,并且之前吸收的碳逐漸由非脂類化合物轉(zhuǎn)化成脂類。雖然營養(yǎng)脅迫可能會增加微藻油脂的含量,但會使細胞總數(shù)及培養(yǎng)液油脂產(chǎn)率減少。因此,微藻首先在沒有限制條件的情況下生長,待微藻生長到穩(wěn)定期后,再在脅迫條件下培養(yǎng)。此法雖然一定程度上限制了微藻生長速率,但使微藻積累了營養(yǎng)物質(zhì),因而并不減少生物量。2.2微藻脂肪酸組成和不飽和度對e溫度對油脂的積累的影響是隨藻種不同而不同的,并且影響的變化也是不一致的。近些年來溫度對微藻積累油脂的影響的研究不是很多,李文權(quán)等人研究表明溫度對微藻的脂肪酸組成及其不飽和度影響差別較大,隨著溫度的升高,球等鞭金藻、鹽生杜氏藻、三角褐指藻TPUFA百分含量下降,TMUFA和TSFA百分含量提高;而小球藻的TPUFA、TMUFA百分含量和脂肪酸平均雙鍵數(shù)隨溫度上升先減少后增大,于20℃左右有最小值。TSFA百分含量則是先增加后降低。由于溫度低會導致微藻的生物量減少,從而影響PUFA的總產(chǎn)量,所以,在生產(chǎn)過程中先將微藻在最適溫度下培養(yǎng)一段時間,再轉(zhuǎn)入低溫中使其積累較高的PUFAs。2.3tuf對中性油脂合成的影響光是微藻培養(yǎng)中影響其生長及生化成分變化的重要因子之一。研究表明光照對油脂的積累影響是不一致的。一般而言,低光強能誘導極性油脂的合成,而高光強則能導致中性油脂的積累。廖啟斌等報道三角褐指藻和小球藻TUFA含量隨著照度的增加呈下降趨勢。而孫麗芹等報道一定范圍內(nèi)高光照有利于TUFA的積累,尤其有利于DHA和亞麻酸含量的增加,但是過高的光照反而不利于不飽和脂肪酸含量的增加。3微藻產(chǎn)油研究方法3.1藻種的篩選和表面改性1978-1996年,美國能源部通過國家可再生能源實驗室啟動的一項利用微藻生產(chǎn)生物柴油的“水生生物種計劃”,從3000余種微藻中篩選出300多種油脂含量較高的微藻。1990-2000年,日本國際貿(mào)易和工業(yè)部資助了一項名為“地球研究更新技術(shù)計劃”的項目,耗資近3億美元,分離出10000多種微藻,并篩選出多株耐受高CO2濃度和高溫、生長速度快、能形成高細胞密度的藻種。近年來,以中國科學院各研究所為代表的相關(guān)研究機構(gòu)在藻種的篩選領(lǐng)域已開展了大量的工作,目前篩選出富油富烴微藻66株。產(chǎn)油微藻大多是生長在海洋,要從海洋中得到一株高產(chǎn)油脂的微藻首先要進行微藻的分離和純化。微藻分離的幾種常用方法有樣品系列稀釋法、水滴分離法、微吸管分離法、固體培養(yǎng)基分離法等。對微藻細胞中產(chǎn)油量的定性定量分析研究,有些專家提出了用尼羅紅進行染色分析。隨著近幾年研究的深入,鄭曉東等人發(fā)明了一種快速篩選高油脂含量微藻的方法,在96孔板上用不同培養(yǎng)基種類和濃度條件對水樣進行分離培養(yǎng),采用酶標儀檢測490nm處的吸光值來快速反應藻類的生長情況,采用熒光染料尼羅紅進行染色檢測藻類體內(nèi)的油脂的含量,最后篩選出生長速度快、含油量高的微藻。對藻株進行誘變篩選是獲得優(yōu)良藻種的另一條途徑。向文洲等通過對綠球藻進行誘變,不但提高了其在極端適應條件下的生長速率,而且使其在未充分誘導條件下的含油量達到了46%。隨著藻類生物學相關(guān)研究的不斷深入,利用現(xiàn)代分子遺傳技術(shù)對藻株進行遺傳改造已成為可能。迄今為止,雖然轉(zhuǎn)基因藻類的商業(yè)應用還未見報道,但有幾個基因工程藻類已經(jīng)展現(xiàn)出了初步的應用前景。如美國選育的轉(zhuǎn)ACCase基因硅藻藻株Cyclotellacryptica和Naviculasaprophila。3.2培養(yǎng)藻類時控制2.微藻培養(yǎng)技術(shù)是影響微藻生物質(zhì)合成速率的另一關(guān)鍵因素。目前藻類培養(yǎng)主要包括自養(yǎng)和異養(yǎng)兩種方式,其中以自養(yǎng)為主,也有很多開展微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的研究。光自養(yǎng)培養(yǎng)采用的反應器主要有兩大類:一類是開放式光生物反應器,即開放池培養(yǎng)系統(tǒng);另一類是封閉式光生物反應器,包括水平池和傾斜池等。與開放式培養(yǎng)系統(tǒng)相比較,封閉式光生物反應器具有以下優(yōu)點:藻類的培養(yǎng)條件、生長參數(shù)容易控制;培養(yǎng)環(huán)境穩(wěn)定;容易控制污染,可以實現(xiàn)無菌培養(yǎng);全年生產(chǎn)期較長,產(chǎn)率較高;能夠維持較高的藻液濃度,能一定程度地降低采收成本等。碳源是微藻自養(yǎng)培養(yǎng)必不可少的條件之一,因此向培養(yǎng)裝置中通CO2或空氣是目前微藻自養(yǎng)培養(yǎng)研究的熱點。有資料報道,通CO2微藻生物量一天內(nèi)可增加4倍,并能使養(yǎng)殖成本降低1/2。這樣可利用煤炭火力發(fā)電廠、煉鋼廠、垃圾處理廠等排出的CO2或直接通CO2(空氣)來解決大規(guī)模培養(yǎng)所需的碳源問題。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)不受光照的影響,生長速度快,可以取得更高的產(chǎn)量,同時可縮短培養(yǎng)周期,采用傳統(tǒng)的發(fā)酵裝置進行培養(yǎng),占地面積小。同時生產(chǎn)技術(shù)和發(fā)酵知識基礎(chǔ)成熟,流程控制程度高,培養(yǎng)過程不受環(huán)境條件影響,降低采收成本。而且,異養(yǎng)培養(yǎng)已顯示出比光自養(yǎng)培養(yǎng)更高的體積產(chǎn)率和油脂含量。但異養(yǎng)微藻需要足夠的氧氣來分解有機底物,因此氧的供應往往是異養(yǎng)培養(yǎng)的最大的限制因素。一般來說異養(yǎng)培養(yǎng)下微藻總脂含量與光合營養(yǎng)相比有所增加?？姇粤岬韧ㄟ^異養(yǎng)轉(zhuǎn)化細胞工程技術(shù)獲得了高脂含量的異養(yǎng)小球藻細胞,其脂含量高達細胞干重的55%,是自養(yǎng)藻細胞的4倍。3.3氣浮法和超濾法藻細胞的采收是微藻產(chǎn)油過程中提高產(chǎn)量的限制因素之一。微藻的采收目前有離心法、氣浮法、超濾法、絮凝法等。實驗室普遍采用的是離心法,此法不足之處在于操作繁瑣、易使細胞破碎且能耗較大。氣浮法是一種實現(xiàn)固液快速分離的新型分離技術(shù)?，F(xiàn)在己有許多應用氣浮法對微藻細胞進行采收的報道,曾文爐等以螺旋藻為模型藻,較為詳細地研究了理化因素對藻細胞連續(xù)氣浮采收效率的影響。超濾法是以膜兩側(cè)的壓力差為推動力,在被處理料液流經(jīng)表面具有微小孔徑的不對稱結(jié)構(gòu)超濾膜時,實現(xiàn)不同分子量物質(zhì)的分離等物理分離過程。宮慶禮等人報道此技術(shù)也能應用到單細胞微藻的濃縮采收過程中。絮凝法是一種傳統(tǒng)的生物分離方法,此項技術(shù)已被應用到微藻細胞的采收過程中。3.4微藻生物質(zhì)的萃取將冷凍干燥的微藻干粉,經(jīng)充分研磨后,進行油脂的提取,目前常用的提取微藻油脂的方法有很多種,報道較為常用的方法有有機溶劑法和超臨界CO2流體萃取法等。有機溶劑法,如Bligh等的氯仿-2-甲醇提取法等,微藻生物質(zhì)采油率約90%,其優(yōu)勢在于成本相對較低。目前也有人用超臨界CO2流體萃取方法對微藻進行采油,并且有較高的采油率。但是這一方法設(shè)備比較昂貴、操作條件要求高,工業(yè)化也存在一定困難。因此,目前急需發(fā)展操作簡單、經(jīng)濟可靠的微藻油脂高效提取技術(shù)。3.5燃料揮發(fā)油的應用酯交換法是當前制備生物柴油的常用方法。通過酯交換反應可以使天然油脂的分子量降至原來的1/3,黏度降低約8倍,同時也提高了燃料揮發(fā)度,各項指標與柴油接近。最近一些研究人員正在探索油脂通過加氫裂化制備生物柴油的技術(shù)。加氫裂化技術(shù)獲得的產(chǎn)物是烷烴生物柴油,其成分與石化柴油完全相同,可以與石化柴油以任意比例混合使用,甚至完全替代石化柴油,同時加氫裂化工藝可以采用目前石油煉制工廠的現(xiàn)有工藝與設(shè)備,因此具有投資少、容易產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢,是微藻油脂加工的重要發(fā)展方向。3.6天然氣資源利用微藻生物質(zhì)發(fā)酵制取生物燃氣也是微藻能源利用的一個重要方面,中國科學院青島生物能源與過程研究所在該方面開展了一些研究,自行開發(fā)出了適于藻類生物質(zhì)發(fā)酵的CSTR反應系統(tǒng),并以提油后藻渣為原料,通過初步優(yōu)化,產(chǎn)氫量可達40ml/gdw以上。生物燃氣通過凈化完全可以達到甚至超過現(xiàn)有天然氣的標準,對于開發(fā)可再生天然氣資源具有重要意義。同時,微藻光解水產(chǎn)氫以及微藻制乙醇也是微藻能源利用的另外兩個方面。21世紀初,微藻氫化酶的分離和新厭氧方法的建立,使微藻制氫進入新的研究階段。微藻除含有豐富的油脂以外,還含有豐富的生物活性物質(zhì),尤其是一些有獨特醫(yī)療功效的物質(zhì),如微藻脂肪酸、色素、多糖、維生素、甾醇等,有些還可直接或經(jīng)加工后用于化工、食品工業(yè)和飼料工業(yè)等。因此在對微藻進行油脂提取處理后,剩余藻渣仍可繼續(xù)進行利用,從中提取多聚糖、蛋白、色素等高附加值生物活性物質(zhì),并將這些物質(zhì)分離提純,應用于醫(yī)藥方面,而殘余物還可用于發(fā)酵