張一昕，趙兵濤，熊鍇彬，張忠孝，郝小紅，劉濤

1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093

2 中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院，青島 266003

近年來(lái)，溫室效應(yīng)導(dǎo)致的氣候變暖問(wèn)題已經(jīng)成為全球關(guān)注的環(huán)境、科學(xué)、政治和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題[1]。在所有溫室氣體中，CO2對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大，大氣中的 CO2濃度已經(jīng)從工業(yè)革命前的 0.028%增長(zhǎng)至0.036%[2]。目前，普遍認(rèn)為人類(lèi)活動(dòng)所釋放的CO2是造成大氣中CO2濃度升高的主要原因，其中很大一部分來(lái)自于石化燃料的燃燒。隨著對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)，單純的通過(guò)提高能源利用效率來(lái)控制CO2的排放已經(jīng)難以為繼，采用穩(wěn)定、安全和環(huán)境可接受 CO2捕捉和封存 (CCS) 技術(shù)已經(jīng)成為控制CO2排放的重要手段。

在CCS技術(shù)中，首先通過(guò)煙氣分離、富氧燃燒和燃燒前分離等手段在生產(chǎn)能源的過(guò)程中把CO2分離出來(lái)。然后，把CO2儲(chǔ)存到地下蓄水層和深海中以避免CO2重新釋放到大氣中。海洋微藻生物固定煙氣中的 CO2作為一種不同于物理、化學(xué)分離法(例如吸收法、吸附法和中和反應(yīng)) 的新型氣體分離技術(shù) (圖1)，已成為一種重要和有效的CCS技術(shù)。其基本原理是微藻通過(guò)光合作用把煙氣中的CO2作為碳源加以吸收利用并轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)。近年來(lái)，對(duì)生物法固定燃燒煙氣中的CO2進(jìn)行了廣泛的研究。結(jié)果表明，微藻生物固定煙氣中CO2是一種有效的CCS技術(shù)，并具有大規(guī)模應(yīng)用于減少燃燒煙氣中CO2排放的潛力。

基于微藻固定燃燒煙氣中 CO2技術(shù)的巨大潛力，本實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，開(kāi)展了對(duì)該技術(shù)的研究工作，并取得了一定進(jìn)展。本文將結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究，對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)該技術(shù)在藻種的篩選和培養(yǎng)、高效光生物反應(yīng)器的研發(fā)和微藻固碳產(chǎn)物的利用等方面的研究情況進(jìn)行綜述和總結(jié)，并對(duì)其技術(shù)前景進(jìn)行展望。

1 微藻生物固定CO2的優(yōu)勢(shì)

生物固定 CO2是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循環(huán)中起決定作用。生物固定和封存CO2是通過(guò)光合作用利用光能把水、CO2和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物，無(wú)需額外的能源消耗，也不會(huì)帶來(lái)二次污染，利用此法來(lái)進(jìn)行CO2減排是符合自然界循環(huán)和節(jié)省能源的理想方式。能利用該法進(jìn)行固碳的主要是植物、光合細(xì)菌以及藻類(lèi)。

與通過(guò)物理法和化學(xué)法實(shí)現(xiàn)CO2的固定和封存相比較，微藻生物固定CO2具有光和速率高、生長(zhǎng)速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和CO2的分離和捕捉成本低等優(yōu)點(diǎn)。如果可以獲得合適的藻種，此方法可直接用于固定煙氣中的CO2。微藻能夠把CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物和油脂，因此微藻固碳產(chǎn)生的藻體可以用于生產(chǎn)食物、化學(xué)產(chǎn)品和生物質(zhì)能源。因?yàn)榫哂幸陨蟽?yōu)點(diǎn)，所以微藻固定CO2有望成為一種技術(shù)上可行且具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的CO2固定方法[3-4]。

圖1 常見(jiàn)的CCS技術(shù)路線(xiàn)圖Fig. 1 Typical technical scheme of industrial CO2 capture and storage.

2 微藻固定燃燒煙氣中CO2的研究進(jìn)展

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微藻固定CO2的研究主要集中在以下 3個(gè)方面：篩選和培養(yǎng)生長(zhǎng)速度快、能夠耐受高濃度CO2、SOx、NOx等污染物的藻種；高效光生物反應(yīng)器的研發(fā)；微藻固碳產(chǎn)物的利用。

2.1 藻種的篩選培養(yǎng)以及煙氣中污染物的影響

當(dāng)CO2的濃度高于 5%時(shí)，大多數(shù)微藻的生長(zhǎng)將受到抑制[5-6]，而工業(yè)排放的氣體中的CO2濃度一般為 10%~20%，并同時(shí)含有對(duì)微藻有毒害作用的物質(zhì)，例如 SOx、NOx等。因此，用于直接固定工業(yè)排放的氣體中的CO2的微藻除了要求對(duì)CO2的轉(zhuǎn)化率高、生長(zhǎng)速率快、耐受pH范圍寬之外，還要能夠耐受高CO2濃度和耐受SOx、NOx等有害物質(zhì)。

Sakai等[7]分離篩選出了可耐受高濃度 CO2和高溫的藻種Chlorella H-84和A-2，當(dāng)CO2濃度不超過(guò)40%時(shí)對(duì)這兩種藻的生長(zhǎng)影響很小，同時(shí)這兩種藻能夠耐受42 ℃的高溫，當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃時(shí)則無(wú)法生長(zhǎng)，在20% CO2和40 ℃的條件下其生長(zhǎng)率達(dá)到最大值。Sung等[8]分離得到了一種可耐受高濃度 CO2并且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的藻種 Chlorella sp. KR-1，在CO2濃度為10%時(shí)此藻種的生長(zhǎng)率達(dá)到最大，其藻干重最大日增長(zhǎng)量達(dá)到1.15 g/(L·d)，培養(yǎng)6 d后藻液濃度可達(dá)到5.7 g/L，當(dāng)CO2濃度提高至30%~50%時(shí)藻細(xì)胞濃度仍能達(dá)到較高的水平，當(dāng)CO2濃度提高至70%時(shí)，培養(yǎng)6 d后藻液濃度只能達(dá)到0.71 g/L。當(dāng)pH值在4以上變化時(shí)Chlorella sp. KR-1的生長(zhǎng)幾乎不受影響，當(dāng)pH為3.5時(shí)則其生長(zhǎng)被完全抑制；當(dāng)溫度在 25 ℃~35 ℃之間時(shí)，Chlorella sp. KR-1的生長(zhǎng)狀況最好，當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃時(shí)其生長(zhǎng)受到輕微的抑制。de Morais等[9]從熱電廠的廢物處理池中分離出了Scenedesmus obliquus和Chorella kessleri，在工作容積為1.8 L的光生物反應(yīng)器中進(jìn)行通氣培養(yǎng)，在光照期每小時(shí)供氣15 min，流量為0.54 L/min，并測(cè)定了它們?cè)诓煌珻O2濃度下的生長(zhǎng)特性。Scenedesmus obliquus在CO2濃度為6%時(shí)生比長(zhǎng)率為0.261 d?1，高于通空氣培養(yǎng)時(shí)的比生長(zhǎng)率 0.216 d?1，在 CO2濃度為 12%和 18%時(shí)Scenedesmus obliquus的生長(zhǎng)率和在CO2濃度為6%時(shí)無(wú)明顯差別。Chorella kessleri在CO2濃度為6%和12%時(shí)的比生長(zhǎng)率達(dá)到0.267 d?1，為最大值，當(dāng)CO2濃度達(dá)到18%時(shí)其比生長(zhǎng)率降至0.199 d?1，但仍生長(zhǎng)得較好。Hanaga等[10]的研究表明Scenedesmus和 Chorella可以在 CO2濃度高于 50%的條件下生長(zhǎng)。de Morais等[11]在對(duì)Spirulina sp.的研究中采用3個(gè)工作容積為1.8 L的光生物反應(yīng)器串聯(lián)通氣，每個(gè)反應(yīng)器底部都設(shè)有鼓泡裝置，光照期每2 h供氣15 min，流量為 0.3 vvm (Volume gas per volume media per min)，發(fā)現(xiàn)其在CO2濃度為6%時(shí)比生長(zhǎng)率達(dá)到最大值 0.44 d?1，在 CO2濃度增至12%時(shí)仍能快速生長(zhǎng)，比生長(zhǎng)率可達(dá)0.33 d?1。這些藻種均可適應(yīng)工業(yè)排放氣體中所含有的高濃度 CO2。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)Chorella sp.在燃燒煙氣CO2濃度條件下進(jìn)行馴化培養(yǎng)，并把馴化后的藻種用于不同煙氣特性條件包括不同流量和不同濃度條件下的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用工作容積為1 L的光生物反應(yīng)器，在光照期通過(guò)反應(yīng)器底部的鼓泡裝置連續(xù)供氣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在CO2濃度為10%時(shí)Chorella sp.的最大比生長(zhǎng)率可達(dá)0.6 d?1，高于CO2濃度為15%和20%時(shí)。對(duì)藻液的供氣量同樣會(huì)影響微藻的生長(zhǎng)，當(dāng)通入流量為100 mL/min的含有15% CO2的氣體時(shí)，在7 d的培養(yǎng)后Chorella sp. 的濃度增長(zhǎng)了13.8倍；當(dāng)氣體流量為200 mL/min和300 mL/min時(shí)，Chorella sp.的濃度增長(zhǎng)倍數(shù)分別降低了28%和55%。結(jié)果表明，除了CO2濃度之外，氣體流量對(duì)微藻的生長(zhǎng)和固碳性能也有著重要的影響。由于生物固定的機(jī)制是光合作用，因此固碳效率受其制約影響，通常狀況下不會(huì)變成CO2的零排放。一般而言，微藻對(duì)煙氣中CO2的固碳效率與藻種、培養(yǎng)方式、生物條件和煙氣條件有關(guān)，尤其與CO2濃度密切相關(guān)。例如，Chen等[32]培養(yǎng)的Chlorella vulgaris 對(duì)0.15%的CO2的脫除率可達(dá)到 55.3%。de Morais等[11]篩選獲得的Spirulina sp.和Scenedesmus對(duì)12%的CO2的脫除率分別只有7%~17%和4%~9%。Chiu等[12]對(duì)其培育的對(duì) CO2具有較高脫除率的 Chlorella sp.的研究表明，Chlorella sp.對(duì)CO2的脫除率隨著CO2濃度的升高而降低，在CO2濃度分別為2%、5%、10%和15%時(shí)Chlorella sp.對(duì)CO2的脫除率分別為58%、27%、20%和16%。表明低濃度CO2在很大程度上有利于固碳效率的提高。

SOx和NOx是除了高CO2濃度之外抑制藻生長(zhǎng)的重要因素。經(jīng)過(guò)脫硫、脫硝處理后，工業(yè)排放的煙氣中的SOx和NOx通常仍在0.02%以上，而大多數(shù)能夠耐受高濃度CO2的的藻種僅僅能夠在SOx和NOx的含量為0.005%的條件下生長(zhǎng)。因此，為了能夠直接利用微藻固定煙氣中的CO2，國(guó)內(nèi)外對(duì)在SOx和NOx影響下微藻的生長(zhǎng)情況和固碳效果做了大量研究[13-16]。Maeda等[17]分離出了一種可耐受高濃度CO2的藻種Chlorella sp. T-1，當(dāng)CO2濃度在50%以下變化時(shí)對(duì)該藻的生長(zhǎng)無(wú)明顯的影響，當(dāng)CO2濃度為15%且氣體中含有0.002% SOx和0.006% NOx時(shí)該藻的生長(zhǎng)和氣體中不含SOx和NOx時(shí)無(wú)明顯差別。當(dāng)氣體中SOx和NOx的含量分別增加至0.008%和0.024%時(shí)，Chlorella sp. T-1無(wú)法生長(zhǎng)，同時(shí)pH值下降至3.0以下；當(dāng)添加CaCO3以阻止pH下降時(shí)則Chlorella sp. T-1可正常生長(zhǎng)。Matsumoto[18]的研究指出，SOx本身并不會(huì)抑制微藻的生長(zhǎng)，但隨著SOx濃度的升高所帶來(lái)的培養(yǎng)液的 pH值降低會(huì)降低微藻的生長(zhǎng)率。Lee等[19]對(duì)分離出的藻種Chlorella sp. KR-1在SOx和NOx的影響下的培養(yǎng)特性進(jìn)行了研究，當(dāng)CO2濃度為15%且含有0.006% SO2時(shí)Chlorella sp. KR-1的生長(zhǎng)率為1.24 g/(L·d)，比不含SO2時(shí)的1.66 g/(L·d) 減少了約25%，隨著SO2含量的增加藻細(xì)胞的密度有明顯下降，當(dāng)SO2為0.01%時(shí)Chlorella sp. KR-1的生長(zhǎng)率為0.78 g/(L·d)，當(dāng)SO2的濃度升高至0.015%時(shí)Chlorella sp. KR-1的生長(zhǎng)完全被抑制；在 CO2濃度為 15%且含有0.01% NO時(shí)Chlorella sp. KR-1的生長(zhǎng)情況和不含NO時(shí)無(wú)明顯差別，當(dāng) NO的濃度增至 0.03%時(shí)則Chlorella sp. KR-1無(wú)法生長(zhǎng)。但是通過(guò)對(duì)pH的控制可以提高Chlorella sp. KR-1對(duì)SOx和NOx的耐受能力，可在氣體中含有0.025% SO2和0.03% NO的條件下表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)狀況。岳麗宏等[20]在對(duì)其分離獲得的Chorella sp. ZY-1在SOx和NOx的影響的生長(zhǎng)特性的研究中得到了與 Lee相符的結(jié)論。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)Chorella sp.在SOx和NOx的影響下的生長(zhǎng)和固碳性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)馴化的Chorella sp.可在氣體中含有 0.01% SOx和 0.05% NOx的條件下生長(zhǎng)；當(dāng)控制藻液的pH恒定為5.5時(shí)，Chorella sp.表現(xiàn)出對(duì)SOx更好的耐受性。在進(jìn)一步研究 Hg+對(duì) Chorella sp.的生長(zhǎng)的影響中發(fā)現(xiàn)，Hg+的存在對(duì)Chorella sp.具有明顯的抑制作用，但隨著Hg+濃度的增加抑制作用增長(zhǎng)緩慢。Chorella sp.的生長(zhǎng)雖然會(huì)受到燃燒煙氣中污染物的抑制，但仍然對(duì)污染物有較強(qiáng)的耐受性，可以用于固定煙氣中的CO2，對(duì)其用于固定真實(shí)煙氣中的CO2的生長(zhǎng)和固碳性能有待于進(jìn)一步的研究。表1列出了部分適合直接用于固定煙氣中CO2的藻種。

表1 部分可用于固碳的藻種列表Table 1 Several strains of microalgae for flue gas CO2 fixation and theirs growth characteristics

針對(duì)燃燒煙氣而言，培養(yǎng)和選擇耐受高濃度CO2及煙氣中 SOx、NOx等污染物的微藻藻種是實(shí)現(xiàn)高效固碳的途徑之一。此外，也可采用對(duì)煙氣進(jìn)行稀釋的途徑進(jìn)行微藻固碳。這樣可同時(shí)降低 CO2濃度 (一般降低至2%左右) 和污染物的濃度，從而有效降低高濃度CO2和污染物對(duì)微藻固碳的脅迫作用以提高其固碳性能。但是這種方法需要附加對(duì)煙氣的檢測(cè)、稀釋和控制系統(tǒng)。因此，選擇能夠耐受高濃度CO2、SOx和NOx的微藻則可以直接把煙道氣用于微藻的培養(yǎng)，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低造價(jià)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于利用微藻直接固定真實(shí)煙氣中CO2的研究也已經(jīng)取得一定成果[19-26]。Matsumoto等[18]的研究發(fā)現(xiàn)藻種Tetra sp.可以被用于固定電站鍋爐的煙氣，煙氣中含有14.1% CO2、1.3% O2、0.0185% SOx、0.0125% NOx。用跑道式反應(yīng)器對(duì)Tetra sp.進(jìn)行培養(yǎng)，在5?9月期間Tetra sp.的最大生長(zhǎng)率為40 g/(m2·d)。Lee等[19]用鍋爐煙氣對(duì)其分離獲得的 Chlorella sp. KR-1進(jìn)行了生長(zhǎng)特性試驗(yàn)，燃用天然氣的鍋爐的煙氣含有的 NO低于 0.01%，并且不含 SOx，可用Chlorella sp. KR-1固定煙氣中的CO2，其固碳效率和在CO2濃度為10%時(shí)相當(dāng)；用燃用重油的鍋爐的煙氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)闊煔庵泻?.008%的SOx，所以其固碳效率下降了60%；通過(guò)提高初始接種密度可提高微藻耐受污染物的能力，當(dāng)接種密度為0.3 g/L時(shí)Chlorella sp. KR-1可在含有0.01% SO2和 0.03% NO的煙氣中表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)狀況。Yoo 等[26]分離出了耐受高濃度 CO2的藻種Scenedesmus sp.和Chlorella vulgaris，在10% CO2時(shí)其生長(zhǎng)率分別為218 mg/(L·d) 和105 mg/(L·d)，在實(shí)際煙氣條件下其生長(zhǎng)率分別為203 mg/(L·d) 和77 mg/(L·d)，這兩種藻均可較好的適應(yīng)煙氣條件。

不同藻種在相同的培養(yǎng)條件下會(huì)表現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)和固碳特性，這與藻種本身的生物特性有關(guān)；同一種藻經(jīng)過(guò)不同的馴化培養(yǎng)后也會(huì)表現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)和固碳特性，這可能與煙氣條件下對(duì)微藻的誘導(dǎo)變異有關(guān)。一些藻種可以很好的適應(yīng)煙氣條件，但關(guān)于如何進(jìn)一步提高其生長(zhǎng)率和進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。

2.2 高效光生物反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)

雖然在藻種的選育取得了顯著的成果，但是要使選育得到的優(yōu)良藻種在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中獲得高效的 CO2固定效果，合理的設(shè)計(jì)光生物反應(yīng)器是必不可少的。高效光生物反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)微藻高效固定 CO2的重要手段，高效光生物反應(yīng)器的研究和開(kāi)發(fā)一直是微藻培養(yǎng)和微藻固定 CO2技術(shù)的研究熱點(diǎn)[27-33]。

高效光生物反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)可分為 2個(gè)主要方面：提高光合利用效率；提高CO2在培養(yǎng)液中的汽液傳遞效率。

提高光合利用效率可從提高光生物反應(yīng)器的比表面積、和光源設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行。開(kāi)放式光生物反應(yīng)器 (循環(huán)池、跑道池等) 和密閉式光生物反應(yīng)器(主要分為管式、板式和錐式) 相比具有較大的比表面積，也較經(jīng)濟(jì)，但容易受到環(huán)境影響和污染，且由于 CO2利用率不高而無(wú)法實(shí)現(xiàn)微藻的高密度培養(yǎng)。Zhang等[29]設(shè)計(jì)了一種具有較大比表面積的密閉式光生物反應(yīng)器：板式光生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器的單板體積為200 L，長(zhǎng)200 cm，寬10 cm，高100 cm，氣體由均勻分布在反應(yīng)器底部的直徑為1 mm的小孔進(jìn)入，該反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)微藻Nannochloropsis sp.的高密度規(guī)模化連續(xù)培養(yǎng)，最大面積產(chǎn)率為 12 g/(m2·d)。通過(guò)光源的優(yōu)化設(shè)計(jì)也可以提高光合利用效率。光源的設(shè)計(jì)不僅要考慮高效光源的選擇，還要考慮光源的設(shè)置方式，即光線(xiàn)在反應(yīng)器內(nèi)的有效分布。太陽(yáng)光和普通的熒光燈是最常用的光源，也有些光生物反應(yīng)器選用發(fā)光二極管、光導(dǎo)纖維等作為光源。Hiratadeng等[30]設(shè)計(jì)了帶有太陽(yáng)光收集裝置的光生物反應(yīng)器，利用Chlorella sp.固定CO2獲得了很好的效果，充分利用了太陽(yáng)能，避免了額外的能量消耗。Arnaud Muller?Feuga等[31]設(shè)計(jì)了一種環(huán)形管式光生物反應(yīng)器，它由 8根環(huán)繞著光源的平行管組成，總?cè)莘e為10 L，受光面積為1.5 m2，用該光生物反應(yīng)器培養(yǎng)Porphyldium cruentum取得了很好的效果。

提高光生物反應(yīng)器內(nèi)CO2在培養(yǎng)液中的汽液傳質(zhì)效率同樣有利于微藻在光生物反應(yīng)器內(nèi)的生長(zhǎng)。常見(jiàn)的具有較高的氣液傳質(zhì)效率的光生物反應(yīng)器可分為鼓泡式、氣升式、中空膜式等。鼓泡式光生物反應(yīng)器可有效提高 CO2在培養(yǎng)液中的汽液傳質(zhì)效率，投資較少，是目前用于大規(guī)模密閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻投資最低的反應(yīng)器[32]；但鼓泡產(chǎn)生的湍流使得藻液的剪切力增大，容易損傷藻細(xì)胞，不適合用于培養(yǎng)無(wú)細(xì)胞壁的微藻?？等鹁甑萚33]構(gòu)建了一種氣升式內(nèi)環(huán)流光生物反應(yīng)器，在反應(yīng)器罐體的內(nèi)部加裝氣體提升管，提升管底部設(shè)有圓形氣體分布器，空氣和CO2混合后由氣體分布器進(jìn)入反應(yīng)器，形成均勻、細(xì)小的氣泡，具有較高的汽液接觸面積，可有效提高CO2與藻液汽液傳質(zhì)效率。程麗華等[34]采用在光生物反應(yīng)器旁串接中空纖維膜組件的方法改善供氣效果，不僅使氣泡更加細(xì)密均一，而且使氣泡在藻液中的停留時(shí)間從原來(lái)的2 s提高到20 s，使得微藻固定CO2的效率提高了5倍。雖然中空纖維膜組件可以提高CO2與藻液的傳質(zhì)效率，但是在使用過(guò)程中容易受到污染從而使中空纖維膜的傳質(zhì)系數(shù)值降低[35]，且中空纖維膜的成本較高，適合用于培養(yǎng)具有高附加值的微藻。光生物反應(yīng)器的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合確定。

2.3 微藻固碳產(chǎn)物的綜合利用

微藻固定CO2過(guò)程中產(chǎn)生的藻體含有大量有用的物質(zhì)，對(duì)藻體的有效利用可以帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，有效降低微藻固定CO2的成本。

微藻可作為人類(lèi)的食物，并且其中的一些成分有利于人類(lèi)的健康。傳統(tǒng)的人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)供給來(lái)自于動(dòng)植物，并且在市場(chǎng)中占支配地位。在最近三四十年對(duì)于有益于人體健康的水生微生物 (例如微藻)的研究的投入不斷加大，并且越來(lái)越多的得到了認(rèn)可[36]。微藻的蛋白質(zhì)含量多于蔬菜少于肉類(lèi)，比較適中。對(duì)Spirulina和Chlorella sp.組成成分和生物活性進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明這兩種藻適合食用[37]。Spirulina是人類(lèi)最經(jīng)常消費(fèi)的微藻之一，Spirulina主要用于健康食品的生產(chǎn)，因?yàn)槠溆兄谔岣呷梭w的免疫力，有助于阻止病毒感染和癌癥[36]。含有豐富類(lèi)胡蘿卜素的 Muriellopsis常用于防止和治療退化性疾病[38]。利用微藻生產(chǎn)具有高附加值的健康食品或藥物可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。微藻也可以用于生產(chǎn)動(dòng)物飼料或添加劑。Chae等[39]在光生物反應(yīng)器中利用微藻 Euglena gracilis固定煙道氣中的CO2，同時(shí)生產(chǎn)高蛋白易消化的動(dòng)物飼料，獲得了較好的效果。Lee等[40]成功的利用固定天然氣的煙氣所產(chǎn)生的微藻作為動(dòng)物飼料的添加劑，并且沒(méi)有在添加劑中發(fā)現(xiàn)有害物質(zhì)。

微藻還可用于制取生物燃料。Frenz等[41]通過(guò)萃取的方法從微藻 B. braunii中獲得了可作為柴油的替代燃料的氫氣?？姇粤岬萚42]利用正己烷從Chlorella sp.中提取獲得了大量油脂，這些油脂在30 ℃、醇油物質(zhì)的量比為56∶1以及濃硫酸催化的條件下經(jīng)酯交換反應(yīng)4 h可生成高質(zhì)量的生物柴油。所獲得的微藻生物柴油的密度為 0.864 kg/L、粘度5.2×10?4(40 ℃)。熱值高達(dá)41 MJ/kg，這些特征與傳統(tǒng)柴油相當(dāng)，具有很好的應(yīng)用前景。Sawayama等[43]的研究也證明了利用微藻制取生物柴油技術(shù)上的可行性，但過(guò)高的經(jīng)濟(jì)成本使得微藻制取生物柴油技術(shù)無(wú)法得到大規(guī)模應(yīng)用。微藻生物柴油是唯一能滿(mǎn)足全球需求的可再生的生物柴油，具有熱值高、生長(zhǎng)速率快、可實(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，有可能取代來(lái)自石油液體燃料，但目前生產(chǎn)微藻生物柴油的主要存在的成本問(wèn)題必須大幅改善，才能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論與展望

本文從耐受高濃度CO2和污染物的藻種選育、高效光生物反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)和微藻固碳產(chǎn)物的利用方面對(duì)微藻固定CO2的進(jìn)行了回顧和總結(jié)。國(guó)內(nèi)外對(duì)微藻固定 CO2技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了一定的進(jìn)展，但是對(duì)于微藻固定CO2的實(shí)際應(yīng)用仍存在很多問(wèn)題。例如，為了實(shí)現(xiàn)高CO2固定率，微藻的生長(zhǎng)率必須得到進(jìn)一步的提高；為了使此技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行，必須降低其成本。如果能將微藻固定 CO2技術(shù)和微藻制取生物柴油或高附加值產(chǎn)品相結(jié)合，例如所培養(yǎng)的微藻既能高效的固定 CO2，同時(shí)藻細(xì)胞內(nèi)的有用物質(zhì)又可以較容易地富集和獲得，則可以有效降低其成本，為解決氣候、環(huán)境、能源等問(wèn)題提供一種全新的方案。

REFERENCES

[1] Florides GA, Christodoulides P. Global warming and carbon dioxide through sciences. Environ Int, 2009, 35(2): 390?401.

[2] IPCC. Climate Change 2007: Synthesis Report. Geneva, Switzerland, IPCC, 2007.

[3] Usui N, Ikenouchi M. The biological CO2fixation and utilization project by RITE(1)?highly-effective photobioreactor system ?. Energy Convers Manage, 1997, 38(1): S487?S492.

[4] Murakami M, Ikenouchi M. The biological CO2fixation and utilization project by rite (2)?screening and breeding of microalgae with high capability in fixing CO2?. Energy Convers Manage, 1997, 38(1): S493?S497.

[5] Silva HJ, Pirt SJ. Carbon dioxide inhibition of photosynthetic growth of Chlorella. J Gen Microbiol, 1984, 130: 2833?2838.

[6] Lee YK, Tay HS. High CO2partial pressure depresses productivity and bioenergenetic growth yield of Chlorella pyrenoidosa culture. J Apple Phycol, 1991, 3(2): 95?101.

[7] Sakai N, Sakamoto Y, Kishimoto N, et al. Chlorella strains from hot springs tolerant to high temperature and high CO2. Energy Convers Manage, 1995, 36(6/9): 693?696.

[8] Sung KD, Lee JS, Shin CS, et al. CO2fixation by Chlorella sp. KR-1 and its cultural characteristics. Bioresour Technol, 1999, 68(3): 269?273.

[9] de Morais MG, Costa JA. Isolation and selection of microalgae from coal fired thermoelectric power plant for biofixation of carbon dioxide. Energy Convers Manage, 2007, 48(7): 2169?2173.

[10] Hanagata N, Takeuchi T, Fukuju Y, et al. Tolerance of microalgae to high CO2and high temperature. Int J Plant Biochem, 1992, 31(10): 3345?3348.

[11] de Morais MG, Costa JA. Biofixation of carbon dioxide by Spirulina sp. and Scenedesmus obliquus cultivated in a three-stage serial tubular photobioreactor. J Biotechnol, 2007, 129(3): 439?445.

[12] Chiu SY, Kao CY, Chen CH, et al. Reduction of CO2by a high-density culture of Chlorella sp. in a semicontinuous photobioreactor. Bioresour Technol, 2008, 99(9): 3389?3396.

[13] Hauck JT, olson GJ, Scierka SJ, et al. Effect of simulated flue gas on growth of microalgae. Proceeding of 212thACS National Meeting, 1996, 8: 25?30.

[14] Kurano N, Ikemoto H, Miyashita H, et al. Fixation and utilization of carbon dioxide by microalgal photosynthesis. Energy Convers Manage, 1995, 36(6/9): 698?692.

[15] Lee JN, Lee JS, Shin CS, et al. Methods to enhance tolerances of Chlorella KR-1 to toxic compounds in flue gas. Appl Biochem Biotechnol, 2000, 84/86(1/9): 329?342.

[16] Matsumoto H, Hamasakia A, Sioji N, et al. Influence of CO2, SO2and NO in flue gas on microalgae productivity. J Chem Eng Jpn, 1997, 30(4): 620?624.

[17] Maedal K, Owadai M, Kimura N, et al. CO2fixation from the flue gas on coal-fired thermal power plant by microalgae. Energy Convers Manage, 1995, 36(6/9): 717?720.

[18] Negoro M, Ikuta Y, Hamasaki A, et al. Carbon dioxide fixation by microalgae photosynthesis using actual flue gas discharged from a boiler. Appl Biochem Biotechnol, 1995, 39/40(1): 643?653.

[19] Lee JS, Kim DK, Lee JP, et al. Effects of SO2and NO on growth of Chlorella sp. KR-1. Bioresour Technol, 2002, 82(1): 1?4.

[20] Yue LH, Chen WG, Li JG, et al. Chrollera ZY-1 cultivation and its CO2fixation in the environmental condition of flue gases. J Qingdao Technol Univer, 2005, 26(6): 15?9.岳麗宏, 陳為公, 李建國(guó), 等. 煙氣環(huán)境條件下小球藻的生長(zhǎng)及其CO2固定. 青島理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 26(6): 15?19.

[21] Lee JS, Lee KW, Chio MJ, et al. A highly CO2and SOx tolerant microalgae and its utilization for CO2fixation. Jpn Patent, 2000, 23: 45?50.

[22] Brown LM. Uptake of carbon dioxide from flue gas by microalgae. Energy Convers Manage, 1996, 37(6/8): 1363?1367.

[23] Borowitzka MA. Large-scale algal culture systems: the next generation. Austral Biotechnol, 1994, 4(4): 212?215.

[24] Doucha J, Straka F, Livansky K. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor. J Appl Phycol, 2005, 17(5): 403?412.

[25] Negoro M, Hamsaki A, Ikuta Y, et al. Carbon dioxide fixation by microalgae photosynthesis using actual flue gas discharged from a boiler. Appl Biochem Biotechnol, 1993, 39/40(1): 643?653.

[26] Yoo C, Jun SY, Lee JY, et al. Selection of microalgae for lipid production under high levels carbon dioxide. Bioresour Technol, 2010, 101(1): S71?S74.

[27] Lee YK. Microalgal mass culture systems and methods: their limitation and potential. J Appl Phycol, 2001, 13(4): 307?315.

[28] Pulz O. Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms. Appl Microbiol Biotechnol, 2001, 57(3): 287?293.

[29] Zhang CW, Zmora O, Kopel R, et al. An industrial-size flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). Aquaculture, 2001, 195(1/2): 35?49.

[30] Hirata S, Hayashitani M, Taya M, et al. Carbon dioxide fixation in batch culture of Chlorella sp. using a photobioreactor with a sunlight-collection device. J Ferment Bioeng, 1996, 81(5): 470?472.

[31] Amaud-Feuga A, Guédes RL, Pruvost J. Benefits and limitations of modeling for optimization of Porphyridium cruentum cultures in an annular photobioreactor. J Biotechnol, 2003, 103(2): 153?163.

[32] Liu JN, Hu P, Yao L, et al. Advance of photobioteactor on microalgal cultivation. Food Sci, 2006, 27(12): 772?777.

[33] Kang RJ, Cai ZL, Shi DJ. An airlift photobioreactor for microalgae cultivation. Chem React Eng Technol, 2001, 17(1): 153?58.康瑞娟, 蔡昭鈴, 施定基. 用于微藻培養(yǎng)的氣升式光生物反應(yīng)器. 化學(xué)分應(yīng)工程與工藝, 2001, 17(1): 153?158.

[34] Cheng LH, Zhang L, Chen HL et al. Carbon dioxide removal from air by microalgae cultured in a membrane-photobioreactor. Sep Purif Technol, 2006, 50(3): 324?329.

[35] Yue LH, Chen BZ, Hu XM, et al. Study on CO2fixation effect of Chlorella ZY-1 when culture was supplied in CO2by the microporous hollow fibre membrane module. J Northeastern Univ: Nat Sci, 2002, 23(9): 487?490.岳麗紅, 陳寶智, 胡莜敏, 等. 中空纖維膜供氣小球藻固定 CO2的效果研究. 東北大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2002, 23(9): 487?490.

[36] Barrow C, Shahidi F. Marine nutraceuticals and functional foods. Seattle: CRC Press, 2008.

[37] Pulz O, Gross W. Valuable products from biotechnology of microalgae. Appl Microbiol Biotechnol, 2004, 65(6): 635?648.

[38] Del Campo JA, García-González M, Guerrero MG. Outdoor cultivation of microalgae for carotenoid production: current state and perspectives. Appl Microbiol Biotechnol, 2007, 74(6): 1163?1174.

[39] Chae SR, Hwang EJ, Shin HS. Single cell protein production of Euglena gracilis and carbon dioxide fixation in an innovative photobioreactor. Bioresour Technol, 2006, 97(2): 322?329.

[40] Lee JS, Kim DK, Lee JP, et al. CO2fixation by Chlorella KR-1 using flue gas and its utilization as a feedstuff for chicks. J Microbiol Biotechnol, 2001, 11: 772?775.

[41] Frenz J, Largeau C, Casadevall E, et al. Hydrocarbon recovery and biocompatibility of solvents for extraction from cultures of Botryococcus braunii. Biotechnol Bioeng, 1989, 34(6): 755?762.

[42] Miao XL, Wu QY. Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil. Bioresour Technol, 2006, 97(6): 841?846.

[43] Sawayama S, Inoue S, Dote Y, et al. CO2fixation and oil production through microalga. Energy Convers Manage, 1995, 36(6/9): 729?731.