地球上的光合生物（植物、藻類等）通過光合作用每年固定約2400億噸的二氧化碳，同時為人類提供基礎(chǔ)的生活和生產(chǎn)原料。微藻通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能存儲在細(xì)胞內(nèi)并形成生物質(zhì)，可作為食品、營養(yǎng)補(bǔ)充劑、水產(chǎn)餌料等，并可進(jìn)一步加工成生物燃油。然而，目前微藻光合作用的光能轉(zhuǎn)化率約1%左右，遠(yuǎn)低于理論轉(zhuǎn)化率12%。因此，提高微藻培養(yǎng)的光合作用能量轉(zhuǎn)化率，提高微藻產(chǎn)率，降低應(yīng)用成本，是微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
太陽能/藻細(xì)胞生物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化率及其管理策略示意
一 光采集管理（Managing light collection）
?1 微藻培養(yǎng)地點(diǎn)選擇
全球的太陽能分布不均勻，在赤道附近平均太陽能最高（低緯度地區(qū)），兩極最低。此外，各地區(qū)的氣候及氣象情況（陰雨天多，臺風(fēng)等）也顯著地的影響地面上獲得的太陽能。此外，還要結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃Y源，原材料、人力、基礎(chǔ)設(shè)施條件來確定微藻培養(yǎng)地點(diǎn)。
2 反應(yīng)器方向和太陽光跟蹤系統(tǒng)
微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)的擺布方向顯著地影響太陽光的接受。一般而言，朝東-朝西擺放的光生物反應(yīng)器捕獲的光能高于朝南-朝北擺放的反應(yīng)器。同時，類似向日葵可跟蹤太陽位置的光反應(yīng)器的光能捕獲量可提高40-100%（與水平面相比）。當(dāng)然，此系統(tǒng)過強(qiáng)的光照也會抑制藻細(xì)胞的生長，產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象。
二 光譜分布管理（Managing spectral distribution）
?1 光譜影響
用于光合作用的光波長為400-700nm。不同光譜的光對微藻生長及產(chǎn)物積累的影響具有重要影響。藍(lán)光可以提高小球藻葉綠素合成和微擬球藻的油脂合成。紅光能提高雨生紅球藻細(xì)胞生長，藍(lán)光可以提高藻細(xì)胞中蝦青素的合成。藍(lán)光條件培養(yǎng)小球藻2天顯著促進(jìn)藻細(xì)胞增大，然后在紅光條件下促進(jìn)小球藻細(xì)胞分裂，藻細(xì)胞產(chǎn)量提高了20%以上。
2 ?LED燈
LED人工光源具有特定光譜定制的優(yōu)點(diǎn)，在實驗室微藻培養(yǎng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但在大規(guī)模微藻培養(yǎng)中的應(yīng)用受到成本的限制尚未大規(guī)模使用。假設(shè)電單價0.1$/kwh，光-電轉(zhuǎn)化效率40%，光-藻細(xì)胞（化學(xué)儲能）轉(zhuǎn)化效率13.5%，則1kg干藻的LED電耗微14$。
3 波長轉(zhuǎn)化材料
通過熒光和磷光材料將一種波長的光轉(zhuǎn)化成另外一種波長的光。實驗表明在北面使用轉(zhuǎn)光材料的光反應(yīng)器中，雨生紅球藻在低密度培養(yǎng)時，藻細(xì)胞濃度提高了36%。
4 ?等離子體散射（Plasmonic scattering）
光照射到金屬納米顆粒產(chǎn)生的表面等離子能夠增強(qiáng)周圍的電磁場，有利于特定波長的光進(jìn)行定向散射。如圖所示，等離子基板反射了35%紅光（光合作用利用高的光），使得其它波長的光透過基板進(jìn)入光伏電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電能。
三 光分布管理（Managing light distribution）
1 藻細(xì)胞密度和光程
微藻培養(yǎng)的產(chǎn)率與藻細(xì)胞密度、光程、混合等相關(guān)，需要從這幾個方面進(jìn)行綜合優(yōu)化。混合與藻細(xì)胞的光暗循環(huán)頻率相關(guān)，其影響藻細(xì)胞的生長。
2 光稀釋
使用球面結(jié)構(gòu)反應(yīng)器（如管式），改變布局方向，改變傾斜角度均可以實現(xiàn)戶外光強(qiáng)的稀釋，使得高光強(qiáng)變成中低光強(qiáng)等適合微藻生長的光強(qiáng)范圍內(nèi)。同時，可以使得光傳遞材料使得外部的光強(qiáng)傳遞到藻液中進(jìn)行重新分配和分布，提高光在藻液中的均勻性。
四 細(xì)胞光能利用管理（Managing cellular light utilization）
通過基因工程手段改造藻細(xì)胞的光合系統(tǒng)，從而提高光能轉(zhuǎn)化效率。
本文轉(zhuǎn)自：Nature ?Communications
