鄒寧是魯東大學(xué)教授、藻類(lèi)研究所所長(zhǎng)，無(wú)棣魯東大學(xué)海洋研究院院長(zhǎng)，煙臺(tái)市微藻工程技術(shù)研究中心主任。此次兩會(huì)期間，鄒寧結(jié)合自身研究方向，提出了“關(guān)于推進(jìn)微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜合利用鹽堿地和沙漠實(shí)現(xiàn)碳中和的建議”。他說(shuō)，黃河三角洲地區(qū)，包括山東省東營(yíng)、濱州、濰坊、煙臺(tái)四個(gè)市的北部沿海地區(qū)，大面積灘涂鹽堿地特別適于養(yǎng)藻。既高效凈化了水又高效吸收了二氧化碳，凈化了空氣，真正快速實(shí)現(xiàn)“碳中和”?！拔⒃宸N類(lèi)多、作用巨大?？勺黾Z食、可持續(xù)利用生物能源（石油是古代藻類(lèi)沉積而成的）、醫(yī)藥、天然食品色素、化妝品、畜禽養(yǎng)殖飼料蛋白、海水動(dòng)物的活體飼料、海藻肥、化工原料。而且培養(yǎng)藻類(lèi)不占用耕地、不消耗淡水、快速大量吸收二氧化碳、能凈化水質(zhì)?！编u寧介紹，由于微藻產(chǎn)業(yè)能夠帶動(dòng)與支撐水產(chǎn)育苗和養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)、生物制藥產(chǎn)業(yè)、保健食品產(chǎn)業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)及藻類(lèi)深加工產(chǎn)業(yè)，對(duì)此，他建議，國(guó)家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、科技部應(yīng)設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目，推動(dòng)微藻培養(yǎng)技術(shù)盡快向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。通過(guò)結(jié)合國(guó)家碳中和、山東省鹽堿地綜合開(kāi)發(fā)利用、西北沙漠治理等戰(zhàn)略規(guī)劃，大力推進(jìn)推廣微藻生產(chǎn)、加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在煙臺(tái)、濱州、東營(yíng)、濰坊和國(guó)家西部沙漠地區(qū)建設(shè)并首先實(shí)現(xiàn)負(fù)碳經(jīng)濟(jì)示范區(qū)，率先達(dá)到碳中和的偉大目標(biāo)。

還別說(shuō)，有一種古老的生物就有這種好胃口，它們不僅可以捕食大氣中的二氧化碳，還能利用二氧化碳生產(chǎn) “生物柴油”，成為我們利用自然規(guī)律實(shí)現(xiàn)固碳減排，碳中和的得力助手。

一呼一吸間，離不開(kāi)的小小微藻

微藻(microalgae)是細(xì)小藻類(lèi)群體的總稱(chēng)，屬于單細(xì)胞生物。微藻是浮游植物，通常存在于淡水和海洋系統(tǒng)中，在陸地系統(tǒng)也有分布，它們體積很小，從幾微米到幾百微米不等，通過(guò)肉眼難以捕獲到。

微藻單獨(dú)存在或者以群體形式存在于環(huán)境中。與高等植物不同，微藻沒(méi)有根、莖、葉組織構(gòu)造。它們特別適應(yīng)以粘力為主導(dǎo)的環(huán)境中，例如各種水域。當(dāng)然在其他極端環(huán)境也會(huì)有發(fā)現(xiàn)，比如螺旋藻是最耐堿的生物，在pH 11以上的環(huán)境也能存活。

微藻體內(nèi)含有葉綠體，意味著它可以進(jìn)行光合作用。另外，部分微藻細(xì)胞體外有細(xì)胞壁，可以起到保護(hù)作用，還有部分微藻表面具有鞭毛，可以幫助其在水中游動(dòng)。

微藻有原核微藻和真核微藻兩大類(lèi)。目前我國(guó)學(xué)者一般將藻類(lèi)分為11門(mén)：藍(lán)藻、紅藻、隱藻、甲藻、金藻、黃藻、硅藻、褐藻、裸藻、綠藻、輪藻。

如下圖所示，微藻的形狀奇奇怪怪，有球狀，三角狀，橢圓狀或星狀，以及其它不規(guī)則形狀。另外，微藻體內(nèi)還含有各種色素，比如雨生紅球藻體內(nèi)含有的蝦青素，使得其顏色為紅色。種類(lèi)繁多的微藻構(gòu)成了一個(gè)奇特的小世界。

微藻是自然生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，在物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。比如微藻體內(nèi)具有光合色素（葉綠素等），能高效地利用光能、二氧化碳和水進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生氧氣并合成碳水化合物，與其它光合細(xì)菌一起為食物鏈上游端生物提供營(yíng)養(yǎng)，并且微藻本身也可以利用CO2以光營(yíng)養(yǎng)的方式生長(zhǎng)。

微藻能夠進(jìn)行光合作用對(duì)地球上的生命非常重要，可別小瞧了這個(gè)過(guò)程，地球的大氣氧氣中約有一半都是靠這些微藻進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的。

吃的是二氧化碳，擠的是生物柴油

讓我們“文藝復(fù)興”回到2013年的電影《泰囧》，影片中，徐崢給王寶強(qiáng)展示了一種叫做“油霸”的液體，“你去加油站加油，加到一半，滴幾滴油霸，油箱自動(dòng)漲滿(mǎn)”。

當(dāng)然，這種不符合能量守恒定律的物質(zhì)在現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的，但神奇的微藻可以近似地視為一種“油霸”，在生物燃料領(lǐng)域有著大好前景——這與微藻體內(nèi)的構(gòu)成物有關(guān)，微藻中富含的酯類(lèi)和甘油是制備液體燃料的良好原料！

上面提到，微藻能夠利用光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為自身生物量，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，微藻能夠?qū)⑻荚毓潭ㄔ隗w內(nèi)，再通過(guò)誘導(dǎo)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為油脂，最后利用物理和化學(xué)方法將油脂轉(zhuǎn)化到細(xì)胞外。關(guān)于這一點(diǎn)，往期文章《微擬球藻：吃的是二氧化碳，擠出來(lái)的是燃料》有詳細(xì)的科普（戳我回顧往期詳細(xì)科普~）。

微藻的干細(xì)胞中含有微藻油70%以上，人們可以對(duì)其進(jìn)行提煉加工。微藻油作為亞臨界生物技術(shù)合成生物柴油的最佳原料，是理想的可再生能源。在石油價(jià)格大幅上升，糧食短缺問(wèn)題日漸突出的今天，該產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。

除了脂類(lèi)和甘油外，微藻體內(nèi)的超過(guò)15000種新型化合物也被提取確定，比如類(lèi)胡蘿卜素，抗氧化劑，脂肪酸，酶，聚合物，肽，毒素和固醇等，這些物質(zhì)都等待著我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)利用。如此優(yōu)秀的單細(xì)胞生物，還真是“可造之才”！

雖是單細(xì)胞生物，應(yīng)用可不單一

除了能作為生物燃料外，微藻中富含多糖、類(lèi)胡蘿卜素、維生素、氨基酸等生物活性物質(zhì)，可以被用作生物制藥、保健品、及化妝品等行業(yè)。

在生物制藥行業(yè)，天然β-胡羅卜素具有抑制腫瘤和升高白細(xì)胞等作用，尤其對(duì)萎縮性胃炎、口腔潰瘍、皮膚疾病和放化療患者有著明顯的輔助治療效果。褐藻多糖（源自海洋棕色海藻）對(duì)HIV（人體免疫缺陷病毒）有一定的抗病毒活性。而不飽和脂肪酸（DHA、RHA）在嬰兒食品和保健品中的使用深受人們的歡迎。

在化妝品領(lǐng)域，微藻中的多糖具有良好的成膜性能，可減少皮膚表面的水分蒸發(fā)，可用作制備保濕產(chǎn)品。巖藻黃質(zhì)（源自海洋微藻）和蝦青素（源自雨生紅球藻）具有很強(qiáng)的抗氧化活性，能夠清除自由基、防止脂質(zhì)氧化，可以起到祛斑、防皺和防衰老的功能。擬甲色球藻能夠合成具有紫外吸收作用的偽枝藻素和類(lèi)菌胞素氨基酸，是制備防曬化妝品的良好原料。

微藻還可以運(yùn)用到食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，微藻體內(nèi)含有的豐富的粗蛋白,可以被制作成優(yōu)質(zhì)的食品添加劑和動(dòng)物飼料。藍(lán)綠色藻類(lèi)還可以被用來(lái)當(dāng)作生物肥料，因?yàn)檫@種微藻不僅能固碳還能固氮！作為生物肥料，它們能將大氣中碳和氮固定在土壤中供作物吸收利用，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

人工培育微藻，未來(lái)可期

當(dāng)然，微藻不是那么容易被 “馴服”的，它有自己的生活習(xí)性。微藻主要生活在淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中，科學(xué)家們又是如何將它從自然環(huán)境中提取并擴(kuò)大培養(yǎng)的呢？這就要考驗(yàn)我們的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)條件了。

目前的提取手段大多是先將微藻個(gè)體從環(huán)境樣品中分離出來(lái)，之后利用特定的培養(yǎng)基擴(kuò)大，最后在開(kāi)放池、發(fā)酵罐或者光反應(yīng)器中進(jìn)行大規(guī)模的繁殖。微藻的營(yíng)養(yǎng)方式可分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型，而且多數(shù)是屬于光能自養(yǎng)型。也就是說(shuō)只要有了“光”，就能養(yǎng)藻！

值得一提的是，微藻體內(nèi)的合成物質(zhì)也不是固定不變的，會(huì)根據(jù)品種類(lèi)別和繁殖條件而異，比如通過(guò)改變環(huán)境因素（pH、溫度、光照、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等），可以在很大程度上積累特定品種的微藻。

比如固氮魚(yú)腥藻是典型的念珠狀微藻，屬于藍(lán)藻門(mén)。在人工養(yǎng)殖時(shí)，它更喜好微堿性環(huán)境，需要多種營(yíng)養(yǎng)元素，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硼等。除此以外，光照強(qiáng)度應(yīng)控制在5000~8000lux，溫度在25~30℃之間。

因此要想生產(chǎn)我們想要的微藻，需要合理地利用培養(yǎng)條件，這也是目前科學(xué)家們所研究的難題。

目前，中國(guó)已成為全球第一大微藻生產(chǎn)國(guó)，每年微藻年產(chǎn)量已超過(guò)萬(wàn)噸。從我國(guó)微藻產(chǎn)業(yè)的品類(lèi)上來(lái)看，有八成以上為螺旋藻；其次為小球藻，占比達(dá)到10%；而雨生紅球藻和鹽生杜氏藻分別占據(jù)8%和2%的比重。《中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒2020》顯示，2019年螺旋藻在我國(guó)的養(yǎng)殖面積已經(jīng)達(dá)到750萬(wàn)平方米，年產(chǎn)量突破9000噸，占據(jù)著全球市場(chǎng)近六成的比重。其中內(nèi)蒙古的螺旋藻產(chǎn)量最大，占據(jù)著總產(chǎn)量的將近三分之一。

固碳減排，是實(shí)現(xiàn)全球碳中和的關(guān)鍵一環(huán)，而我國(guó)發(fā)展迅速的微藻產(chǎn)業(yè)將在其中發(fā)揮越來(lái)越重要的助力作用。

作者單位：中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所

為避免情況繼續(xù)惡化，我國(guó)提出2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一是要降低碳排放，二是要捕捉、利用和儲(chǔ)存更多的“碳”。就地球整體的碳循環(huán)過(guò)程而言，通過(guò)生物方法固定并轉(zhuǎn)化CO2是最符合自然規(guī)律的利用方式，目前主要是利用微藻等生物進(jìn)行CO2固定，實(shí)現(xiàn)化“碳”為寶。

微藻“吃碳”能力萬(wàn)噸級(jí)，有效助力“碳中和”

微藻固碳效率比普通植物高10倍以上，以微藻為代表的海洋浮游植物每年可固定全球CO2固定量的40%，是地球固碳的主力軍。微藻能夠通過(guò)光合作用固定CO2并釋放氧氣，制造人類(lèi)所需的碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還能將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為氫、油脂等能源物質(zhì)，有望作為生物燃料使用。不僅如此，死后的微藻還能通過(guò)固碳成石油等碳?xì)浠衔锷盥竦叵隆⒑５?，將“碳”封存，讓地球避免成為巨大溫室的同時(shí)，將來(lái)演變成石油再次充當(dāng)能源。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”項(xiàng)目“二氧化碳煙氣微藻減排技術(shù)”負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)程軍教授表示：“微藻固定CO2示范能力可達(dá)每年萬(wàn)噸級(jí)。”由于微藻能夠利用生活及工農(nóng)業(yè)廢水作為氮、磷和其他營(yíng)養(yǎng)物的來(lái)源，因此，利用微藻還可以實(shí)現(xiàn)廢水處理、CO2固定和生物燃料合成三種過(guò)程的耦合，從而使過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益最大化。加強(qiáng)微藻的開(kāi)發(fā)與利用，是推進(jìn)“碳中和”目標(biāo)達(dá)成、開(kāi)辟固碳減排新局面的有效措施。

螺旋藻是微藻中開(kāi)發(fā)應(yīng)用最早的藻類(lèi)之一，國(guó)內(nèi)螺旋藻產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)綠A早在90年代就開(kāi)啟了螺旋藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路。2015年，“國(guó)際碳金獎(jiǎng)”首度瞄準(zhǔn)健康品企業(yè)，綠A成為其首批候選人之一。作為針對(duì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境和諧、綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展中最佳表現(xiàn)者所頒發(fā)的最高榮譽(yù)獎(jiǎng)項(xiàng)，“國(guó)際碳金獎(jiǎng)”瞄準(zhǔn)綠A，是對(duì)其孜孜不倦為行業(yè)綠色環(huán)保進(jìn)行引導(dǎo)和規(guī)范的肯定。

微藻價(jià)值加速釋放，全面助力健康中國(guó)

在一批國(guó)內(nèi)微藻產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)引領(lǐng)下，我國(guó)微藻產(chǎn)業(yè)正在吹起蓬勃發(fā)展的號(hào)角。不僅僅是巨大的固碳價(jià)值，在更為世界關(guān)注的營(yíng)養(yǎng)健康價(jià)值方面，微藻得到更為廣泛的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，助力改善大眾營(yíng)養(yǎng)健康水平。目前，螺旋藻、雨生紅球藻、裸藻、小球藻等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，帶來(lái)多樣化的營(yíng)養(yǎng)健康產(chǎn)品。

其中，螺旋藻是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的所有藻類(lèi)水體中營(yíng)養(yǎng)最豐富、全面、均衡的一種，其含有人體必需的8種氨基酸、多種維生素以及大量容易被人體吸收的微量元素，被認(rèn)為是大自然賜予人類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)寶庫(kù)；紅球藻有著“人體健康軟黃金”的美譽(yù)，其蝦青素含量為1.5%~4.0%，被確認(rèn)為自然界中生產(chǎn)天然蝦青素的理想生物來(lái)源，能夠幫助增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗衰老、防止癌變、抗擊炎癥等；裸藻既有植物所含有的葉綠素、玉米黃質(zhì)、多糖，又有動(dòng)物體才富含的黃體素、DHA、EPA，還含有豐富維生素、礦物質(zhì)、氨基酸、不飽和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)素，堪稱(chēng)“水中冬蟲(chóng)夏草”。

近年來(lái)，微藻研究與應(yīng)用不斷加深，如今在食品、大健康、環(huán)保、能源等多個(gè)領(lǐng)域都能看見(jiàn)微藻的身影。未來(lái)，隨著微藻產(chǎn)業(yè)化落地的加大，微藻的固碳價(jià)值、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值將進(jìn)一步得到釋放，帶來(lái)更多的健康產(chǎn)品的同時(shí)，也將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈延伸，為多領(lǐng)域、多行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提質(zhì)增效助力，為改善人類(lèi)生存環(huán)境，營(yíng)造低碳、健康生活貢獻(xiàn)力量。

海洋在全球二氧化碳平衡中起著關(guān)鍵作用。這是因?yàn)閿?shù)十億微藻生活在那里，通過(guò)光合作用吸收二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為生物量。當(dāng)這些藻類(lèi)死亡時(shí)，它們會(huì)隨著以它們?yōu)槭车奈⑿∩锏呐判刮?，以“海洋雪”的形式滴入更深的區(qū)域。大約百分之一的二氧化碳埋在海底數(shù)千年。

平靜的細(xì)雪

由于這種持續(xù)不斷的海洋雪花雨將碳輸送到海洋深處，專(zhuān)家稱(chēng)之為生物泵。這是由兩個(gè)相反的過(guò)程驅(qū)動(dòng)的：有機(jī)薄片的下沉和細(xì)菌的降解。下沉的鱗片增加了碳向深處的通量，而細(xì)菌則通過(guò)從顆粒中去除碳來(lái)降低這種通量。目前的海洋模型假定下沉速度和退化速度相互獨(dú)立。ETH環(huán)境工程研究所的烏里亞·阿爾科洛姆布里（Uria Alcolombri）說(shuō)：“但我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，下沉?xí)鰪?qiáng)降解過(guò)程?！?/span>

Alcolombri是Roman Stocker研究小組剛剛在《自然地球科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究的第一作者。在他們的調(diào)查中，研究人員使用了一種聰明的方法：他們沒(méi)有追蹤海洋中下沉的粒子，而是將單個(gè)毫米的顆粒放在一個(gè)地方，將海藻酸鈉顆粒大小調(diào)整到微流控室中，然后將人工海水泵入其中。Alcolombri說(shuō)：“在我們的實(shí)驗(yàn)中，海洋雪并沒(méi)有穿過(guò)海洋，而是被海水沖刷在海洋雪的周?chē)?，但是相?duì)速度是相同的?！?/span>

研究人員在海藻酸鹽顆粒上種植了轉(zhuǎn)基因綠色植物-發(fā)光細(xì)菌。當(dāng)水流經(jīng)腔室時(shí)，這些顆粒的分解速度要快得多；在靜水中分解所需時(shí)間約為10倍。這是因?yàn)榱鲃?dòng)的水沖走了降解產(chǎn)物，讓細(xì)菌的酶直接作用于顆粒，而不必花時(shí)間分解已經(jīng)分解的分子。

根據(jù)這些觀察結(jié)果，Alcolombri和他的同事們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)新的生物碳泵模型，該模型考慮了下沉對(duì)海洋雪花降解的影響。模型計(jì)算表明了兩件事：首先，由于下沉導(dǎo)致的顆粒降解增強(qiáng)使碳泵的理論傳輸效率降低了兩倍。其次，大部分死藻在海洋最上層分解——這與海洋中實(shí)際碳通量的測(cè)量結(jié)果一致。

微小的事物，巨大的影響

該團(tuán)隊(duì)的研究并非旨在提高生物碳泵的性能：“我們感興趣的是收集對(duì)自然過(guò)程的基本理解；我們想知道生物泵是如何工作的?！盇lcolombri說(shuō)，“如果我們要更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)我們的海洋將如何應(yīng)對(duì)氣候變化，這一點(diǎn)至關(guān)重要?！?/span>

事實(shí)證明，海洋雪的降解速率——以及間接的全球大氣中二氧化碳含量——是由微觀傳輸動(dòng)力學(xué)決定的。這再一次表明，即使是環(huán)境中最微小的事物也會(huì)影響全局。

微藻在地球早期將大氣中>10%CO2固定為有機(jī)碳，如今在全球生物圈固碳中仍占據(jù)半壁江山。微藻可為合成生物學(xué)提供光自養(yǎng)底盤(pán)細(xì)胞，在直接固定CO2生產(chǎn)各種生物工程產(chǎn)品（食品、飼料、酶、生物化學(xué)品、可降解塑料、生物燃料等）方面有重大應(yīng)用潛力，其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳中和”具有重要意義。

微藻實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的主要障礙在于高成本。與高等植物無(wú)需任何成本從空氣中獲取CO2不同，傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)過(guò)程供碳成本過(guò)高，并造成生物反應(yīng)器開(kāi)發(fā)和放大困難。針對(duì)此問(wèn)題，遲占有教授于2011年在《生物技術(shù)趨勢(shì)》發(fā)表了題為《碳捕獲產(chǎn)生碳酸氫鹽用于微藻培養(yǎng)》（Bicarbonate produced from carbon capture for algae culture）的觀點(diǎn)性文章，提出了循環(huán)利用高濃度碳酸氫鹽形成“碳池”為微藻高效供碳的新思路。在此之后，一直致力于相關(guān)研究，經(jīng)過(guò)整整十年努力，取得了一系列重要研究成果，包括：驗(yàn)證了多種微藻可耐受高濃度碳酸氫鈉；證明了循環(huán)利用碳酸鹽吸收CO2進(jìn)行微藻培養(yǎng)的可行性；發(fā)現(xiàn)了碳酸氫鹽方式供碳比CO2氣體生長(zhǎng)效率更高，而碳利用率高達(dá)96.7%（CO2氣體一般不足5%）；發(fā)明了利用空氣中CO2為“碳池”充碳支持微藻高效生長(zhǎng)的技術(shù)（圖1）；證明了間歇曝氣可比連續(xù)曝氣降低能耗60%；開(kāi)發(fā)了利用碳酸鹽提取藻油之后吸收CO2用于循環(huán)培養(yǎng)、自發(fā)形成高堿環(huán)境誘導(dǎo)絮凝實(shí)現(xiàn)低成本微藻采收的新技術(shù)。基于供碳技術(shù)的突破，研發(fā)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的波浪驅(qū)動(dòng)漂浮反應(yīng)器和水力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，成功用于培養(yǎng)螺旋藻、小球藻、鹽生杜氏藻、金藻、超嗜鹽桿藻、膠球藻等，并成功實(shí)現(xiàn)戶(hù)外放大，得到審稿人“非常值得關(guān)注、對(duì)微藻生物技術(shù)的寶貴貢獻(xiàn)（very interesting and a valuable contribution to microalgal biotechnology）”的評(píng)價(jià)。

基于在該領(lǐng)域的顯著創(chuàng)新業(yè)績(jī)，遲占有教授再次收到《生物技術(shù)趨勢(shì)》雜志的邀請(qǐng)，發(fā)表了上述文章?；趯?duì)相關(guān)研究進(jìn)展的全面總結(jié)，該文章系統(tǒng)性闡述了此路徑的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確認(rèn)了其可行性和先進(jìn)性，并分析了其進(jìn)一步大幅降低成本的潛力，展望了在大宗商品中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用突破的研發(fā)路線，為利用微藻實(shí)現(xiàn)“碳中和”明確了關(guān)鍵路徑。

7月23日,在生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對(duì)氣候變化司指導(dǎo)下，由生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心組織撰寫(xiě)的《中國(guó)二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報(bào)告(2021)――中國(guó)CCUS路徑研究》正式發(fā)布。報(bào)告中將微藻生物固碳作為CCUS的一個(gè)重要的生物利用方向。

報(bào)告指出，從實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的減排需求來(lái)看，依照現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)，2050年和2060年，需要通過(guò)CCUS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的減排量分別為6～14億噸和10～18億噸二氧化碳。2060年生物質(zhì)能碳捕集與封存（BECCS）和直接空氣碳捕集與封存（DACCS）分別需要實(shí)現(xiàn)減排3～6億噸和2～3億噸二氧化碳。從我國(guó)源匯匹配的情況看，CCUS技術(shù)可提供的減排潛力基本可以滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的需求（6~21億噸二氧化碳）。

在報(bào)告中提到微藻生物固碳方面有：

來(lái)源:《中國(guó)二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報(bào)告(2021)――中國(guó)CCUS路徑研究》報(bào)告、北極星火力發(fā)電網(wǎng)

近期，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員李福利帶領(lǐng)的分子微生物工程研究組針對(duì)光合單細(xì)胞微藻細(xì)胞內(nèi)氧水平調(diào)節(jié)，首次將外源透明顫菌血紅蛋白基因（Vitreoscilla hemoglobin gene，vgb）轉(zhuǎn)入微擬球藻（Nannochloropsis.oceanica）細(xì)胞中。透明顫菌血紅蛋白能夠在高氧水平下結(jié)合氧氣分子，在低氧水平下釋放氧氣分子。引入該基因并誘導(dǎo)表達(dá)后，能夠使其在細(xì)胞快速放氧階段結(jié)合部分氧分子，從而降低了在光過(guò)飽和階段細(xì)胞內(nèi)氧水平，調(diào)控了細(xì)胞內(nèi)的氧平衡，減少了對(duì)細(xì)胞的氧化損傷，同時(shí)降低了核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的光呼吸水平。獲取的轉(zhuǎn)化株與野生型藻株相比，其生物量提高了7.4%~18.5%，最佳轉(zhuǎn)化株中EPA含量提高了21.0%。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)化株細(xì)胞內(nèi)ROS水平下降了56.9%～70.0%，過(guò)氧化氫酶含量約為野生型的1.8倍。通過(guò)測(cè)定和計(jì)算溶解氧濃度，檢測(cè)到轉(zhuǎn)化株光呼吸水平降低；光呼吸途徑相關(guān)的關(guān)鍵基因的表達(dá)水平比野生型低80%以上。相關(guān)研究結(jié)果表明，在光合單細(xì)胞微藻中引入透明顫菌血紅蛋白可以減少在光過(guò)飽和條件下的ROS損傷和調(diào)節(jié)光呼吸，改善微藻的生長(zhǎng)，這為藻株的工業(yè)應(yīng)用提供了良好的藻種與技術(shù)支持。研究成果發(fā)表在Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology上。

此外，研究人員還圍繞微藻種質(zhì)資源和天然產(chǎn)物生產(chǎn)進(jìn)行了研究，前期通過(guò)同中科院近代物理研究所合作進(jìn)行的重離子輻照海洋硅藻——三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）研究，獲得了大量突變?cè)宸N用以篩選海洋硅藻的天然產(chǎn)物——巖藻黃質(zhì)（Fucoxanthin）。巖藻黃質(zhì)廣泛存在于大型海藻和硅藻中，對(duì)人體健康具有益處（如抗糖尿病、抗肥胖、抗炎等生理活性）。三角褐指藻是一種富含巖藻黃質(zhì)的硅藻模式生物。在此前的研究中，李福利團(tuán)隊(duì)為了簡(jiǎn)化巖藻黃質(zhì)檢測(cè)方法，開(kāi)發(fā)出使用分光光度計(jì)算法替代傳統(tǒng)的使用高效液相色譜（HPLC）檢測(cè)的方法，使用該方法在3～5分鐘內(nèi)即可完成對(duì)樣品中巖藻黃質(zhì)含量的檢測(cè)和計(jì)算，提高了研究效率（Marine Drugs, 2018, 16, 33; doi:10.3390/md16010033）。近期，研究團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步使用流式細(xì)胞技術(shù)對(duì)突變株中巖藻黃質(zhì)含量進(jìn)行高通量篩選研究，引入了488 nm的激發(fā)光來(lái)分析三角褐指藻的發(fā)射熒光。在710 nm處觀察到一個(gè)獨(dú)特的光譜峰，并發(fā)現(xiàn)巖藻黃質(zhì)含量與該處的平均熒光強(qiáng)度之間存在線性相關(guān)性。通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)來(lái)篩選由重離子輻射產(chǎn)生的高巖藻黃質(zhì)含量的突變體，培養(yǎng)20天后，分選得到的細(xì)胞的巖藻黃質(zhì)含量比野生型高25.5%。該工作提供了一種高效、快速和高通量的方法來(lái)篩選高產(chǎn)巖藻黃質(zhì)的突變體。相關(guān)研究成果發(fā)表于Marine Drugs。

研究工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所

碳捕集、利用與封存(CCUS)是人類(lèi)應(yīng)對(duì)氣候變化的一項(xiàng)重要減排技術(shù)，也是目前唯一一項(xiàng)能夠在利用化石燃料的同時(shí)大幅度減排二氧化碳的技術(shù)。2009年，廣東成為全國(guó)首批低碳試點(diǎn)省份。

2019年5月，由華潤(rùn)電力集團(tuán)牽手中英（廣東）CCUS中心和廣東省電力設(shè)計(jì)研究院共同開(kāi)發(fā)建設(shè)的亞洲首個(gè)多技術(shù)開(kāi)放國(guó)際碳捕集技術(shù)測(cè)試平臺(tái)——廣東省碳捕集測(cè)試項(xiàng)目在深汕特別合作區(qū)碳中和示范基地投入運(yùn)行，每年可捕集2萬(wàn)噸二氧化碳。

作為國(guó)內(nèi)首個(gè)微藻固碳+干冰轉(zhuǎn)化減排燃煤電廠捕集二氧化碳的示范工程，此次微藻固碳項(xiàng)目將投資約500萬(wàn)元，建設(shè)一個(gè)300㎡的封閉玻璃實(shí)驗(yàn)室及高達(dá)5米的光生物反應(yīng)器等設(shè)備系統(tǒng)，通過(guò)微藻養(yǎng)殖優(yōu)選微藻品種及養(yǎng)藻技術(shù)。

據(jù)了解，微藻固碳技術(shù)是利用微生物將大量二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的過(guò)程。微藻作為可以進(jìn)行固碳的生物之一，具有光合速率高、繁殖快、適應(yīng)環(huán)境性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，相當(dāng)于森林固碳能力的10~50倍。每年由微藻光合作用固定的二氧化碳占全球二氧化碳固定量的40%以上。

“項(xiàng)目毗鄰海邊，具有利用二氧化碳進(jìn)行海水微藻養(yǎng)殖的天然條件?！比A潤(rùn)海豐電廠相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，項(xiàng)目初期將開(kāi)展固碳藻種選育、固碳微藻養(yǎng)殖技術(shù)研究，微藻活性細(xì)胞液凈化水體、改良土壤、加速植物生長(zhǎng)等研究。同時(shí)，收藻、干化、藻粉制備設(shè)備也將配套采購(gòu)，協(xié)同華潤(rùn)醫(yī)藥、華潤(rùn)化工等開(kāi)展保健品、醫(yī)療用品等高附加值產(chǎn)品的研發(fā)。后期項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化則側(cè)重于通過(guò)開(kāi)發(fā)“養(yǎng)殖-產(chǎn)品-銷(xiāo)售”的鏈條，打造“華潤(rùn)微藻碳中和利用產(chǎn)業(yè)園”，貫通CCU技術(shù)與產(chǎn)業(yè)全鏈條。

干冰項(xiàng)目則是利用干冰制造機(jī)將粉末擠壓固化成干冰。據(jù)介紹，每生產(chǎn)1噸干冰可消耗6.35噸氣態(tài)二氧化碳。作為電廠煙氣二氧化碳的再利用，干冰項(xiàng)目減少了其他工藝生產(chǎn)二氧化碳的碳排放，能有效減少社會(huì)碳排放總量。

　　微藻是在自然界中廣泛存在的單細(xì)胞光合自養(yǎng)生物，可將空氣中的二氧化碳高效轉(zhuǎn)化為油脂、碳水化合物、蛋白質(zhì)和色素等高附加值產(chǎn)品，應(yīng)用于第三代生物燃料、飼料、食品和保健品等。因此，“微藻細(xì)胞工廠”有望成為服務(wù)“碳中和”和“碳達(dá)峰”的低碳制造解決方案之一。這一前景的前提和基礎(chǔ)是微藻種質(zhì)資源的快速鑒定和代謝功能檢測(cè)，然而，傳統(tǒng)上“先養(yǎng)后篩”的種質(zhì)篩選策略面臨著諸多瓶頸。

　　為此，中科院青島能源所單細(xì)胞中心Mohammadhadi Heidari Baladehi等人開(kāi)發(fā)出基于拉曼組的藻類(lèi)細(xì)胞快速辨別與代謝功能快檢技術(shù)。拉曼組是一個(gè)細(xì)胞群體的單細(xì)胞拉曼光譜的總稱(chēng)，代表著可以在單細(xì)胞精度快速、低成本、高通量獲取的細(xì)胞群體實(shí)時(shí)代謝狀態(tài)。首先，針對(duì)已獲純培養(yǎng)的藻種，研究人員采集了色素分子拉曼光譜（PS）和微藻細(xì)胞自身拉曼光譜（WS）這兩張譜圖，構(gòu)建了首個(gè)藻類(lèi)拉曼組數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含了在不同生長(zhǎng)期（穩(wěn)定期和指數(shù)期）、分屬27個(gè)微藻種屬的超過(guò)9000個(gè)單細(xì)胞的拉曼光譜。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)PS和WS的聯(lián)用辨別待測(cè)單細(xì)胞的藻種和生長(zhǎng)狀態(tài)，準(zhǔn)確率可達(dá)97%。其次，針對(duì)環(huán)境中難培養(yǎng)的藻類(lèi)細(xì)胞，研究人員借助前期發(fā)明的單細(xì)胞拉曼分選技術(shù)來(lái)捕獲活性藻類(lèi)單細(xì)胞，采集其PS和WS這兩張拉曼譜圖，進(jìn)而結(jié)合下游單細(xì)胞測(cè)序，建立了環(huán)境中微藻單細(xì)胞代謝表型組和基因型的關(guān)聯(lián)。該方法不需分離培養(yǎng)，即可構(gòu)建環(huán)境中任何微藻細(xì)胞的拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而基于機(jī)器學(xué)習(xí)，支撐尚難培養(yǎng)藻種的快速鑒定和代謝功能檢測(cè)。此外，除了種質(zhì)辨別，單細(xì)胞拉曼光譜還能揭示微藻利用二氧化碳后的碳源存儲(chǔ)形式（如油脂、淀粉、蛋白、色素等），及其含量和化學(xué)性質(zhì)（如油脂的不飽和度等）。這些代謝表型信息，對(duì)于快速評(píng)估微藻種質(zhì)的培養(yǎng)工藝、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用潛力十分重要。

　　與傳統(tǒng)上依賴(lài)于培養(yǎng)的“先養(yǎng)后篩”的策略不同，這一基于拉曼組的種質(zhì)篩選策略無(wú)需培養(yǎng)與擴(kuò)繁細(xì)胞，節(jié)約了大量時(shí)間和人工，并能挖掘和篩選尚難培養(yǎng)的微藻細(xì)胞。針對(duì)每個(gè)微藻細(xì)胞，拉曼光譜的采集通常僅需數(shù)秒的時(shí)間，且無(wú)需破壞細(xì)胞，故而步驟簡(jiǎn)潔、分析通量高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，還能在單細(xì)胞精度同時(shí)探測(cè)從代謝表型組到基因組的全面信息。因此，該技術(shù)將加速微藻細(xì)胞工廠及其代謝產(chǎn)物的挖掘與利用。

　　此次首個(gè)微藻拉曼組數(shù)據(jù)庫(kù)及其機(jī)器學(xué)習(xí)手段的發(fā)表，將加速新一代微藻資源信息平臺(tái)的構(gòu)建和共享，促進(jìn)藻類(lèi)為“雙碳行動(dòng)”做出貢獻(xiàn)。研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院、山東能源研究院、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等的支持。

　　拉曼組機(jī)器學(xué)習(xí)加速微藻種質(zhì)挖掘、服務(wù)“雙碳行動(dòng)”

　　來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所

針對(duì)這一瓶頸問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所單細(xì)胞中心建立了精確可控的藻類(lèi)染色體大片段DNA切除技術(shù)，首次示范了>100 Kb DNA片段的單重與連續(xù)刪減，從而為“最小藻類(lèi)基因組”的設(shè)計(jì)和“最簡(jiǎn)植物底盤(pán)細(xì)胞”的構(gòu)建打開(kāi)一扇大門(mén)。該工作由該中心研究員徐健主持完成，相關(guān)成果日前發(fā)表于《植物學(xué)期刊》。

徐健告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，除了光合作用、碳濃縮、油脂合成等關(guān)鍵功能模塊以外，藻類(lèi)基因組通常還包括很多由可移動(dòng)元件、重復(fù)序列等組成的“功能冗余”區(qū)域。這些大片段染色體DNA既是一種額外的代謝負(fù)擔(dān)，也會(huì)影響基因組的可控性與穩(wěn)定性。因此，“大刀闊斧”式精確切除這些大片段的“染色體手術(shù)刀”，是構(gòu)建光驅(qū)固碳底盤(pán)細(xì)胞的必備工具。但是，由于缺乏這樣的“染色體手術(shù)刀”，從未有大片段藻類(lèi)基因組DNA切除的報(bào)道。

作為一種可規(guī)?；彝馀囵B(yǎng)的工業(yè)產(chǎn)油微藻，微擬球藻已成為光驅(qū)合成生物技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)的重要模式體系之一。為了開(kāi)發(fā)大刀闊斧式的“染色體手術(shù)刀”，單細(xì)胞中心助理研究員王勤濤帶領(lǐng)研究小組，根據(jù)微擬球藻設(shè)計(jì)與合成數(shù)據(jù)庫(kù)中大量轉(zhuǎn)錄組和蛋白組數(shù)據(jù)，定義了海洋微擬球藻基因組上的一系列不表達(dá)或低表達(dá)區(qū)域（LERs），作為切除的目標(biāo)區(qū)域。

據(jù)王勤濤介紹，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于CRISPR/Cas的“染色體手術(shù)刀”，通過(guò)兩條用于定義剪切位置的向?qū)NA（gRNA）的共表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了位于30號(hào)染色體5’端基因組中最大LER目標(biāo)片段（81 Kb）的精確刪除。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，“染色體手術(shù)”后，染色體末端端粒能夠自動(dòng)重生，這導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)110 Kb的30號(hào)染色體5’端臂（占該染色體長(zhǎng)度的22%、含24個(gè)基因）得以一次性切除。在此基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)同時(shí)表達(dá)4條gRNA，分別實(shí)現(xiàn)了位于30號(hào)與9號(hào)染色體上的兩個(gè)最長(zhǎng)和次長(zhǎng)LER（最大刪除合計(jì)214 Kb，含52個(gè)基因）在同一細(xì)胞中的并行切除。

利用“拉曼組”等單細(xì)胞精度的代謝表型分析手段，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管經(jīng)歷了這些染色體大片段切除，微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速度、生物量、潛在最大光合速率、葉綠素?zé)晒夥枪饣瘜W(xué)猝滅、油脂含量和脂肪酸不飽和度等關(guān)鍵性狀卻幾乎沒(méi)有受到影響。在生長(zhǎng)速度和生物量累積速率上，一些工程株甚至有小幅卻顯著的加快。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過(guò)這種染色體手術(shù)構(gòu)建“最小藻類(lèi)基因組”，具有相當(dāng)可行性。

針對(duì)微擬球藻，單細(xì)胞中心已發(fā)表了基于CRISPR/Cas的基因敲除技術(shù)、基于RNAi的基因敲低技術(shù)等高效遺傳操作工具與工程株庫(kù)，并通過(guò)組織微擬球藻設(shè)計(jì)與合成數(shù)據(jù)庫(kù)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)外工業(yè)微藻研究與產(chǎn)業(yè)群體資源共享。此次染色體大片段切除技術(shù)的發(fā)表，將進(jìn)一步推動(dòng)微擬球藻為光驅(qū)合成生物技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)做出貢獻(xiàn)，同時(shí)也為設(shè)計(jì)“最簡(jiǎn)植物底盤(pán)細(xì)胞”、支撐“負(fù)碳生物制造”，奠定重要方法學(xué)基礎(chǔ)。