張琪1，劉淑麗2，張立國2，張多英3，鄭國臣1
（1.松遼流域水環(huán)境監(jiān)測中心，吉林長春130021；2.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150090；3.黑龍江東方學院食品與環(huán)境工程學部，黑龍江哈爾濱150086）
［摘要］藻類作為第三代生物質能源具有分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應能力強、生長周期短、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，吸引了越來越多的關注。文中闡述了藻類生物質能源的研究進展、產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的關鍵問題及發(fā)展趨勢。
藻類具有分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應能力強、生長周期短、生產(chǎn)成本相對較低等優(yōu)勢，吸引了越來越多的關注。目前，藻類是生產(chǎn)高級生物質能源的重要原料，關于藻類生物質能源的研究(包括生物制氫、生物質油、生物柴油等)仍處于起步階段。
藻類作為第三代生物質能源，具有以下的特征：①藻類可在廢水、再生水及咸水中生長，藻類培養(yǎng)無需消耗有限的淡水資源；②藻類可提供較高的生物質產(chǎn)量，同時藻類培養(yǎng)與農業(yè)生產(chǎn)不沖突；③利用藻類生物質可通過綜合工藝生產(chǎn)各種燃料和高價值副產(chǎn)品；④藻類可以從排放的高濃度CO2中回收碳元素[1]。
1國外藻類生物質能源的研究進展
近年來，歐美、日本及包括我國在內的許多國家，對藻類生物質能源的研究越來越重視。2007年1月，美國總統(tǒng)布什在《國情咨文》中宣稱，美國計劃在今后10年將美國的汽油消費量減少20%，其中15%通過使用替代燃料實現(xiàn)，計劃到2017年燃料乙醇的年使用量達到1325億L，是目前年使用量的7倍。
美國能源部于2008年重新啟動了與藻類生物質能相關的研究項目。2007年3月，歐盟27國出臺了新的共同能源政策，計劃到2020年實現(xiàn)生物燃料乙醇使用量占10%。繼2008年增長60%后，歐盟2009年的乙醇生產(chǎn)量又繼續(xù)增長，增長了31%，歐盟乙醇生產(chǎn)量已從2008年28億L增長到2009年37億L。德國消費11.43億L，使其成為最大的乙醇消費國。法國是第二大消費國，消費7.98億L；其后是瑞典，消費3.77億L。預計到2020年，所有歐洲汽油的13%都必須來自于可再生原料。歐洲汽油現(xiàn)僅3.5%來自可再生來源生產(chǎn)，預計在今后10年內可再生運輸工業(yè)將以超過10倍的速度增長。由此可見，藻類生物質能源工業(yè)化應用的前景十分廣闊。
2藻類生物關鍵技術分析
藻類生物質能面臨的主要問題有：①優(yōu)良生物質原料(藻種)的規(guī)?；@取；②藻類代謝產(chǎn)物的提?。虎墼孱愔苯哟x物的加工及應用。具體內容分析如下：
2.1藻種的獲取
藻種在長期培養(yǎng)中的穩(wěn)定性是保證生物質能源低成本的關鍵。藻種快速生長的能力對于生產(chǎn)力及與雜藻的競爭力均非常重要。因此，為了考察藻種生命力，需要對大規(guī)模的培養(yǎng)條件進行小規(guī)模的模擬研究。
目前，缺乏高通量、同時評價多指標篩選方法是大規(guī)模藻種篩選的主要技術瓶頸。藻種的篩選工作應主要考慮三個方面：藻類生長生理學、代謝產(chǎn)物生產(chǎn)力及藻種生命力。生長生理學包括一系列參數(shù)，如最大比生長速率、最大藻密度、對環(huán)境變化的抵抗力和營養(yǎng)需求等。基于代謝產(chǎn)物生產(chǎn)力的藻種篩選工作，通常包括細胞組成分析和作為生物質能生產(chǎn)原料的藻細胞代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)力測定。
現(xiàn)有的藻種保藏中心可提供豐富的藻種資源，如美國得克薩斯州大學的藻種保藏中心大約有3000株藻種；Provasoli-Guillard國家海洋浮游植物保藏中心有超過2500株藻種[3]。適用于大規(guī)模培養(yǎng)、生命力旺盛的通用藻種在生物質能領域是非常重要的。將分離獲得的藻種集中保管于藻種保藏中心，可為未來的生物質能源提供大量的生物資源。
2.2藻類生物質目標產(chǎn)物的獲取
藻類具有生物量大、生長周期短、易培養(yǎng)以及含有較高的脂類等特點，是制備生物質液體燃料的良好材料。微藻熱解所得的生物質燃油熱值高達33MJ/kg，是木材或農作物秸稈的1.6倍。通過調節(jié)微藻的培養(yǎng)條件和脂類含量，可獲得高品質、高熱值的生物質燃油。藻類是低等植物，種類繁多，分布極其廣泛。
藻類按其大小可分為大藻和微藻，大藻是直徑大于2mm的藻體，微藻是直徑小于2mm的單細胞或絲狀藻體，微藻油脂含量較高，生長較快，是制備生物柴油的較好藻類[4]。目前，世界范圍內大多以綠藻綱和硅藻綱中的高油脂微藻為原料研究生物柴油生產(chǎn)工藝，尤其是綠藻綱中的小球藻被認為是理想的能源微藻資源，而以大藻為原料的報道較少。
近年來，藻類產(chǎn)氫也生物質能源的一個研究方向。藻類制氫的發(fā)展受到一些生物學因素的限制，目前已經(jīng)識別出的因素主要包括以下四個方面：①氫化酶對O2的敏感性問題；②其他代謝途徑在鐵氧化還原蛋白處對光合還原劑的競爭問題；③ATP的過量產(chǎn)生導致的調控問題；④太陽能利用效率低的問題。
上述問題可通過以下途徑解決：①通過工程手段改善氫化酶對O2的耐受能力；②識別與氫化酶競爭光合還原劑的代謝途徑，并在產(chǎn)氫過程中抑制這些代謝途徑；③調控光合生物膜，減少ATP生成；④調控光合天線色素含量，提高光能利用率。某些微藻及藍組菌可以生產(chǎn)氫[5]。
2.3藻類生物質能源生物技術及應用
當前，我國面臨著水資源匱乏和能源緊缺的嚴峻形勢。胡洪營[1]等人提出的污水深度脫氮除磷與微藻生物質能源生產(chǎn)耦合工藝提供了緩解這一問題的有效途徑。藻類生物質能生產(chǎn)的經(jīng)濟可行性，基本取決于其生物生產(chǎn)力的高低。為了評估藻種的生產(chǎn)力，還需要更好的方法來檢測燃料前體物的產(chǎn)量。
目前采用了熒光及核磁共振等方法來快速篩查藻類的油脂含量，并已在許多類型的浮游植物中有所應用。這些及其他方法如近紅外光譜等，還需要開展更多的研究，更加自動化，以滿足快速、經(jīng)濟、高通量的監(jiān)測要求[6]。
通過現(xiàn)代分析方法可以更好地理解藻類生長和代謝產(chǎn)物積累的生物學原理，從基因和細胞的水平上掌握各種藻類能源物質的合成及調控過程，為藻種改良提供多種方案，但目前能按照工藝需求改變藻種特性的技術水平十分有限，這是限制藻類能源發(fā)展的關鍵技術瓶頸。
基礎生物學可提供的信息有：水平基因轉移、產(chǎn)毒潛力、大規(guī)模爆發(fā)水華并形成缺氧區(qū)的潛力，因此對基礎生物學的深入理解同樣十分重要。高通量方法，如基因組學、蛋白質組學，可以在整個細胞內進行深度分析[7]。這些方法為生物研究帶來了突破性的發(fā)展。同時，計算機科學的發(fā)展促進了以上學科的發(fā)展，并創(chuàng)造了生物信息學這一全新領域。該領域擁有強大的新數(shù)據(jù)庫和搜索算法，有助于生物學家以前所未有的時間跨度和方式分享并獲得研究成果，更好地理解藻細胞內的生物化學過程并對其進行相應的調控[8]。
3結語
利用藻類生產(chǎn)生物質能源的主要優(yōu)點是它們能夠在不同類型的水環(huán)境中生存，如蓄水層的鹽堿水和海水。然而，藻類生物大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)對水的需求量十分巨大。在藻類培養(yǎng)中，需綜合分析當?shù)氐乃终舭l(fā)速率、水資源成本和利用性。水資源的循環(huán)利用也十分必要，但循環(huán)量取決于藻種、水質、工藝和地點。此外，大水量循環(huán)水的輸送是一個高能耗過程，其成本也不容忽視。藻類生物質能生產(chǎn)與污水處理相藕合主要特點如下：
1）與傳統(tǒng)的污水處理相比，投資和運行維護費用較低。
2）污水可以補充藻類培養(yǎng)中損失掉的營養(yǎng)元素(如氮、磷等)和水。
3）可在藻類生物質的生產(chǎn)中回收營養(yǎng)元素。
4）需要從藻類生物質能生產(chǎn)過程的殘余物中回收營養(yǎng)元素和水。
5）與傳統(tǒng)的污水處理相比，能耗強度較低。
6）可與發(fā)電站或其他CO2工業(yè)排放源相耦合。
7）可處理農業(yè)污水和富營養(yǎng)化水體等。
［參考文獻］
［1］胡洪營，李鑫，于茵，等.藻類生物質能源——基本原理、關鍵技術與發(fā)展路線圖［M］.2011：12
［2］官滌.巢湖西半湖水華暴發(fā)的多元驅動因子分析及趨勢預測［D］.哈爾濱工業(yè)大學博士論文，2012，1.
［3］嵇磊，張利雄，姚志龍，等.利用藻類生物質制備生物燃料研究進展［J］.石油學報，2007，23（6）：1-4.
［4］吳偉光，仇煥廣，黃季焜.全球生物乙醇發(fā)展現(xiàn)狀、可能影響與我國的對策分析［J］.中國軟科學，2009，3：23-29.
［5］王亮，尚會建，鄭學明，等.生物質能開發(fā)利用研究進展［J］.河北工業(yè)科技，2009，26（5）：383-385.
［6］李雪靜，張璐瑤，喬明，等.藻類生物燃料研究開發(fā)進展［J］.中外能源，2009，14（4）：23-26.
［7］李元廣，譚天偉，黃英明.微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化技術中的若干科學問題及其分析［J］.中國基礎科學工業(yè)生物技術?？?2009，5：64-70.
［8］郝軍芳.中國生物乙醇產(chǎn)業(yè)投資現(xiàn)狀和趨勢分析［J］.生態(tài)經(jīng)濟，2010，232（11）：166-168.