藻類(lei)生(sheng)物質(zhi)能源(yuan)研(yan)究(jiu)技術

當(dang)前化石燃(ran)料環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)、氣候變(bian)化問(wen)題(ti)及(ji)儲量無法滿(man)足(zu)全(quan)球不斷增長(chang)的需(xu)求(qiu)，生物質(zhi)能源(yuan)的(de)發展(zhan)倍(bei)受(shou)關註(zhu)，為了(le)減少土地(di)、水資(zi)源(yuan)的(de)利(li)用消(xiao)耗以及(ji)有害農藥的過度(du)使(shi)用，藻類(lei)生(sheng)物質(zhi)能源(yuan)作(zuo)為(wei)第三代生物燃(ran)料成為(wei)可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)研(yan)究(jiu)開(kai)發的熱(re)點(dian)。

案例壹 提(ti)高廢(fei)水(shui)處理(li)和(he)微(wei)藻生(sheng)物燃(ran)料生產(chan)效(xiao)率(lv)

基(ji)於(yu)微(wei)藻的(de)廢(fei)水處理(li)系統(tong)是應(ying)對(dui)氣候變(bian)化和(he)廢(fei)水(shui)處(chu)理(li)中的(de)關(guan)鍵(jian)挑(tiao)戰(zhan)的(de)有前(qian)途(tu)的(de)工(gong)藝之(zhi)壹(yi)。廢(fei)水(shui)中(zhong)微(wei)藻的(de)生(sheng)長(chang)為可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)創(chuang)造(zao)了(le)原(yuan)料，廢水(shui)培(pei)養基(ji)為微(wei)藻的(de)生(sheng)長(chang)提(ti)供(gong)必需的養分，而(er)處理(li)後的(de)水(shui)可(ke)以再(zai)循環(huan)使(shi)用，以降低微(wei)藻培(pei)養的成本，因此，值得研(yan)究(jiu)廢(fei)水系(xi)統(tong)中微(wei)藻生(sheng)長(chang)的因素和(he)最佳(jia)條(tiao)件。

重慶大學研究(jiu)人員選(xuan)取(qu)柵藻屬(shu)quadricauda為(wei)目標藻種(zhong)，在(zai)不(bu)同湍流(liu)強(qiang)度(du)和(he)農(nong)業(ye)植物激(ji)素條(tiao)件下研(yan)究其(qi)生(sheng)物量(liang)積(ji)累、光(guang)合特性(xing)、養分去除效(xiao)率(lv)和(he)循環(huan)特性(xing)。結(jie)果表(biao)明，中等湍流(liu)強(qiang)度(du)和(he)混(hun)合植物激(ji)素為(wei)滿(man)足(zu)養分去除和(he)回(hui)收(shou)性(xing)能提(ti)供(gong)了(le)最佳(jia)操作(zuo)條(tiao)件，與(yu)靜止(zhi)組(zu)相比(bi)，生物量(liang)濃度(du)和(he)脂質產(chan)量(liang)分別(bie)增加(jia)了(le)24.78%和(he)70.00%，氨(an)氮和(he)磷酸鹽處(chu)理(li)的最高去除率分別為 77.49% 和(he) 65.17%（Huang，2022）。

該研究(jiu)采用易科(ke)泰(tai)公司提(ti)供(gong)的AquaPen手持(chi)式葉綠素(su)熒光(guang)儀(yi)測(ce)量PSII最大光(guang)化學效(xiao)率(lv)Fv/Fm，來(lai)評(ping)估(gu)微(wei)藻細胞光(guang)系(xi)統(tong)II活性(xing)，結(jie)果見下表(biao)，表(biao)中列出了(le)葉綠素(su)a、葉綠素(su)b、總(zong)葉綠素(su)含量和(he)潛(qian)在(zai)最大光(guang)合效(xiao)率(lv)，可(ke)以看出(chu)M+GIB條(tiao)件下葉綠素(su)含量達到最高值(zhi)8.84±0.22 mg/L，湍流(liu)組(zu)的Fv/Fm值(zhi)是對(dui)照組(zu)的(de)1.12倍(bei)，揭示出湍流(liu)對(dui)藻類(lei)光(guang)系(xi)統(tong)II和(he)Fv/Fm的(de)正向(xiang)作(zuo)用。

案例二 可(ke)持(chi)續(xu)生(sheng)物烷烴氣體生產(chan)和(he)可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)的(de)低碳(tan)戰(zhan)略(lve)

鑒(jian)於(yu)當前和(he)今(jin)後(hou)嚴(yan)峻(jun)的能源(yuan)危(wei)機和(he)碳(tan)排放(fang)因素，Mohamed Amer和(he)清(qing)華(hua)大學陳(chen)國強(qiang)等人(ren)（Amer，2020）利(li)用FMT150作(zuo)為培(pei)養和(he)反(fan)應(ying)容器(qi)，對(dui)工業(ye)藻株(zhu)大(da)腸桿菌（E. coli）、嗜(shi)鹽單(dan)胞菌（Halomonas）、集(ji)胞藻（Synechocystis）所產(chan)生(sheng)的丙烷和(he)丁(ding)烷氣進行研(yan)究(jiu)，並(bing)構思出(chu)適(shi)用於(yu)發達和(he)發展(zhan)中(zhong)國家可(ke)持(chi)續(xu)生(sheng)物烷烴氣體生產(chan)和(he)可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)的(de)實(shi)驗設(she)計圖以及(ji)量(liang)產(chan)流(liu)程圖(tu)。

案例三 城市汙(wu)水、汙(wu)水汙(wu)泥(ni)和(he)農(nong)業(ye)廢(fei)棄物厭(yan)氧消(xiao)化物的(de)微(wei)藻培(pei)養

為(wei)了(le)降低藻類(lei)工(gong)業(ye)化培(pei)養如(ru)二氧(yang)化碳(tan)、氮和(he)磷等營(ying)養物質(zhi)成本，Zuliani等(deng)研究(jiu)人員（2016）使(shi)用來(lai)自城(cheng)市廢(fei)水、汙(wu)水汙(wu)泥(ni)和(he)農(nong)廢(fei)處(chu)理(li)廠的(de)三種不同厭(yan)氧(yang)消(xiao)化物作(zuo)為營(ying)養源培(pei)養不同微(wei)藻藻株(zhu)，結(jie)果發現後(hou)兩者(zhe)條(tiao)件下的(de)小球(qiu)藻培(pei)養物中(zhong)每體積(ji)的脂質產(chan)量(liang)增加(jia)了(le)300%以上，該研究(jiu)相關(guan)結果證(zheng)明(ming)了(le)使(shi)用不同厭(yan)氧(yang)消(xiao)化物改善(shan)生物量(liang)或(huo)脂質生(sheng)產(chan)的(de)可(ke)能性(xing)，。

該研究(jiu)利(li)用MC 1000進(jin)行8通道藻類(lei)恒(heng)溫培(pei)養和(he)測(ce)量，每(mei)個試管都由(you)壹個(ge)獨立的(de)LED燈列提(ti)供(gong)照明(ming)，可(ke)分(fen)別獨立設(she)置光(guang)強(qiang)及(ji)時(shi)間，實(shi)驗光(guang)強(qiang)統(tong)壹設(she)置為(wei)400 µmol·m⁻²·s⁻¹，此(ci)外(wai)為(wei)了(le)防(fang)止細胞聚(ju)集還(hai)配(pei)備了(le)氣泡(pao)混勻模塊(kuai)，每(mei)5分(fen)鐘測(ce)量壹(yi)次(ci)光(guang)密度(du)Abs680（與(yu)葉綠素(su)含量成比(bi)例），Abs720（表(biao)征細胞數(shu)），680/720（表(biao)征每個細胞中(zhong)葉綠素(su)含量的變(bian)化）。利(li)用FluorCAM葉綠素(su)熒光(guang)成像(xiang)測(ce)量Fv/Fm參數(shu)，評(ping)估(gu)藻類(lei)隨(sui)時間(jian)積(ji)累後(hou)的(de)脅(xie)迫增加(jia)，高光(guang)條(tiao)件下該值在(zai)0.5到0.59之(zhi)間(jian)變(bian)化，例外(wai)是在(zai)dC5HS中(zhong)生長(chang)的Scenddesmus I藻株(zhu)，其(qi)Fv/Fm高達(da)0.69。以上結(jie)果(guo)表(biao)明，不同生(sheng)長(chang)介質(zhi)中的生長(chang)並未(wei)顯(xian)著(zhu)改變(bian) PSII 的(de)量子效(xiao)率(lv)。

案例四 生成隨(sui)機突變(bian)體(ti)以提(ti)高藻類(lei)光(guang)利(li)用效(xiao)率(lv)進(jin)而(er)生產(chan)更(geng)多生(sheng)物燃(ran)料

藻類(lei)培(pei)養的生(sheng)產(chan)力(li)取(qu)決(jue)於(yu)將陽(yang)光(guang)轉化為生(sheng)物量(liang)和(he)脂質的(de)效(xiao)率(lv)，自(zi)然環(huan)境(jing)中的(de)野生(sheng)藻類(lei)朝(chao)著(zhe)競(jing)爭光(guang)能將單(dan)個細胞的(de)生長(chang)的方向進化，而(er)在(zai)光(guang)養生物反(fan)應(ying)器中(zhong)提(ti)高整(zheng)體(ti)生產(chan)力(li)才是主要(yao)目標，研(yan)究人(ren)員用甲磺(huang)酸乙(yi)酯 (EMS) 處(chu)理(li)Nannochloropsis gaditana，誘(you)導隨(sui)機基(ji)因組突變(bian)，以產(chan)生(sheng)細胞色素含量降低的藻類(lei)，結(jie)果表(biao)明有助(zhu)於(yu)在(zai)實(shi)驗室(shi)規(gui)模(mo)培(pei)養條(tiao)件下提(ti)高該藻類(lei)的(de)生物燃(ran)料生產(chan)率(lv)（Perin，2015）。

該研究(jiu)用SL3500光(guang)源(yuan)為藻類(lei)提(ti)供(gong)培(pei)養光(guang)照，利(li)用FluorCam葉綠素(su)熒光(guang)成像(xiang)篩(shai)選突(tu)變(bian)藻，並(bing)充(chong)分(fen)運(yun)用F0/Area，Fv/Fm，NPQ等(deng)參數(shu)進(jin)行分析(xi)。

易(yi)科泰生態技術公司提(ti)供(gong)藻類(lei)生(sheng)物質(zhi)能源(yuan)研(yan)究(jiu)技術全面(mian)解決(jue)方案

1.藻類(lei)葉綠素(su)熒光(guang)與(yu)光(guang)合作用測(ce)量：包括FL6000雙調制葉綠素(su)熒光(guang)儀(yi)、AquaPen手持(chi)式藻類(lei)熒(ying)光(guang)測(ce)量儀(yi)、AOM藻類(lei)葉綠素(su)熒光(guang)在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)等，可(ke)選(xuan)配(pei)氧氣傳感器(qi)用於(yu)藻類(lei)光(guang)合作用測(ce)量

2.藻類(lei)葉綠素(su)熒光(guang)成像(xiang)分析(xi)：包括FKM多(duo)光(guang)譜(pu)熒(ying)光(guang)動態顯(xian)微(wei)成像(xiang)系統(tong)、FluorCam熒(ying)光(guang)成像(xiang)系統(tong)等

3.藻類(lei)培(pei)養與(yu)在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)：包括AlgaeTron藻類(lei)培(pei)養箱、FMT150藻類(lei)培(pei)養與(yu)在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)、MC1000 8通道藻類(lei)培(pei)養與(yu)在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)、定(ding)制型(xing)光(guang)養生物反(fan)應(ying)器、SL3500光(guang)源(yuan)等。

4.AlgaTech高通量(liang)藻類(lei)表(biao)型分析(xi)平(ping)臺，可(ke)自(zi)動運行(xing)藻類(lei)葉綠素(su)熒光(guang)成像(xiang)分析(xi)、高光(guang)譜(pu)成像(xiang)分析(xi)等(deng)。

參考(kao)文獻(xian)

1.Saad, M. G., Dosoky, N. S., Zoromba, M. S. & Shafik, H. M. Algal Biofuels: Current Status and Key Challenges. Energies 12, 1920 (2019).

2.Huang, H., Zhong, S., Wen, S., Luo, C. & Long, T. Improving the efficiency of wastewater treatment and microalgae production for biofuels. Resources, Conservation and Recycling 178, 106094 (2022).

3.Amer M, et al. 2020. Low Carbon Strategies for Sustainable Bio-alkane Gas Production and Renewable Energy. Energy & Environmental Science 13(6): 1818-1831.

4.Zuliani, L. et al. Microalgae C*tion on Anaerobic Digestate of Municipal Wastewater, Sewage Sludge and Agro-Waste. IJMS 17, 1692 (2016).

5.Perin, G. et al. Generation of random mutants to improve light-use efficiency of Nannochloropsis gaditana cultures for biofuel production. Biotechnol Biofuels 8, 161 (2015).