成果简介
近日,重庆理工大学常海星副教授和哈工大贺诗欣教授联合在环境领域著名学术期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews上发表了题为“Advancements on process regulation for microalgae-based carbon neutrality and biodiesel production”的综述论文。本文以过程调控的视角分析了微藻光合作用过程中CO2和光的传质、吸收和转化机制,描述了CO2和光对微藻光合作用的协同效应。同时综述了微藻光合作用碳减排和油脂代谢在过程调控方向的技术发展现状。随后,从经济和环境影响方面评价了过程调控对微藻光合作用固碳及生物柴油生产的挑战和前景。该综述从光合作用传质转化的过程调控角度出发,为进一步促进微藻固碳和生物柴油生产提供了一种新的见解。
引言
为了在2060年实现碳中和目标,人们对生物质能源碳捕获和储存(BECS)技术寄予厚望。微藻固碳作为BECS的主要路径之一,可以通过光合作用将CO2转化为胞内能源物质(如脂质),并且可进一步加工为生物柴油。因此,微藻被认为有望缓解碳排放和能源短缺问题。然而,微藻在碳减排和生物柴油生产的大规模应用中,仍面临如效率低、能耗高等诸多挑战。从传质和转化角度来看,微藻碳固定及脂质生产可分为一些连续的物理、化学或生化步骤。每个步骤作用效果随操作不同而发生波动,最终影响微藻碳固定及脂质生产效率。近年来,已有诸多文章全面综述了光生物反应器结构、培养模式和生物炼制潜力对微藻固碳和脂质生产的影响。然而从光合作用过程的角度分析微藻固碳和脂质生产的传质和转化过程调控还少有报道。与之前的综述不同,本工作旨在分析微藻细胞对CO2和光的传质、吸收和转化过程,从而为可能的过程强化提供一些指导(如图1)。
图1.基于微藻的CO2固定和脂质生产的关键因素和相关过程。
图文导读
反应器内CO2传输过程
图2. 气相CO2向微藻培养液的溶解传质过程
CO2通常以气泡的形式供应到微藻培养基中,其传输过程如图2所示,主要包括CO2从气体向液体的转移和CO2转化为微藻悬浮液中无机碳的过程。CO2传质阻力主要来自于薄气膜层和薄液膜层,因此,强化气液相之间扩散边界层的传质强化方法可以显著提高CO2传输通量。此外,通过将大气泡分解成小气泡和提高提供气体中的CO2浓度也可以提高CO2转移速率。之后,CO2分子通过一系列化学反应溶解到培养基中,形成四种主要无机碳(CO2, H2CO3, HCO3-, CO32-)。
图3. 微藻细胞的三种CO2浓缩机制 (CCM)
CO2溶解到微藻悬浮液后,可利用的无机碳被输送到RUBISCO活性位点转化为甘油-3-P。然而,微藻RUBISCO对CO2的亲和力相对较低。为了克服RUBISCO活性位点的碳缺乏,微藻被认为可通过三种CO2浓缩机制(CCM)的策略来增强CO2供应 (图3)。第一种是基于微藻细胞的主动转运,可以无视DIC浓度梯度传递CO2和至细胞质基质,这是因为在碳限制介质中可以触发转运载体BCT1。第二种类型的CCM基于RUBISCO附近区室中的细胞质基质酸化。最后一种类型基于C4和Crassulacean酸代谢(CAM)。
微藻光合固碳过程碳传输强化
微藻固碳强化主要包括碳传输过程以及微藻细胞碳同化过程强化。CO2在微藻悬浮液中的扩散率和溶解度由涉及的气液接触面积,CO2体积分数,CO2浓度,CO2传质系数,气泡停留时间,培养基特性和PBR结构的因素协同作用。目前,研究人员致力于从气体曝气器、PBRs结构和培养基性质的角度提高碳的可用性。气体曝气器是将CO2注入微藻悬浮液的装置,极大地影响了气泡的大小、气液接触面积和气体滞留时间。另一方面,PBR结构可以设计优化气体流道以延长气体滞留时间,而且可通过控制气体流体动力学行为破坏气泡。但同时,PBR的结构设计还应考虑剪切力会破坏微藻细胞壁的影响。除了增强碳的可用性外,通过突变和基因工程等生物学方法选择和修饰改善微藻碳同化以全面增强微藻固碳同样十分重要。例如多种微藻在碳同化和脂质合成方面显示出独特的潜力,使得菌株筛选成为一项必要的工作。通过基因工程调节酶表达对碳固定和脂质合成具有重要意义。
微藻光合作用过程光碳协同机制
当光入射至微藻悬浮液后主要发生三种传输和转化过程,一部分光会被微藻细胞吸收利用,第二部分光会被微藻细胞和CO2气泡反射,第三部分光会向反应器内部进行传输。从反应器表面入射到微藻细胞的净光合效率通常低于1%。为了提高光利用率,通过机械混合的方式使微藻细胞在光抑制区和光限制区域之间定期循环可有效避免光氧化损伤和光照不足的限制。此外,将微藻细胞无法利用的光波长转换为微藻可用的范围也利于提高光利用效率。
图4. 微藻细胞的光子捕获和转化过程
微藻细胞的光子捕获和转换过程如图4所示。光子到达微藻细胞后被叶绿素捕获为光合作用提供能量,其中涉及光反应和暗反应。光反应为暗反应产生能量载体ATP和电子载体NADPH,随后暗反应利用ATP和NADPH通过卡尔文循环固定CO2并产生储能化合物。当微藻细胞面对光照强度过大或碳供应不足的培养工况时,微藻细胞可产生一系列的生理反应补偿电子和质子的不平衡供需。然而,微藻细胞对光应激的适应能力是有限的。光传输过程调控对于增强微藻碳固定和脂质合成是必要的。
图5. 微藻细胞中的脂质合成途径
甘油三酯(TAG)是生物柴油生产的重要前驱体。如图5所示,微藻细胞内的TAG合成是从细胞质基质中的脂肪酸合成开始的。在内质网的酰基转移酶辅助下连续酰基转移三次后,脂肪酸可以掺入甘油骨架上形成TAG,所有这些生物转化都是由酰基辅酶A合成引发的。综上,微藻细胞中的碳和光代谢是相互关联的,因为共享ATP循环、电子转移和质子供需。因此,合适的碳可用性和光强度对于微藻碳固定和脂质积累非常重要。
微藻光合作用过程光传输调控
光的传输过程调控分为微藻悬浮液中光的传输分布调控及微藻可利用的光谱调控。微藻悬浮液中光分布不均,极大限制了微藻生长。通过反应器结构设计进行光稀释和光传导可实现微藻反应体系内的光分布调控,同时有望根据微藻光合作用过程实际需求进行光供给,而通过光谱调节提微藻可利用的光谱带(如红光和蓝光)比例是改善微藻光合效率的有效方法。利用可实现光谱转换的功能性材料将微藻无法利用的光谱转化为微藻可用光谱可有效强化微藻细胞光合作用过程光利用率。生物质积累和脂质生产过程中的最佳光照响应强度各不相同,通过梯度光照供给策略是一种协调生物量积累与脂质积累之间矛盾的有效方法。
小结
本文从微藻光合过程调控的视角出发,深入分析了微藻固碳过程中CO2和光的传输转化过程,并对相应的薄弱环节提出了过程强化策略。基于微藻碳固定技术发展现状,分析了目前面临的挑战以及未来发展方向。最后,通过经济和环境影响分析表明,基于微藻光合作用的过程调控对微藻固碳和生物柴油生产具有积极作用。