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    “微藻生物固碳”研究仪器推荐

    发布时间: 2022-06-08  点击次数: 663次

          2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和是党中央深思熟虑后做出的战略决策,既是对国际社会的庄严承诺,也是国内经济高质量发展的内在要求(求是网,2022)。二氧化碳的捕集、利用和封存(CCUS)是化石能源未来大规模减排的核心技术或者是关键技术,是中国实现碳中和的关键核心技术(中国网,2021)。

          用于CO2减排的方法主要包括物理封存法、化学固定法和生物固定转化法。但前两者存在环境要求苛刻、成本高、不可持续性等缺点。生物固定CO2技术,尤其是微藻固定CO2技术,是主要和有效的固碳方式之一,也是一种经济可行、环境友好和可持续性发展的CO2固定技术。

          作为一种高效固定CO2的微小细胞工厂,微藻具备生长周期短、光合效率高等特点,其CO2固定效率为一般陆生植物的10~50倍;同时微藻生长速度快,环境适应性强,不占用可耕地。此外,微藻能利用发电厂烟道废气和其他工业尾气为无机碳源,并利用市政废水和工农业生产废水为营养源进行低成本培养微藻,同时生产出具有高附加值的微藻产品及生物燃料。基于以上优点,微藻应用于各领域CO2的减排研究己广泛展开,如空气净化、发电厂等工业烟道废气及汽车尾气中的CO2净化脱除等(周文广和阮榕生,2014)。


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          北京易科泰生态技术有限公司长期致力于先进的光生物反应器和藻类光合生理无损检测技术的引进、推广和集成,特此将“微藻生物固碳"研究相关的仪器设备进行整理归纳,方便研究人员参考查阅。


    仪器名称

    功能

    常用参数/程序

    在微藻固碳研究中的作用

    AquaPen手持式藻类荧光测量仪

    快速测量叶绿素荧光参数

    Fv/Fm、NPQ、JIP test、Light Curve

    快速评估固碳候选藻种在高浓度CO2下的光合活力和光能转化效率

    AP-kit藻类光合生理检测盒

    快速轻松获得叶绿素荧光参数和光合呼吸速率参数

    Fv/Fm、NPQ、JIP test、Light Curve、光合放氧速率

    综合评估固碳候选藻种在高浓度CO2下的光化学转化效率及CO2同化率

    MC1000 8通道藻类培养与在线监测系统

    8通道的精确控光培养及在线生物量评估

    培养周期及环境参数设定;OD680&OD720

    提供精确可控的培养环境(光、温度、气体),在线评估微藻生物量浓度(比色法),筛选优质固碳藻种

    FMT150藻类培养与在线监测系统

    精确控光培养及多参数调控监测

    培养周期及环境参数

    设定;OD680&OD720;Fv/Fm、ΦPSII;pH、溶解氧(选配)、溶解CO2(选配)

    提供精确可控的培养环境(光、温度、气体,可选恒化及恒浊培养),在线评估微藻生物量浓度,对微藻的光合生理状态、培养液溶解CO2浓度进行在线监测

    ET-PSI多功能藻类培养与在线监测系统

    25L、100L及以上容积的规模化藻类培养,精确控光培养及多参数调控监测

    培养周期及环境参数设定;OD680&OD720;Fv/Fm、ΦPSII;pH、溶解氧(选配)、溶解CO2(选配)

    提供精确可控的培养环境(光、温度、气体,可选恒化及恒浊培养),在线评估微藻生物量浓度,对微藻的光合生理状态、培养液溶解CO2浓度进行在线监测,培养优质固碳藻种及工业应用

    FluorCam叶绿素荧光成像系统

    高通量测定微藻叶绿素荧光参数

    Fv/Fm、NPQ、φPSII、qP、Rfd、ETR、LC曲线等

    高通量筛选光合突变体;高通量筛选高光化学效率、低热耗散的高效固碳藻种

    AOM藻类荧光在线监测系统

    微藻叶绿素荧光在线监测

    Ft、Fv/Fm、OJIP、Fix Area(与藻类浓度线性相关)

    在线评估微藻生长状况及浓度



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    1. AquaPen手持式藻类荧光测量仪

          AquaPen是一款藻类研究者的小型设备。它既具备PAM叶绿素荧光测量功能,又具备快速荧光诱导曲线测量和分析(JIP-test)功能,所有常用叶绿素荧光参数一键即得。比色杯式的AquaPen具备OD680和OD720测量功能,可对微藻的叶绿素含量及浓度进行快速评估。探头式的AquaPen则可进入到培养液中进行测量。


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          获得能耐受高浓度CO2并可高效固定CO2的微藻藻株是微藻固定减排CO2技术能否 实现工业化应用的关键。AquaPen能够用来快速评估固碳候选藻种在高浓度CO2下的光合活力和光能转化效率。

          在亚北极海域和动物共生的微藻因其寄主的呼吸作用和更长的黑暗季节,所以理论上对高浓度CO2具有天然的适应性。基于此假设,莫斯科国立大学的研究人员成功从生活在白海深海海底的水螅Dynamena pumila中分离出一种新型共生绿藻,将其培养在高浓度CO2(体积分数20%)的环境中,发现共生绿藻的生长速度比大气培养条件(0.04%CO2)下增长了两倍,并且能够维持碳氮同化的平衡。高浓度CO2培养并不会影响共生绿藻光合机构的超微结构和功能,相反会使其饱和光强、量子效率、光合放氧速率和CO2固定率均有所升高,由此证明了该共生绿藻天然适应于高浓度CO2环境,并表现出出色的生理可塑性。该研究证明了高CO2耐受性的共生微藻是CO2生物减排的有力候选藻种(Solovchenko et al., 2015)。

          为评估共生绿藻的光合机构在不同CO2浓度中的状态,使用AquaPen测定了不同光照培养条件下的PSII最大量子产额Fv/Fm。发现所有组别的样品均未低于0.6,而饱和光(250μmol/m2*s)、低CO2浓度(0.04%)培养下的共生绿藻的Fv/Fm大幅降低,相反高CO2浓度培养的共生绿藻在不同光照条件下均保持较高的最大量子产额,表现出优异的光强适应性和可塑性。


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    2. AP-kit藻类光合生理检测盒

          AP-kit藻类光合生理检测盒是量身定制的藻类光合作用测量方案,帮助藻类科研工作者轻松、完整地获取藻类光合生理数据。具有小巧便携、易操作、高性价比的特点。检测盒由呼吸瓶式氧气测量仪、手持式藻类叶绿素荧光仪组成,具备测量光合(放氧)速率、叶绿素荧光参数的功能。检测盒既能够测定微藻的光化学转化效率,评估光合机构的功能状态,也能够测定光合呼吸速率,评估微藻的CO2同化能力。


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          颗石藻是海洋中最重要的钙化生物类群之一,也是主要的初级生产者,同时进行光合与钙化两种固碳作用(两者分别是碳汇和碳源过程),因此在海洋碳循环中起到重要作用(许凯,2012)。颗石藻表面往往覆盖一层又一层的颗石粒(Coccolith),形成壳状结构的颗石球(Coccosphere)。英国海洋生物协会和美国北卡莱罗纳大学威明顿分校联合研究发现:不同种的颗石藻对钙化作用的需求不同,破坏钙化作用会导致某些种的颗石藻无法维持完整的颗石球,产生细胞周期阻滞现象和重大的生长缺陷(Walker et al., 2018)。

          研究人员使用低浓度Ca2+中断颗石藻的钙化作用,借助AP-kit藻类光合生理检测盒测定其Fv/Fm最大光化学效率和净光合速率,发现两个参数均未发生显著变化,表明颗石藻的光合活性未受到抑制,因而在一定程度上证明了颗石藻的光合作用和钙化作用相对独立。论文发表于2018年《New Phytologist》杂志。


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    3. MC1000 8通道藻类培养与在线监测系统

          MC1000 8通道藻类培养与在线监测系统由8个100ml藻类培养试管、水浴控温系统、LED光源控制系统及光密度和溶解氧(选配)在线监测系统等组成,可用于藻类培养与控制实验、梯度对比实验。MC1000能够为微藻生物固碳研究提供精确可控的培养环境(光、温度、气体),并能够基于比色法在线评估微藻生物量浓度。


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          今年美-巴能源高级研究中心(USPCAS-E)的研究人员报道了两种新型微藻:它们能够在高浓度CO2(体积分数4%)培养环境中提升生物量产量,保持高生长速率和高固碳率,因而具备CO2生物固定的潜力。研究人员对比了MC1000 8通道藻类培养监测系统和实验室常规反应器对微藻的培养效率和功能表现。发现在相同CO2浓度下,使用MC1000培养的两种新型微藻的生物量浓度、比生长速率和CO2固定率均显著高于实验室常规反应器(Khan et al., 2022)。

          MC1000多通道藻类培养监测系统优秀的表现和更高的效率得益于其*的设计和多样的功能,能够提供精确的水浴控温和均质光照,且内置OD测量功能。实测结果表明生物量浓度—OD680拟合相关系数高,因此无需取样即可定期监测微藻生物量浓度变化,用以计算生长速率。


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    4. FMT150藻类培养与在线监测系统

          FMT150藻类培养与在线监测系统是国际将藻类光生物反应器技术与藻类生理监测技术(叶绿素荧光技术、光密度测量)结合起来的系统,集成了目前几乎所有主要的藻类在线培养与生理监测技术。它能够为微藻固碳研究提供精确可控的培养环境(光、温度、气体,可选恒化及恒浊培养),能够在线评估微藻生物量浓度、光合生理状态及监测培养液溶解CO2浓度。


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          印度科学和工业研究委员会中央采矿研究所(CSIR-CIMFR)的研究人员从采矿区的水塘中分离和鉴定出数种淡水藻类,并基于高生长速率和光合速率、对其他痕量组分气体的高耐受性、高温度耐受性、生产高价值产品的潜力等多个指标,对适用于工业废气(包括热电厂和天然气处理厂尾气)CO2固定的藻种进行了筛选。本研究中400mL的FMT150和 25L的ET-PSI光生物反应器被用来进行淡水藻的培养、在线监测和CO2的固定。研究结果表明丝状蓝藻Oscillatoria是工业废气生物固碳的理想藻种,其CO2捕获能力较高的时期出现在16-32h,即迟缓期后期和对数期,并在pH为7-9,温度25-30℃的培养条件下能够获得较高的CO2捕获效率和生物量产量(Anguselvi et al., 2019)。


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    5. ET-PSI多功能藻类培养与在线监测系统

          ET-PSI多功能藻类培养与在线监测系统由大型平板式培养器(标配25L,可选配100L或定制其它容积大小)、控制系统及在线监测系统组成,集光养生物反应器技术、叶绿素荧光监测技术、水体/藻类光合呼吸监测技术、营养盐在线监测技术等先进科学技术于一体。

          在微藻固碳研究中,同FMT150的功能一致,ET-PSI能够提供精确可控的培养环境(光、温度、气体,可选恒化及恒浊培养),在线评估微藻生物量浓度,光合生理状态及监测培养液溶解CO2浓度。同时较大的容积利于优质固碳微藻(尤其是基因工程微藻)的藻种培养,以及大规模固定烟气CO2用以生产微藻及高附加值微藻产品。


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          例如华盛顿大学Advanced Coal & Energy Research Facility安装了5套100L ET-PSI多功能藻类培养与在线监测系统,以利用蓝藻和真核藻类的光合作用捕获和消耗废气中的CO2进行生物量生产。整套设备既能够使用存储的废气独立工作,也能够和燃烧装置相连进行系统的研究及整合优化(CCCU, 2016)。


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    6. FluorCam叶绿素荧光成像系统

          FluorCam叶绿素荧光成像系统在二十世纪末由捷克PSI厂家研制成功,是一台商业化的叶绿素荧光成像系统。自面世后,FluorCam广泛应用于植物叶片及果实等其它植物组织、整株植物或培养的多株植物、苔藓地衣等低等植物,实现了绿色组织光合时空异质性的快速灵敏检测。对于微藻,FluorCam则提供了高通量光合活性检测的有效手段,既可用于高通量筛选光合突变体,用于光合基因表达调控的研究;也可用于高通量筛选高光化学效率、低热耗散的高效固碳藻种。


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          Perin等人采用FluorCam叶绿素荧光成像系统初步筛选微拟球藻(Nannochloropsis gaditana)的高光效突变体。研究小组使用化学引变剂乙基甲烷磺酸盐(EMS)诱导突变和插入突变两种方式生成突变体库,使用FluorCam高通量检测其光合活性的可能变化,测量参数包括最小荧光F0、最大光化学效率Fv/Fm、有效光化学效率ΦPSII、光系统调节能力NPQ(Perin et al., 2015)。四个参数分别用来筛选细胞叶绿素含量降低(利于在人工培养环境中提高藻液光透过率)、PSII最大光化学效率升高或者保持不变、在更高的光强下使光合作用饱和(即φPSII升高)、NPQ降低无法结构性激活过量能量耗散(在光限制严重的人工培养环境中更有利)的突变株系。


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          左图展示了微拟球藻荧光强度(最小荧光F0)的筛选结果:红圈为野生型,白圈为筛选出的、荧光过低或过高的突变体;右图展示了不同突变体上述4个筛选参数的差异。


    参考文献

    1.周文广, 阮榕生. 微藻生物固碳技术进展和发展趋势[J]. 中国科学:化学, 2014(1):16.

    2.许凯.颗石藻固碳作用对海洋酸化与UV辐射响应的研究[D].厦门大学,2012.

    3.李玉国, 李芳. 燃煤烟气微藻固碳减排技术现状及发展[J]. 皮革制作与环保科技, 2021, 2(14):2.

    4.中国网,许世森:CCUS是中国实现碳中和的关键核心技术.[EB/OL] (2021-09-30)

    5.求是网.正确认识和把握我国发展重大理论和实践问题.[EB/OL](2022-05-15)

    6.Anguselvi V, Masto R E, Mukherjee A, et al. CO 2 capture for industries by algae[M]//Algae. IntechOpen, 2019.

    7.Khan T A, Liaquat R, Khoja A H, et al. Biological carbon capture, growth kinetics and biomass composition of novel microalgal species[J]. Bioresource Technology Reports, 2022, 17: 100982.

    8.Solovchenko A, Gorelova O, Selyakh I, et al. A novel CO2-tolerant symbiotic Desmodesmus (Chlorophyceae, Desmodesmaceae): Acclimation to and performance at a high carbon dioxide level[J]. Algal Research, 2015, 11: 399-410.

    9.Walker C E, Taylor A R, Langer G, et al. The requirement for calcification differs between ecologically important coccolithophore species[J]. New Phytologist, 2018, 220(1): 147-162.

    10.Perin G, Bellan A, Segalla A, et al. Generation of random mutants to improve light-use efficiency of Nannochloropsis gaditana cultures for biofuel production[J]. Biotechnology for biofuels, 2015, 8(1): 1-13.

    11.Consortium for Clean Coal Utilization,[EB/OL](2016-10-20)