張琪1，劉淑麗2，張立國(guó)2，張多英3，鄭國(guó)臣1
（1.松遼流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，吉林長(zhǎng)春130021；2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150090；3.黑龍江東方學(xué)院食品與環(huán)境工程學(xué)部，黑龍江哈爾濱150086）
［摘要］藻類作為第三代生物質(zhì)能源具有分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，吸引了越來越多的關(guān)注。文中闡述了藻類生物質(zhì)能源的研究進(jìn)展、產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的關(guān)鍵問題及發(fā)展趨勢(shì)。
藻類具有分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、生產(chǎn)成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，吸引了越來越多的關(guān)注。目前，藻類是生產(chǎn)高級(jí)生物質(zhì)能源的重要原料，關(guān)于藻類生物質(zhì)能源的研究(包括生物制氫、生物質(zhì)油、生物柴油等)仍處于起步階段。
藻類作為第三代生物質(zhì)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(zhǎng)，藻類培養(yǎng)無(wú)需消耗有限的淡水資源；②藻類可提供較高的生物質(zhì)產(chǎn)量，同時(shí)藻類培養(yǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不沖突；③利用藻類生物質(zhì)可通過綜合工藝生產(chǎn)各種燃料和高價(jià)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(guó)外藻類生物質(zhì)能源的研究進(jìn)展
近年來，歐美、日本及包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家，對(duì)藻類生物質(zhì)能源的研究越來越重視。2007年1月，美國(guó)總統(tǒng)布什在《國(guó)情咨文》中宣稱，美國(guó)計(jì)劃在今后10年將美國(guó)的汽油消費(fèi)量減少20%，其中15%通過使用替代燃料實(shí)現(xiàn)，計(jì)劃到2017年燃料乙醇的年使用量達(dá)到1325億L，是目前年使用量的7倍。
美國(guó)能源部于2008年重新啟動(dòng)了與藻類生物質(zhì)能相關(guān)的研究項(xiàng)目。2007年3月，歐盟27國(guó)出臺(tái)了新的共同能源政策，計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)生物燃料乙醇使用量占10%。繼2008年增長(zhǎng)60%后，歐盟2009年的乙醇生產(chǎn)量又繼續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)了31%，歐盟乙醇生產(chǎn)量已從2008年28億L增長(zhǎng)到2009年37億L。德國(guó)消費(fèi)11.43億L，使其成為最大的乙醇消費(fèi)國(guó)。法國(guó)是第二大消費(fèi)國(guó)，消費(fèi)7.98億L；其后是瑞典，消費(fèi)3.77億L。預(yù)計(jì)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(yù)計(jì)在今后10年內(nèi)可再生運(yùn)輸工業(yè)將以超過10倍的速度增長(zhǎng)。由此可見，藻類生物質(zhì)能源工業(yè)化應(yīng)用的前景十分廣闊。
2藻類生物關(guān)鍵技術(shù)分析
藻類生物質(zhì)能面臨的主要問題有：①優(yōu)良生物質(zhì)原料(藻種)的規(guī)模化獲?。虎谠孱惔x產(chǎn)物的提??；③藻類直接代謝物的加工及應(yīng)用。具體內(nèi)容分析如下：
2.1藻種的獲取
藻種在長(zhǎng)期培養(yǎng)中的穩(wěn)定性是保證生物質(zhì)能源低成本的關(guān)鍵。藻種快速生長(zhǎng)的能力對(duì)于生產(chǎn)力及與雜藻的競(jìng)爭(zhēng)力均非常重要。因此，為了考察藻種生命力，需要對(duì)大規(guī)模的培養(yǎng)條件進(jìn)行小規(guī)模的模擬研究。
目前，缺乏高通量、同時(shí)評(píng)價(jià)多指標(biāo)篩選方法是大規(guī)模藻種篩選的主要技術(shù)瓶頸。藻種的篩選工作應(yīng)主要考慮三個(gè)方面：藻類生長(zhǎng)生理學(xué)、代謝產(chǎn)物生產(chǎn)力及藻種生命力。生長(zhǎng)生理學(xué)包括一系列參數(shù)，如最大比生長(zhǎng)速率、最大藻密度、對(duì)環(huán)境變化的抵抗力和營(yíng)養(yǎng)需求等?；诖x產(chǎn)物生產(chǎn)力的藻種篩選工作，通常包括細(xì)胞組成分析和作為生物質(zhì)能生產(chǎn)原料的藻細(xì)胞代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)力測(cè)定。
現(xiàn)有的藻種保藏中心可提供豐富的藻種資源，如美國(guó)得克薩斯州大學(xué)的藻種保藏中心大約有3000株藻種；Provasoli-Guillard國(guó)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(zhì)能領(lǐng)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(zhì)能源提供大量的生物資源。
2.2藻類生物質(zhì)目標(biāo)產(chǎn)物的獲取
藻類具有生物量大、生長(zhǎng)周期短、易培養(yǎng)以及含有較高的脂類等特點(diǎn)，是制備生物質(zhì)液體燃料的良好材料。微藻熱解所得的生物質(zhì)燃油熱值高達(dá)33MJ/kg，是木材或農(nóng)作物秸稈的1.6倍。通過調(diào)節(jié)微藻的培養(yǎng)條件和脂類含量，可獲得高品質(zhì)、高熱值的生物質(zhì)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(xì)胞或絲狀藻體，微藻油脂含量較高，生長(zhǎng)較快，是制備生物柴油的較好藻類[4]。目前，世界范圍內(nèi)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(rèn)為是理想的能源微藻資源，而以大藻為原料的報(bào)道較少。
近年來，藻類產(chǎn)氫也生物質(zhì)能源的一個(gè)研究方向。藻類制氫的發(fā)展受到一些生物學(xué)因素的限制，目前已經(jīng)識(shí)別出的因素主要包括以下四個(gè)方面：①氫化酶對(duì)O2的敏感性問題；②其他代謝途徑在鐵氧化還原蛋白處對(duì)光合還原劑的競(jìng)爭(zhēng)問題；③ATP的過量產(chǎn)生導(dǎo)致的調(diào)控問題；④太陽(yáng)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(duì)O2的耐受能力；②識(shí)別與氫化酶競(jìng)爭(zhēng)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(diào)控光合生物膜，減少ATP生成；④調(diào)控光合天線色素含量，提高光能利用率。某些微藻及藍(lán)組菌可以生產(chǎn)氫[5]。
2.3藻類生物質(zhì)能源生物技術(shù)及應(yīng)用
當(dāng)前，我國(guó)面臨著水資源匱乏和能源緊缺的嚴(yán)峻形勢(shì)。胡洪營(yíng)[1]等人提出的污水深度脫氮除磷與微藻生物質(zhì)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(zhì)能生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性，基本取決于其生物生產(chǎn)力的高低。為了評(píng)估藻種的生產(chǎn)力，還需要更好的方法來檢測(cè)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(yīng)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(dòng)化，以滿足快速、經(jīng)濟(jì)、高通量的監(jiān)測(cè)要求[6]。
通過現(xiàn)代分析方法可以更好地理解藻類生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物積累的生物學(xué)原理，從基因和細(xì)胞的水平上掌握各種藻類能源物質(zhì)的合成及調(diào)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?cè)宸N特性的技術(shù)水平十分有限，這是限制藻類能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
基礎(chǔ)生物學(xué)可提供的信息有：水平基因轉(zhuǎn)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(duì)基礎(chǔ)生物學(xué)的深入理解同樣十分重要。高通量方法，如基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)，可以在整個(gè)細(xì)胞內(nèi)進(jìn)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(shí)，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了以上學(xué)科的發(fā)展，并創(chuàng)造了生物信息學(xué)這一全新領(lǐng)域。該領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的新數(shù)據(jù)庫(kù)和搜索算法，有助于生物學(xué)家以前所未有的時(shí)間跨度和方式分享并獲得研究成果，更好地理解藻細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)過程并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控[8]。
3結(jié)語(yǔ)
利用藻類生產(chǎn)生物質(zhì)能源的主要優(yōu)點(diǎn)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(duì)水的需求量十分巨大。在藻類培養(yǎng)中，需綜合分析當(dāng)?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(zhì)、工藝和地點(diǎn)。此外，大水量循環(huán)水的輸送是一個(gè)高能耗過程，其成本也不容忽視。藻類生物質(zhì)能生產(chǎn)與污水處理相藕合主要特點(diǎn)如下：
1）與傳統(tǒng)的污水處理相比，投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低。
2）污水可以補(bǔ)充藻類培養(yǎng)中損失掉的營(yíng)養(yǎng)元素(如氮、磷等)和水。
3）可在藻類生物質(zhì)的生產(chǎn)中回收營(yíng)養(yǎng)元素。
4）需要從藻類生物質(zhì)能生產(chǎn)過程的殘余物中回收營(yíng)養(yǎng)元素和水。
5）與傳統(tǒng)的污水處理相比，能耗強(qiáng)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(nóng)業(yè)污水和富營(yíng)養(yǎng)化水體等。
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