鄒寧是魯東大學教授、藻類研究所所長，無棣魯東大學海洋研究院院長，煙臺市微藻工程技術研究中心主任。此次兩會期間，鄒寧結合自身研究方向，提出了“關于推進微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜合利用鹽堿地和沙漠實現(xiàn)碳中和的建議”。他說，黃河三角洲地區(qū)，包括山東省東營、濱州、濰坊、煙臺四個市的北部沿海地區(qū)，大面積灘涂鹽堿地特別適于養(yǎng)藻。既高效凈化了水又高效吸收了二氧化碳，凈化了空氣，真正快速實現(xiàn)“碳中和”。“微藻種類多、作用巨大?？勺黾Z食、可持續(xù)利用生物能源（石油是古代藻類沉積而成的）、醫(yī)藥、天然食品色素、化妝品、畜禽養(yǎng)殖飼料蛋白、海水動物的活體飼料、海藻肥、化工原料。而且培養(yǎng)藻類不占用耕地、不消耗淡水、快速大量吸收二氧化碳、能凈化水質。”鄒寧介紹，由于微藻產(chǎn)業(yè)能夠帶動與支撐水產(chǎn)育苗和養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)、生物制藥產(chǎn)業(yè)、保健食品產(chǎn)業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)及藻類深加工產(chǎn)業(yè)，對此，他建議，國家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、科技部應設立專項項目，推動微藻培養(yǎng)技術盡快向產(chǎn)業(yè)轉化。通過結合國家碳中和、山東省鹽堿地綜合開發(fā)利用、西北沙漠治理等戰(zhàn)略規(guī)劃，大力推進推廣微藻生產(chǎn)、加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在煙臺、濱州、東營、濰坊和國家西部沙漠地區(qū)建設并首先實現(xiàn)負碳經(jīng)濟示范區(qū)，率先達到碳中和的偉大目標。

還別說，有一種古老的生物就有這種好胃口，它們不僅可以捕食大氣中的二氧化碳，還能利用二氧化碳生產(chǎn) “生物柴油”，成為我們利用自然規(guī)律實現(xiàn)固碳減排，碳中和的得力助手。

一呼一吸間，離不開的小小微藻

微藻(microalgae)是細小藻類群體的總稱，屬于單細胞生物。微藻是浮游植物，通常存在于淡水和海洋系統(tǒng)中，在陸地系統(tǒng)也有分布，它們體積很小，從幾微米到幾百微米不等，通過肉眼難以捕獲到。

微藻單獨存在或者以群體形式存在于環(huán)境中。與高等植物不同，微藻沒有根、莖、葉組織構造。它們特別適應以粘力為主導的環(huán)境中，例如各種水域。當然在其他極端環(huán)境也會有發(fā)現(xiàn)，比如螺旋藻是最耐堿的生物，在pH 11以上的環(huán)境也能存活。

微藻體內含有葉綠體，意味著它可以進行光合作用。另外，部分微藻細胞體外有細胞壁，可以起到保護作用，還有部分微藻表面具有鞭毛，可以幫助其在水中游動。

微藻有原核微藻和真核微藻兩大類。目前我國學者一般將藻類分為11門：藍藻、紅藻、隱藻、甲藻、金藻、黃藻、硅藻、褐藻、裸藻、綠藻、輪藻。

如下圖所示，微藻的形狀奇奇怪怪，有球狀，三角狀，橢圓狀或星狀，以及其它不規(guī)則形狀。另外，微藻體內還含有各種色素，比如雨生紅球藻體內含有的蝦青素，使得其顏色為紅色。種類繁多的微藻構成了一個奇特的小世界。

微藻是自然生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，在物質循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。比如微藻體內具有光合色素（葉綠素等），能高效地利用光能、二氧化碳和水進行光合作用，產(chǎn)生氧氣并合成碳水化合物，與其它光合細菌一起為食物鏈上游端生物提供營養(yǎng)，并且微藻本身也可以利用CO2以光營養(yǎng)的方式生長。

微藻能夠進行光合作用對地球上的生命非常重要，可別小瞧了這個過程，地球的大氣氧氣中約有一半都是靠這些微藻進行光合作用產(chǎn)生的。

吃的是二氧化碳，擠的是生物柴油

讓我們“文藝復興”回到2013年的電影《泰囧》，影片中，徐崢給王寶強展示了一種叫做“油霸”的液體，“你去加油站加油，加到一半，滴幾滴油霸，油箱自動漲滿”。

當然，這種不符合能量守恒定律的物質在現(xiàn)實生活中是不存在的，但神奇的微藻可以近似地視為一種“油霸”，在生物燃料領域有著大好前景——這與微藻體內的構成物有關，微藻中富含的酯類和甘油是制備液體燃料的良好原料！

上面提到，微藻能夠利用光合作用將CO2轉化為自身生物量，通過這個過程，微藻能夠將碳元素固定在體內，再通過誘導反應轉化為油脂，最后利用物理和化學方法將油脂轉化到細胞外。關于這一點，往期文章《微擬球藻：吃的是二氧化碳，擠出來的是燃料》有詳細的科普（戳我回顧往期詳細科普~）。

微藻的干細胞中含有微藻油70%以上，人們可以對其進行提煉加工。微藻油作為亞臨界生物技術合成生物柴油的最佳原料，是理想的可再生能源。在石油價格大幅上升，糧食短缺問題日漸突出的今天，該產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。

除了脂類和甘油外，微藻體內的超過15000種新型化合物也被提取確定，比如類胡蘿卜素，抗氧化劑，脂肪酸，酶，聚合物，肽，毒素和固醇等，這些物質都等待著我們去開發(fā)利用。如此優(yōu)秀的單細胞生物，還真是“可造之才”！

雖是單細胞生物，應用可不單一

除了能作為生物燃料外，微藻中富含多糖、類胡蘿卜素、維生素、氨基酸等生物活性物質，可以被用作生物制藥、保健品、及化妝品等行業(yè)。

在生物制藥行業(yè)，天然β-胡羅卜素具有抑制腫瘤和升高白細胞等作用，尤其對萎縮性胃炎、口腔潰瘍、皮膚疾病和放化療患者有著明顯的輔助治療效果。褐藻多糖（源自海洋棕色海藻）對HIV（人體免疫缺陷病毒）有一定的抗病毒活性。而不飽和脂肪酸（DHA、RHA）在嬰兒食品和保健品中的使用深受人們的歡迎。

在化妝品領域，微藻中的多糖具有良好的成膜性能，可減少皮膚表面的水分蒸發(fā)，可用作制備保濕產(chǎn)品。巖藻黃質（源自海洋微藻）和蝦青素（源自雨生紅球藻）具有很強的抗氧化活性，能夠清除自由基、防止脂質氧化，可以起到祛斑、防皺和防衰老的功能。擬甲色球藻能夠合成具有紫外吸收作用的偽枝藻素和類菌胞素氨基酸，是制備防曬化妝品的良好原料。

微藻還可以運用到食品和農(nóng)業(yè)領域，微藻體內含有的豐富的粗蛋白,可以被制作成優(yōu)質的食品添加劑和動物飼料。藍綠色藻類還可以被用來當作生物肥料，因為這種微藻不僅能固碳還能固氮！作為生物肥料，它們能將大氣中碳和氮固定在土壤中供作物吸收利用，經(jīng)濟又環(huán)保。

人工培育微藻，未來可期

當然，微藻不是那么容易被 “馴服”的，它有自己的生活習性。微藻主要生活在淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中，科學家們又是如何將它從自然環(huán)境中提取并擴大培養(yǎng)的呢？這就要考驗我們的實驗手段和實驗條件了。

目前的提取手段大多是先將微藻個體從環(huán)境樣品中分離出來，之后利用特定的培養(yǎng)基擴大，最后在開放池、發(fā)酵罐或者光反應器中進行大規(guī)模的繁殖。微藻的營養(yǎng)方式可分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型，而且多數(shù)是屬于光能自養(yǎng)型。也就是說只要有了“光”，就能養(yǎng)藻！

值得一提的是，微藻體內的合成物質也不是固定不變的，會根據(jù)品種類別和繁殖條件而異，比如通過改變環(huán)境因素（pH、溫度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)物質等），可以在很大程度上積累特定品種的微藻。

比如固氮魚腥藻是典型的念珠狀微藻，屬于藍藻門。在人工養(yǎng)殖時，它更喜好微堿性環(huán)境，需要多種營養(yǎng)元素，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硼等。除此以外，光照強度應控制在5000~8000lux，溫度在25~30℃之間。

因此要想生產(chǎn)我們想要的微藻，需要合理地利用培養(yǎng)條件，這也是目前科學家們所研究的難題。

目前，中國已成為全球第一大微藻生產(chǎn)國，每年微藻年產(chǎn)量已超過萬噸。從我國微藻產(chǎn)業(yè)的品類上來看，有八成以上為螺旋藻；其次為小球藻，占比達到10%；而雨生紅球藻和鹽生杜氏藻分別占據(jù)8%和2%的比重?！吨袊鴿O業(yè)統(tǒng)計年鑒2020》顯示，2019年螺旋藻在我國的養(yǎng)殖面積已經(jīng)達到750萬平方米，年產(chǎn)量突破9000噸，占據(jù)著全球市場近六成的比重。其中內蒙古的螺旋藻產(chǎn)量最大，占據(jù)著總產(chǎn)量的將近三分之一。

固碳減排，是實現(xiàn)全球碳中和的關鍵一環(huán)，而我國發(fā)展迅速的微藻產(chǎn)業(yè)將在其中發(fā)揮越來越重要的助力作用。

作者單位：中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所

為避免情況繼續(xù)惡化，我國提出2030年前實現(xiàn)“碳達峰”、2060年前實現(xiàn)“碳中和”。想要實現(xiàn)這一目標，一是要降低碳排放，二是要捕捉、利用和儲存更多的“碳”。就地球整體的碳循環(huán)過程而言，通過生物方法固定并轉化CO2是最符合自然規(guī)律的利用方式，目前主要是利用微藻等生物進行CO2固定，實現(xiàn)化“碳”為寶。

微藻“吃碳”能力萬噸級，有效助力“碳中和”

微藻固碳效率比普通植物高10倍以上，以微藻為代表的海洋浮游植物每年可固定全球CO2固定量的40%，是地球固碳的主力軍。微藻能夠通過光合作用固定CO2并釋放氧氣，制造人類所需的碳水化合物、蛋白質、維生素等營養(yǎng)物質，還能將無機物轉化為氫、油脂等能源物質，有望作為生物燃料使用。不僅如此，死后的微藻還能通過固碳成石油等碳氫化合物深埋地下、海底，將“碳”封存，讓地球避免成為巨大溫室的同時，將來演變成石油再次充當能源。

國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術”項目“二氧化碳煙氣微藻減排技術”負責人、浙江大學程軍教授表示：“微藻固定CO2示范能力可達每年萬噸級?！庇捎谖⒃迥軌蚶蒙罴肮まr(nóng)業(yè)廢水作為氮、磷和其他營養(yǎng)物的來源，因此，利用微藻還可以實現(xiàn)廢水處理、CO2固定和生物燃料合成三種過程的耦合，從而使過程的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益最大化。加強微藻的開發(fā)與利用，是推進“碳中和”目標達成、開辟固碳減排新局面的有效措施。

螺旋藻是微藻中開發(fā)應用最早的藻類之一，國內螺旋藻產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)綠A早在90年代就開啟了螺旋藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路。2015年，“國際碳金獎”首度瞄準健康品企業(yè)，綠A成為其首批候選人之一。作為針對經(jīng)濟與環(huán)境和諧、綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展中最佳表現(xiàn)者所頒發(fā)的最高榮譽獎項，“國際碳金獎”瞄準綠A，是對其孜孜不倦為行業(yè)綠色環(huán)保進行引導和規(guī)范的肯定。

微藻價值加速釋放，全面助力健康中國

在一批國內微藻產(chǎn)業(yè)領軍企業(yè)引領下，我國微藻產(chǎn)業(yè)正在吹起蓬勃發(fā)展的號角。不僅僅是巨大的固碳價值，在更為世界關注的營養(yǎng)健康價值方面，微藻得到更為廣泛的開發(fā)與應用，助力改善大眾營養(yǎng)健康水平。目前，螺旋藻、雨生紅球藻、裸藻、小球藻等已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，帶來多樣化的營養(yǎng)健康產(chǎn)品。

其中，螺旋藻是人類發(fā)現(xiàn)的所有藻類水體中營養(yǎng)最豐富、全面、均衡的一種，其含有人體必需的8種氨基酸、多種維生素以及大量容易被人體吸收的微量元素，被認為是大自然賜予人類的營養(yǎng)寶庫；紅球藻有著“人體健康軟黃金”的美譽，其蝦青素含量為1.5%~4.0%，被確認為自然界中生產(chǎn)天然蝦青素的理想生物來源，能夠幫助增強機體免疫力、抗衰老、防止癌變、抗擊炎癥等；裸藻既有植物所含有的葉綠素、玉米黃質、多糖，又有動物體才富含的黃體素、DHA、EPA，還含有豐富維生素、礦物質、氨基酸、不飽和脂肪酸等營養(yǎng)素，堪稱“水中冬蟲夏草”。

近年來，微藻研究與應用不斷加深，如今在食品、大健康、環(huán)保、能源等多個領域都能看見微藻的身影。未來，隨著微藻產(chǎn)業(yè)化落地的加大，微藻的固碳價值、營養(yǎng)價值將進一步得到釋放，帶來更多的健康產(chǎn)品的同時，也將推動產(chǎn)業(yè)鏈延伸，為多領域、多行業(yè)轉型升級提質增效助力，為改善人類生存環(huán)境，營造低碳、健康生活貢獻力量。

海洋在全球二氧化碳平衡中起著關鍵作用。這是因為數(shù)十億微藻生活在那里，通過光合作用吸收二氧化碳并將其轉化為生物量。當這些藻類死亡時，它們會隨著以它們?yōu)槭车奈⑿∩锏呐判刮?，以“海洋雪”的形式滴入更深的區(qū)域。大約百分之一的二氧化碳埋在海底數(shù)千年。

平靜的細雪

由于這種持續(xù)不斷的海洋雪花雨將碳輸送到海洋深處，專家稱之為生物泵。這是由兩個相反的過程驅動的：有機薄片的下沉和細菌的降解。下沉的鱗片增加了碳向深處的通量，而細菌則通過從顆粒中去除碳來降低這種通量。目前的海洋模型假定下沉速度和退化速度相互獨立。ETH環(huán)境工程研究所的烏里亞·阿爾科洛姆布里（Uria Alcolombri）說：“但我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，下沉會增強降解過程?！?/span>

Alcolombri是Roman Stocker研究小組剛剛在《自然地球科學》雜志上發(fā)表的一項研究的第一作者。在他們的調查中，研究人員使用了一種聰明的方法：他們沒有追蹤海洋中下沉的粒子，而是將單個毫米的顆粒放在一個地方，將海藻酸鈉顆粒大小調整到微流控室中，然后將人工海水泵入其中。Alcolombri說：“在我們的實驗中，海洋雪并沒有穿過海洋，而是被海水沖刷在海洋雪的周圍，但是相對速度是相同的?！?/span>

研究人員在海藻酸鹽顆粒上種植了轉基因綠色植物-發(fā)光細菌。當水流經(jīng)腔室時，這些顆粒的分解速度要快得多；在靜水中分解所需時間約為10倍。這是因為流動的水沖走了降解產(chǎn)物，讓細菌的酶直接作用于顆粒，而不必花時間分解已經(jīng)分解的分子。

根據(jù)這些觀察結果，Alcolombri和他的同事們設計了一個新的生物碳泵模型，該模型考慮了下沉對海洋雪花降解的影響。模型計算表明了兩件事：首先，由于下沉導致的顆粒降解增強使碳泵的理論傳輸效率降低了兩倍。其次，大部分死藻在海洋最上層分解——這與海洋中實際碳通量的測量結果一致。

微小的事物，巨大的影響

該團隊的研究并非旨在提高生物碳泵的性能：“我們感興趣的是收集對自然過程的基本理解；我們想知道生物泵是如何工作的?！盇lcolombri說，“如果我們要更準確地預測我們的海洋將如何應對氣候變化，這一點至關重要?！?/span>

事實證明，海洋雪的降解速率——以及間接的全球大氣中二氧化碳含量——是由微觀傳輸動力學決定的。這再一次表明，即使是環(huán)境中最微小的事物也會影響全局。

微藻在地球早期將大氣中>10%CO2固定為有機碳，如今在全球生物圈固碳中仍占據(jù)半壁江山。微藻可為合成生物學提供光自養(yǎng)底盤細胞，在直接固定CO2生產(chǎn)各種生物工程產(chǎn)品（食品、飼料、酶、生物化學品、可降解塑料、生物燃料等）方面有重大應用潛力，其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化對實現(xiàn)“碳中和”具有重要意義。

微藻實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應用的主要障礙在于高成本。與高等植物無需任何成本從空氣中獲取CO2不同，傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)過程供碳成本過高，并造成生物反應器開發(fā)和放大困難。針對此問題，遲占有教授于2011年在《生物技術趨勢》發(fā)表了題為《碳捕獲產(chǎn)生碳酸氫鹽用于微藻培養(yǎng)》（Bicarbonate produced from carbon capture for algae culture）的觀點性文章，提出了循環(huán)利用高濃度碳酸氫鹽形成“碳池”為微藻高效供碳的新思路。在此之后，一直致力于相關研究，經(jīng)過整整十年努力，取得了一系列重要研究成果，包括：驗證了多種微藻可耐受高濃度碳酸氫鈉；證明了循環(huán)利用碳酸鹽吸收CO2進行微藻培養(yǎng)的可行性；發(fā)現(xiàn)了碳酸氫鹽方式供碳比CO2氣體生長效率更高，而碳利用率高達96.7%（CO2氣體一般不足5%）；發(fā)明了利用空氣中CO2為“碳池”充碳支持微藻高效生長的技術（圖1）；證明了間歇曝氣可比連續(xù)曝氣降低能耗60%；開發(fā)了利用碳酸鹽提取藻油之后吸收CO2用于循環(huán)培養(yǎng)、自發(fā)形成高堿環(huán)境誘導絮凝實現(xiàn)低成本微藻采收的新技術?；诠┨技夹g的突破，研發(fā)了結構簡單、成本低廉的波浪驅動漂浮反應器和水力驅動反應器，成功用于培養(yǎng)螺旋藻、小球藻、鹽生杜氏藻、金藻、超嗜鹽桿藻、膠球藻等，并成功實現(xiàn)戶外放大，得到審稿人“非常值得關注、對微藻生物技術的寶貴貢獻（very interesting and a valuable contribution to microalgal biotechnology）”的評價。

基于在該領域的顯著創(chuàng)新業(yè)績，遲占有教授再次收到《生物技術趨勢》雜志的邀請，發(fā)表了上述文章?；趯ο嚓P研究進展的全面總結，該文章系統(tǒng)性闡述了此路徑的技術優(yōu)勢，確認了其可行性和先進性，并分析了其進一步大幅降低成本的潛力，展望了在大宗商品中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應用突破的研發(fā)路線，為利用微藻實現(xiàn)“碳中和”明確了關鍵路徑。

7月23日,在生態(tài)環(huán)境部應對氣候變化司指導下，由生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院聯(lián)合中國科學院武漢巖土力學研究所、中國21世紀議程管理中心組織撰寫的《中國二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報告(2021)――中國CCUS路徑研究》正式發(fā)布。報告中將微藻生物固碳作為CCUS的一個重要的生物利用方向。

報告指出，從實現(xiàn)碳中和目標的減排需求來看，依照現(xiàn)在的技術發(fā)展預測，2050年和2060年，需要通過CCUS技術實現(xiàn)的減排量分別為6～14億噸和10～18億噸二氧化碳。2060年生物質能碳捕集與封存（BECCS）和直接空氣碳捕集與封存（DACCS）分別需要實現(xiàn)減排3～6億噸和2～3億噸二氧化碳。從我國源匯匹配的情況看，CCUS技術可提供的減排潛力基本可以滿足實現(xiàn)碳中和目標的需求（6~21億噸二氧化碳）。

在報告中提到微藻生物固碳方面有：

來源:《中國二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報告(2021)――中國CCUS路徑研究》報告、北極星火力發(fā)電網(wǎng)

近期，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員李福利帶領的分子微生物工程研究組針對光合單細胞微藻細胞內氧水平調節(jié)，首次將外源透明顫菌血紅蛋白基因（Vitreoscilla hemoglobin gene，vgb）轉入微擬球藻（Nannochloropsis.oceanica）細胞中。透明顫菌血紅蛋白能夠在高氧水平下結合氧氣分子，在低氧水平下釋放氧氣分子。引入該基因并誘導表達后，能夠使其在細胞快速放氧階段結合部分氧分子，從而降低了在光過飽和階段細胞內氧水平，調控了細胞內的氧平衡，減少了對細胞的氧化損傷，同時降低了核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的光呼吸水平。獲取的轉化株與野生型藻株相比，其生物量提高了7.4%~18.5%，最佳轉化株中EPA含量提高了21.0%。相應地，轉化株細胞內ROS水平下降了56.9%～70.0%，過氧化氫酶含量約為野生型的1.8倍。通過測定和計算溶解氧濃度，檢測到轉化株光呼吸水平降低；光呼吸途徑相關的關鍵基因的表達水平比野生型低80%以上。相關研究結果表明，在光合單細胞微藻中引入透明顫菌血紅蛋白可以減少在光過飽和條件下的ROS損傷和調節(jié)光呼吸，改善微藻的生長，這為藻株的工業(yè)應用提供了良好的藻種與技術支持。研究成果發(fā)表在Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology上。

此外，研究人員還圍繞微藻種質資源和天然產(chǎn)物生產(chǎn)進行了研究，前期通過同中科院近代物理研究所合作進行的重離子輻照海洋硅藻——三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）研究，獲得了大量突變藻種用以篩選海洋硅藻的天然產(chǎn)物——巖藻黃質（Fucoxanthin）。巖藻黃質廣泛存在于大型海藻和硅藻中，對人體健康具有益處（如抗糖尿病、抗肥胖、抗炎等生理活性）。三角褐指藻是一種富含巖藻黃質的硅藻模式生物。在此前的研究中，李福利團隊為了簡化巖藻黃質檢測方法，開發(fā)出使用分光光度計算法替代傳統(tǒng)的使用高效液相色譜（HPLC）檢測的方法，使用該方法在3～5分鐘內即可完成對樣品中巖藻黃質含量的檢測和計算，提高了研究效率（Marine Drugs, 2018, 16, 33; doi:10.3390/md16010033）。近期，研究團隊又進一步使用流式細胞技術對突變株中巖藻黃質含量進行高通量篩選研究，引入了488 nm的激發(fā)光來分析三角褐指藻的發(fā)射熒光。在710 nm處觀察到一個獨特的光譜峰，并發(fā)現(xiàn)巖藻黃質含量與該處的平均熒光強度之間存在線性相關性。通過流式細胞術來篩選由重離子輻射產(chǎn)生的高巖藻黃質含量的突變體，培養(yǎng)20天后，分選得到的細胞的巖藻黃質含量比野生型高25.5%。該工作提供了一種高效、快速和高通量的方法來篩選高產(chǎn)巖藻黃質的突變體。相關研究成果發(fā)表于Marine Drugs。

研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的支持。

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

碳捕集、利用與封存(CCUS)是人類應對氣候變化的一項重要減排技術，也是目前唯一一項能夠在利用化石燃料的同時大幅度減排二氧化碳的技術。2009年，廣東成為全國首批低碳試點省份。

2019年5月，由華潤電力集團牽手中英（廣東）CCUS中心和廣東省電力設計研究院共同開發(fā)建設的亞洲首個多技術開放國際碳捕集技術測試平臺——廣東省碳捕集測試項目在深汕特別合作區(qū)碳中和示范基地投入運行，每年可捕集2萬噸二氧化碳。

作為國內首個微藻固碳+干冰轉化減排燃煤電廠捕集二氧化碳的示范工程，此次微藻固碳項目將投資約500萬元，建設一個300㎡的封閉玻璃實驗室及高達5米的光生物反應器等設備系統(tǒng)，通過微藻養(yǎng)殖優(yōu)選微藻品種及養(yǎng)藻技術。

據(jù)了解，微藻固碳技術是利用微生物將大量二氧化碳轉化為生物質的過程。微藻作為可以進行固碳的生物之一，具有光合速率高、繁殖快、適應環(huán)境性強等優(yōu)點，相當于森林固碳能力的10~50倍。每年由微藻光合作用固定的二氧化碳占全球二氧化碳固定量的40%以上。

“項目毗鄰海邊，具有利用二氧化碳進行海水微藻養(yǎng)殖的天然條件?！比A潤海豐電廠相關負責人介紹，項目初期將開展固碳藻種選育、固碳微藻養(yǎng)殖技術研究，微藻活性細胞液凈化水體、改良土壤、加速植物生長等研究。同時，收藻、干化、藻粉制備設備也將配套采購，協(xié)同華潤醫(yī)藥、華潤化工等開展保健品、醫(yī)療用品等高附加值產(chǎn)品的研發(fā)。后期項目產(chǎn)業(yè)化則側重于通過開發(fā)“養(yǎng)殖-產(chǎn)品-銷售”的鏈條，打造“華潤微藻碳中和利用產(chǎn)業(yè)園”，貫通CCU技術與產(chǎn)業(yè)全鏈條。

干冰項目則是利用干冰制造機將粉末擠壓固化成干冰。據(jù)介紹，每生產(chǎn)1噸干冰可消耗6.35噸氣態(tài)二氧化碳。作為電廠煙氣二氧化碳的再利用，干冰項目減少了其他工藝生產(chǎn)二氧化碳的碳排放，能有效減少社會碳排放總量。

　　微藻是在自然界中廣泛存在的單細胞光合自養(yǎng)生物，可將空氣中的二氧化碳高效轉化為油脂、碳水化合物、蛋白質和色素等高附加值產(chǎn)品，應用于第三代生物燃料、飼料、食品和保健品等。因此，“微藻細胞工廠”有望成為服務“碳中和”和“碳達峰”的低碳制造解決方案之一。這一前景的前提和基礎是微藻種質資源的快速鑒定和代謝功能檢測，然而，傳統(tǒng)上“先養(yǎng)后篩”的種質篩選策略面臨著諸多瓶頸。

　　為此，中科院青島能源所單細胞中心Mohammadhadi Heidari Baladehi等人開發(fā)出基于拉曼組的藻類細胞快速辨別與代謝功能快檢技術。拉曼組是一個細胞群體的單細胞拉曼光譜的總稱，代表著可以在單細胞精度快速、低成本、高通量獲取的細胞群體實時代謝狀態(tài)。首先，針對已獲純培養(yǎng)的藻種，研究人員采集了色素分子拉曼光譜（PS）和微藻細胞自身拉曼光譜（WS）這兩張譜圖，構建了首個藻類拉曼組數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包含了在不同生長期（穩(wěn)定期和指數(shù)期）、分屬27個微藻種屬的超過9000個單細胞的拉曼光譜。該團隊開發(fā)的機器學習算法，通過PS和WS的聯(lián)用辨別待測單細胞的藻種和生長狀態(tài)，準確率可達97%。其次，針對環(huán)境中難培養(yǎng)的藻類細胞，研究人員借助前期發(fā)明的單細胞拉曼分選技術來捕獲活性藻類單細胞，采集其PS和WS這兩張拉曼譜圖，進而結合下游單細胞測序，建立了環(huán)境中微藻單細胞代謝表型組和基因型的關聯(lián)。該方法不需分離培養(yǎng)，即可構建環(huán)境中任何微藻細胞的拉曼光譜數(shù)據(jù)庫，進而基于機器學習，支撐尚難培養(yǎng)藻種的快速鑒定和代謝功能檢測。此外，除了種質辨別，單細胞拉曼光譜還能揭示微藻利用二氧化碳后的碳源存儲形式（如油脂、淀粉、蛋白、色素等），及其含量和化學性質（如油脂的不飽和度等）。這些代謝表型信息，對于快速評估微藻種質的培養(yǎng)工藝、經(jīng)濟價值和應用潛力十分重要。

　　與傳統(tǒng)上依賴于培養(yǎng)的“先養(yǎng)后篩”的策略不同，這一基于拉曼組的種質篩選策略無需培養(yǎng)與擴繁細胞，節(jié)約了大量時間和人工，并能挖掘和篩選尚難培養(yǎng)的微藻細胞。針對每個微藻細胞，拉曼光譜的采集通常僅需數(shù)秒的時間，且無需破壞細胞，故而步驟簡潔、分析通量高、易于實現(xiàn)自動化，還能在單細胞精度同時探測從代謝表型組到基因組的全面信息。因此，該技術將加速微藻細胞工廠及其代謝產(chǎn)物的挖掘與利用。

　　此次首個微藻拉曼組數(shù)據(jù)庫及其機器學習手段的發(fā)表，將加速新一代微藻資源信息平臺的構建和共享，促進藻類為“雙碳行動”做出貢獻。研究工作得到科技部、國家自然科學基金委員會、中科院、山東能源研究院、青島海洋科學與技術試點國家實驗室等的支持。

　　拉曼組機器學習加速微藻種質挖掘、服務“雙碳行動”

　　來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

針對這一瓶頸問題，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心建立了精確可控的藻類染色體大片段DNA切除技術，首次示范了>100 Kb DNA片段的單重與連續(xù)刪減，從而為“最小藻類基因組”的設計和“最簡植物底盤細胞”的構建打開一扇大門。該工作由該中心研究員徐健主持完成，相關成果日前發(fā)表于《植物學期刊》。

徐健告訴《中國科學報》，除了光合作用、碳濃縮、油脂合成等關鍵功能模塊以外，藻類基因組通常還包括很多由可移動元件、重復序列等組成的“功能冗余”區(qū)域。這些大片段染色體DNA既是一種額外的代謝負擔，也會影響基因組的可控性與穩(wěn)定性。因此，“大刀闊斧”式精確切除這些大片段的“染色體手術刀”，是構建光驅固碳底盤細胞的必備工具。但是，由于缺乏這樣的“染色體手術刀”，從未有大片段藻類基因組DNA切除的報道。

作為一種可規(guī)模化室外培養(yǎng)的工業(yè)產(chǎn)油微藻，微擬球藻已成為光驅合成生物技術研究和產(chǎn)業(yè)的重要模式體系之一。為了開發(fā)大刀闊斧式的“染色體手術刀”，單細胞中心助理研究員王勤濤帶領研究小組，根據(jù)微擬球藻設計與合成數(shù)據(jù)庫中大量轉錄組和蛋白組數(shù)據(jù)，定義了海洋微擬球藻基因組上的一系列不表達或低表達區(qū)域（LERs），作為切除的目標區(qū)域。

據(jù)王勤濤介紹，他們設計了一個基于CRISPR/Cas的“染色體手術刀”，通過兩條用于定義剪切位置的向導RNA（gRNA）的共表達，實現(xiàn)了位于30號染色體5’端基因組中最大LER目標片段（81 Kb）的精確刪除。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，“染色體手術”后，染色體末端端粒能夠自動重生，這導致長達110 Kb的30號染色體5’端臂（占該染色體長度的22%、含24個基因）得以一次性切除。在此基礎上，研究人員通過同時表達4條gRNA，分別實現(xiàn)了位于30號與9號染色體上的兩個最長和次長LER（最大刪除合計214 Kb，含52個基因）在同一細胞中的并行切除。

利用“拉曼組”等單細胞精度的代謝表型分析手段，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管經(jīng)歷了這些染色體大片段切除，微藻細胞的生長速度、生物量、潛在最大光合速率、葉綠素熒光非光化學猝滅、油脂含量和脂肪酸不飽和度等關鍵性狀卻幾乎沒有受到影響。在生長速度和生物量累積速率上，一些工程株甚至有小幅卻顯著的加快。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過這種染色體手術構建“最小藻類基因組”，具有相當可行性。

針對微擬球藻，單細胞中心已發(fā)表了基于CRISPR/Cas的基因敲除技術、基于RNAi的基因敲低技術等高效遺傳操作工具與工程株庫，并通過組織微擬球藻設計與合成數(shù)據(jù)庫，推動國內外工業(yè)微藻研究與產(chǎn)業(yè)群體資源共享。此次染色體大片段切除技術的發(fā)表，將進一步推動微擬球藻為光驅合成生物技術研究和產(chǎn)業(yè)做出貢獻，同時也為設計“最簡植物底盤細胞”、支撐“負碳生物制造”，奠定重要方法學基礎。