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藻類(lèi)生物質(zhì)能源研究技術(shù)
發(fā)布時(shí)間： 2022-05-25 點(diǎn)擊次數(shù)： 2607次當(dāng)前化石燃料環(huán)境污染、氣候變化問(wèn)題及儲(chǔ)量無(wú)法滿足全球不斷增長(zhǎng)的需求，生物質(zhì)能源的發(fā)展倍受關(guān)注，為了減少土地、水資源的利用消耗以及有害農(nóng)藥的過(guò)度使用，藻類(lèi)生物質(zhì)能源作為第三代生物燃料成為可再生能源研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
案例一 提高廢水處理和微藻生物燃料生產(chǎn)效率
基于微藻的廢水處理系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)氣候變化和廢水處理中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)的有前途的工藝之一。廢水中微藻的生長(zhǎng)為可再生能源創(chuàng)造了原料，廢水培養(yǎng)基為微藻的生長(zhǎng)提供必需的養(yǎng)分，而處理后的水可以再循環(huán)使用，以降低微藻培養(yǎng)的成本，因此，值得研究廢水系統(tǒng)中微藻生長(zhǎng)的因素和最佳條件。
重慶大學(xué)研究人員選取柵藻屬quadricauda為目標(biāo)藻種，在不同湍流強(qiáng)度和農(nóng)業(yè)植物激素條件下研究其生物量積累、光合特性、養(yǎng)分去除效率和循環(huán)特性。結(jié)果表明，中等湍流強(qiáng)度和混合植物激素為滿足養(yǎng)分去除和回收性能提供了最佳操作條件，與靜止組相比，生物量濃度和脂質(zhì)產(chǎn)量分別增加了24.78%和70.00%，氨氮和磷酸鹽處理的最高去除率分別為 77.49% 和 65.17%（Huang，2022）。
該研究采用易科泰公司提供的AquaPen手持式葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)量PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm，來(lái)評(píng)估微藻細(xì)胞光系統(tǒng)II活性，結(jié)果見(jiàn)下表，表中列出了葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和潛在最大光合效率，可以看出M+GIB條件下葉綠素含量達(dá)到最高值8.84±0.22 mg/L，湍流組的Fv/Fm值是對(duì)照組的1.12倍，揭示出湍流對(duì)藻類(lèi)光系統(tǒng)II和Fv/Fm的正向作用。
案例二 可持續(xù)生物烷烴氣體生產(chǎn)和可再生能源的低碳戰(zhàn)略
鑒于當(dāng)前和今后嚴(yán)峻的能源危機(jī)和碳排放因素，Mohamed Amer和清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)等人（Amer，2020）利用FMT150作為培養(yǎng)和反應(yīng)容器，對(duì)工業(yè)藻株大腸桿菌（E. coli）、嗜鹽單胞菌（Halomonas）、集胞藻（Synechocystis）所產(chǎn)生的丙烷和丁烷氣進(jìn)行研究，并構(gòu)思出適用于發(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家可持續(xù)生物烷烴氣體生產(chǎn)和可再生能源的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖以及量產(chǎn)流程圖。
案例三 城市污水、污水污泥和農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化物的微藻培養(yǎng)
為了降低藻類(lèi)工業(yè)化培養(yǎng)如二氧化碳、氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)成本，Zuliani等研究人員（2016）使用來(lái)自城市廢水、污水污泥和農(nóng)廢處理廠的三種不同厭氧消化物作為營(yíng)養(yǎng)源培養(yǎng)不同微藻藻株，結(jié)果發(fā)現(xiàn)后兩者條件下的小球藻培養(yǎng)物中每體積的脂質(zhì)產(chǎn)量增加了300%以上，該研究相關(guān)結(jié)果證明了使用不同厭氧消化物改善生物量或脂質(zhì)生產(chǎn)的可能性，。
該研究利用MC 1000進(jìn)行8通道藻類(lèi)恒溫培養(yǎng)和測(cè)量，每個(gè)試管都由一個(gè)獨(dú)立的LED燈列提供照明，可分別獨(dú)立設(shè)置光強(qiáng)及時(shí)間，實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)統(tǒng)一設(shè)置為400 µmol·m−2·s−1，此外為了防止細(xì)胞聚集還配備了氣泡混勻模塊，每5分鐘測(cè)量一次光密度Abs680（與葉綠素含量成比例），Abs720（表征細(xì)胞數(shù)），680/720（表征每個(gè)細(xì)胞中葉綠素含量的變化）。利用FluorCAM葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量Fv/Fm參數(shù)，評(píng)估藻類(lèi)隨時(shí)間積累后的脅迫增加，高光條件下該值在0.5到0.59之間變化，例外是在dC5HS中生長(zhǎng)的Scenddesmus I藻株，其Fv/Fm高達(dá)0.69。以上結(jié)果表明，不同生長(zhǎng)介質(zhì)中的生長(zhǎng)并未顯著改變 PSII 的量子效率。
案例四 生成隨機(jī)突變體以提高藻類(lèi)光利用效率進(jìn)而生產(chǎn)更多生物燃料
藻類(lèi)培養(yǎng)的生產(chǎn)力取決于將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為生物量和脂質(zhì)的效率，自然環(huán)境中的野生藻類(lèi)朝著競(jìng)爭(zhēng)光能將單個(gè)細(xì)胞的生長(zhǎng)的方向進(jìn)化，而在光養(yǎng)生物反應(yīng)器中提高整體生產(chǎn)力才是主要目標(biāo)，研究人員用甲磺酸乙酯 (EMS) 處理Nannochloropsis gaditana，誘導(dǎo)隨機(jī)基因組突變，以產(chǎn)生細(xì)胞色素含量降低的藻類(lèi)，結(jié)果表明有助于在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模培養(yǎng)條件下提高該藻類(lèi)的生物燃料生產(chǎn)率（Perin，2015）。
該研究用SL3500光源為藻類(lèi)提供培養(yǎng)光照，利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窈Y選突變?cè)澹⒊浞诌\(yùn)用F0/Area，Fv/Fm，NPQ等參數(shù)進(jìn)行分析。
易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供藻類(lèi)生物質(zhì)能源研究技術(shù)全面解決方案
1.藻類(lèi)葉綠素?zé)晒馀c光合作用測(cè)量：包括FL6000雙調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x、AquaPen手持式藻類(lèi)熒光測(cè)量?jī)x、AOM藻類(lèi)葉綠素?zé)晒庠诰€監(jiān)測(cè)等，可選配氧氣傳感器用于藻類(lèi)光合作用測(cè)量
2.藻類(lèi)葉綠素?zé)晒獬上穹治觯喊?/span>FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)、FluorCam熒光成像系統(tǒng)等
3.藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)：包括AlgaeTron藻類(lèi)培養(yǎng)箱、FMT150藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)、MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)、定制型光養(yǎng)生物反應(yīng)器、SL3500光源等。
4.AlgaTech高通量藻類(lèi)表型分析平臺(tái)，可自動(dòng)運(yùn)行藻類(lèi)葉綠素?zé)晒獬上穹治觥⒏吖庾V成像分析等。
參考文獻(xiàn)
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).
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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).
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