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“微藻生物固碳”研究?jī)x器推薦
發(fā)布時(shí)間： 2022-06-08 點(diǎn)擊次數(shù)： 5474次2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和是黨中央深思熟慮后做出的戰(zhàn)略決策，既是對(duì)國(guó)際社會(huì)的莊嚴(yán)承諾，也是國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求（求是網(wǎng)，2022）。二氧化碳的捕集、利用和封存（CCUS）是化石能源未來(lái)大規(guī)模減排的核心技術(shù)或者是關(guān)鍵技術(shù)，是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵核心技術(shù)（中國(guó)網(wǎng)，2021）。
用于CO2減排的方法主要包括物理封存法、化學(xué)固定法和生物固定轉(zhuǎn)化法。但前兩者存在環(huán)境要求苛刻、成本高、不可持續(xù)性等缺點(diǎn)。生物固定CO2技術(shù)，尤其是微藻固定CO2技術(shù)，是主要和有效的固碳方式之一，也是一種經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境友好和可持續(xù)性發(fā)展的CO2固定技術(shù)。
作為一種高效固定CO2的微小細(xì)胞工廠，微藻具備生長(zhǎng)周期短、光合效率高等特點(diǎn)，其CO2固定效率為一般陸生植物的10~50倍；同時(shí)微藻生長(zhǎng)速度快，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不占用可耕地。此外，微藻能利用發(fā)電廠煙道廢氣和其他工業(yè)尾氣為無(wú)機(jī)碳源，并利用市政廢水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水為營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行低成本培養(yǎng)微藻，同時(shí)生產(chǎn)出具有高附加值的微藻產(chǎn)品及生物燃料。基于以上優(yōu)點(diǎn)，微藻應(yīng)用于各領(lǐng)域CO2的減排研究己廣泛展開(kāi)，如空氣凈化、發(fā)電廠等工業(yè)煙道廢氣及汽車(chē)尾氣中的CO2凈化脫除等（周文廣和阮榕生，2014）。
北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司長(zhǎng)期致力于先進(jìn)的光生物反應(yīng)器和藻類(lèi)光合生理無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的引進(jìn)、推廣和集成，特此將“微藻生物固碳"研究相關(guān)的儀器設(shè)備進(jìn)行整理歸納，方便研究人員參考查閱。
儀器名稱(chēng)
功能
常用參數(shù)/程序
在微藻固碳研究中的作用
AquaPen手持式藻類(lèi)熒光測(cè)量?jī)x
快速測(cè)量葉綠素?zé)晒鈪?shù)
Fv/Fm、NPQ、JIP test、Light Curve
快速評(píng)估固碳候選藻種在高濃度CO2下的光合活力和光能轉(zhuǎn)化效率
AP-kit藻類(lèi)光合生理檢測(cè)盒
快速輕松獲得葉綠素?zé)晒鈪?shù)和光合呼吸速率參數(shù)
Fv/Fm、NPQ、JIP test、Light Curve、光合放氧速率
綜合評(píng)估固碳候選藻種在高濃度CO2下的光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率及CO2同化率
MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
8通道的精確控光培養(yǎng)及在線生物量評(píng)估
培養(yǎng)周期及環(huán)境參數(shù)設(shè)定；OD680&OD720
提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體），在線評(píng)估微藻生物量濃度（比色法），篩選優(yōu)質(zhì)固碳藻種
FMT150藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
精確控光培養(yǎng)及多參數(shù)調(diào)控監(jiān)測(cè)
培養(yǎng)周期及環(huán)境參數(shù)
設(shè)定；OD680&OD720；Fv/Fm、ΦPSII；pH、溶解氧（選配）、溶解CO2（選配）
提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養(yǎng)），在線評(píng)估微藻生物量濃度，對(duì)微藻的光合生理狀態(tài)、培養(yǎng)液溶解CO2濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)
ET-PSI多功能藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
25L、100L及以上容積的規(guī)模化藻類(lèi)培養(yǎng)，精確控光培養(yǎng)及多參數(shù)調(diào)控監(jiān)測(cè)
培養(yǎng)周期及環(huán)境參數(shù)設(shè)定；OD680&OD720；Fv/Fm、ΦPSII；pH、溶解氧（選配）、溶解CO2（選配）
提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養(yǎng)），在線評(píng)估微藻生物量濃度，對(duì)微藻的光合生理狀態(tài)、培養(yǎng)液溶解CO2濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)固碳藻種及工業(yè)應(yīng)用
FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)
高通量測(cè)定微藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)
Fv/Fm、NPQ、φPSII、qP、Rfd、ETR、LC曲線等
高通量篩選光合突變體；高通量篩選高光化學(xué)效率、低熱耗散的高效固碳藻種
AOM藻類(lèi)熒光在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
微藻葉綠素?zé)晒庠诰€監(jiān)測(cè)
Ft、Fv/Fm、OJIP、Fix Area（與藻類(lèi)濃度線性相關(guān)）
在線評(píng)估微藻生長(zhǎng)狀況及濃度
1. AquaPen手持式藻類(lèi)熒光測(cè)量?jī)x
AquaPen是一款藻類(lèi)研究者的小型設(shè)備。它既具備PAM葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量功能，又具備快速熒光誘導(dǎo)曲線測(cè)量和分析（JIP-test）功能，所有常用葉綠素?zé)晒鈪?shù)一鍵即得。比色杯式的AquaPen具備OD680和OD720測(cè)量功能，可對(duì)微藻的葉綠素含量及濃度進(jìn)行快速評(píng)估。探頭式的AquaPen則可進(jìn)入到培養(yǎng)液中進(jìn)行測(cè)量。
獲得能耐受高濃度CO2并可高效固定CO2的微藻藻株是微藻固定減排CO2技術(shù)能否 實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。AquaPen能夠用來(lái)快速評(píng)估固碳候選藻種在高濃度CO2下的光合活力和光能轉(zhuǎn)化效率。
在亞北極海域和動(dòng)物共生的微藻因其寄主的呼吸作用和更長(zhǎng)的黑暗季節(jié)，所以理論上對(duì)高濃度CO2具有天然的適應(yīng)性。基于此假設(shè)，莫斯科國(guó)立大學(xué)的研究人員成功從生活在白海深海海底的水螅Dynamena pumila中分離出一種新型共生綠藻，將其培養(yǎng)在高濃度CO2（體積分?jǐn)?shù)20%）的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)共生綠藻的生長(zhǎng)速度比大氣培養(yǎng)條件（0.04%CO2）下增長(zhǎng)了兩倍，并且能夠維持碳氮同化的平衡。高濃度CO2培養(yǎng)并不會(huì)影響共生綠藻光合機(jī)構(gòu)的超微結(jié)構(gòu)和功能，相反會(huì)使其飽和光強(qiáng)、量子效率、光合放氧速率和CO2固定率均有所升高，由此證明了該共生綠藻天然適應(yīng)于高濃度CO2環(huán)境，并表現(xiàn)出出色的生理可塑性。該研究證明了高CO2耐受性的共生微藻是CO2生物減排的有力候選藻種（Solovchenko et al., 2015）。
為評(píng)估共生綠藻的光合機(jī)構(gòu)在不同CO2濃度中的狀態(tài)，使用AquaPen測(cè)定了不同光照培養(yǎng)條件下的PSII最大量子產(chǎn)額Fv/Fm。發(fā)現(xiàn)所有組別的樣品均未低于0.6，而飽和光（250μmol/m2*s）、低CO2濃度（0.04%）培養(yǎng)下的共生綠藻的Fv/Fm大幅降低，相反高CO2濃度培養(yǎng)的共生綠藻在不同光照條件下均保持較高的最大量子產(chǎn)額，表現(xiàn)出優(yōu)異的光強(qiáng)適應(yīng)性和可塑性。
2. AP-kit藻類(lèi)光合生理檢測(cè)盒
AP-kit藻類(lèi)光合生理檢測(cè)盒是量身定制的藻類(lèi)光合作用測(cè)量方案，幫助藻類(lèi)科研工作者輕松、完整地獲取藻類(lèi)光合生理數(shù)據(jù)。具有小巧便攜、易操作、高性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)。檢測(cè)盒由呼吸瓶式氧氣測(cè)量?jī)x、手持式藻類(lèi)葉綠素?zé)晒鈨x組成，具備測(cè)量光合（放氧）速率、葉綠素?zé)晒鈪?shù)的功能。檢測(cè)盒既能夠測(cè)定微藻的光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率，評(píng)估光合機(jī)構(gòu)的功能狀態(tài)，也能夠測(cè)定光合呼吸速率，評(píng)估微藻的CO2同化能力。
顆石藻是海洋中最重要的鈣化生物類(lèi)群之一，也是主要的初級(jí)生產(chǎn)者，同時(shí)進(jìn)行光合與鈣化兩種固碳作用（兩者分別是碳匯和碳源過(guò)程），因此在海洋碳循環(huán)中起到重要作用（許凱，2012）。顆石藻表面往往覆蓋一層又一層的顆石粒（Coccolith），形成殼狀結(jié)構(gòu)的顆石球(Coccosphere)。英國(guó)海洋生物協(xié)會(huì)和美國(guó)北卡萊羅納大學(xué)威明頓分校聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)：不同種的顆石藻對(duì)鈣化作用的需求不同，破壞鈣化作用會(huì)導(dǎo)致某些種的顆石藻無(wú)法維持完整的顆石球，產(chǎn)生細(xì)胞周期阻滯現(xiàn)象和重大的生長(zhǎng)缺陷(Walker et al., 2018)。
研究人員使用低濃度Ca2+中斷顆石藻的鈣化作用，借助AP-kit藻類(lèi)光合生理檢測(cè)盒測(cè)定其Fv/Fm最大光化學(xué)效率和凈光合速率，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)參數(shù)均未發(fā)生顯著變化，表明顆石藻的光合活性未受到抑制，因而在一定程度上證明了顆石藻的光合作用和鈣化作用相對(duì)獨(dú)立。論文發(fā)表于2018年《New Phytologist》雜志。
3. MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由8個(gè)100ml藻類(lèi)培養(yǎng)試管、水浴控溫系統(tǒng)、LED光源控制系統(tǒng)及光密度和溶解氧（選配）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成，可用于藻類(lèi)培養(yǎng)與控制實(shí)驗(yàn)、梯度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。MC1000能夠?yàn)槲⒃迳锕烫佳芯刻峁┚_可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體），并能夠基于比色法在線評(píng)估微藻生物量濃度。
今年美-巴能源高級(jí)研究中心(USPCAS-E)的研究人員報(bào)道了兩種新型微藻：它們能夠在高濃度CO2（體積分?jǐn)?shù)4%）培養(yǎng)環(huán)境中提升生物量產(chǎn)量，保持高生長(zhǎng)速率和高固碳率，因而具備CO2生物固定的潛力。研究人員對(duì)比了MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室常規(guī)反應(yīng)器對(duì)微藻的培養(yǎng)效率和功能表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)在相同CO2濃度下，使用MC1000培養(yǎng)的兩種新型微藻的生物量濃度、比生長(zhǎng)速率和CO2固定率均顯著高于實(shí)驗(yàn)室常規(guī)反應(yīng)器(Khan et al., 2022)。
MC1000多通道藻類(lèi)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)秀的表現(xiàn)和更高的效率得益于其*的設(shè)計(jì)和多樣的功能，能夠提供精確的水浴控溫和均質(zhì)光照，且內(nèi)置OD測(cè)量功能。實(shí)測(cè)結(jié)果表明生物量濃度—OD680擬合相關(guān)系數(shù)高，因此無(wú)需取樣即可定期監(jiān)測(cè)微藻生物量濃度變化，用以計(jì)算生長(zhǎng)速率。
4. FMT150藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
FMT150藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是國(guó)際將藻類(lèi)光生物反應(yīng)器技術(shù)與藻類(lèi)生理監(jiān)測(cè)技術(shù)（葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)、光密度測(cè)量）結(jié)合起來(lái)的系統(tǒng)，集成了目前幾乎所有主要的藻類(lèi)在線培養(yǎng)與生理監(jiān)測(cè)技術(shù)。它能夠?yàn)槲⒃骞烫佳芯刻峁┚_可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養(yǎng)），能夠在線評(píng)估微藻生物量濃度、光合生理狀態(tài)及監(jiān)測(cè)培養(yǎng)液溶解CO2濃度。
印度科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì)中央采礦研究所（CSIR-CIMFR）的研究人員從采礦區(qū)的水塘中分離和鑒定出數(shù)種淡水藻類(lèi)，并基于高生長(zhǎng)速率和光合速率、對(duì)其他痕量組分氣體的高耐受性、高溫度耐受性、生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品的潛力等多個(gè)指標(biāo)，對(duì)適用于工業(yè)廢氣（包括熱電廠和天然氣處理廠尾氣）CO2固定的藻種進(jìn)行了篩選。本研究中400mL的FMT150和 25L的ET-PSI光生物反應(yīng)器被用來(lái)進(jìn)行淡水藻的培養(yǎng)、在線監(jiān)測(cè)和CO2的固定。研究結(jié)果表明絲狀藍(lán)藻Oscillatoria是工業(yè)廢氣生物固碳的理想藻種，其CO2捕獲能力較高的時(shí)期出現(xiàn)在16-32h，即遲緩期后期和對(duì)數(shù)期，并在pH為7-9，溫度25-30℃的培養(yǎng)條件下能夠獲得較高的CO2捕獲效率和生物量產(chǎn)量(Anguselvi et al., 2019)。
5. ET-PSI多功能藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
ET-PSI多功能藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由大型平板式培養(yǎng)器（標(biāo)配25L，可選配100L或定制其它容積大小）、控制系統(tǒng)及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，集光養(yǎng)生物反應(yīng)器技術(shù)、葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)技術(shù)、水體／藻類(lèi)光合呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)鹽在線監(jiān)測(cè)技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)于一體。
在微藻固碳研究中，同F(xiàn)MT150的功能一致，ET-PSI能夠提供精確可控的培養(yǎng)環(huán)境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養(yǎng)），在線評(píng)估微藻生物量濃度，光合生理狀態(tài)及監(jiān)測(cè)培養(yǎng)液溶解CO2濃度。同時(shí)較大的容積利于優(yōu)質(zhì)固碳微藻(尤其是基因工程微藻)的藻種培養(yǎng)，以及大規(guī)模固定煙氣CO2用以生產(chǎn)微藻及高附加值微藻產(chǎn)品。
例如華盛頓大學(xué)Advanced Coal & Energy Research Facility安裝了5套100L ET-PSI多功能藻類(lèi)培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以利用藍(lán)藻和真核藻類(lèi)的光合作用捕獲和消耗廢氣中的CO2進(jìn)行生物量生產(chǎn)。整套設(shè)備既能夠使用存儲(chǔ)的廢氣獨(dú)立工作，也能夠和燃燒裝置相連進(jìn)行系統(tǒng)的研究及整合優(yōu)化(CCCU, 2016)。
6. FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)
FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)在二十世紀(jì)末由捷克PSI廠家研制成功，是一臺(tái)商業(yè)化的葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)。自面世后，F(xiàn)luorCam廣泛應(yīng)用于植物葉片及果實(shí)等其它植物組織、整株植物或培養(yǎng)的多株植物、苔蘚地衣等低等植物，實(shí)現(xiàn)了綠色組織光合時(shí)空異質(zhì)性的快速靈敏檢測(cè)。對(duì)于微藻，F(xiàn)luorCam則提供了高通量光合活性檢測(cè)的有效手段，既可用于高通量篩選光合突變體，用于光合基因表達(dá)調(diào)控的研究；也可用于高通量篩選高光化學(xué)效率、低熱耗散的高效固碳藻種。
Perin等人采用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)初步篩選微擬球藻（Nannochloropsis gaditana）的高光效突變體。研究小組使用化學(xué)引變劑乙基甲烷磺酸鹽(EMS)誘導(dǎo)突變和插入突變兩種方式生成突變體庫(kù)，使用FluorCam高通量檢測(cè)其光合活性的可能變化，測(cè)量參數(shù)包括最小熒光F0、最大光化學(xué)效率Fv/Fm、有效光化學(xué)效率ΦPSII、光系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力NPQ（Perin et al., 2015）。四個(gè)參數(shù)分別用來(lái)篩選細(xì)胞葉綠素含量降低（利于在人工培養(yǎng)環(huán)境中提高藻液光透過(guò)率）、PSII最大光化學(xué)效率升高或者保持不變、在更高的光強(qiáng)下使光合作用飽和（即φPSII升高）、NPQ降低無(wú)法結(jié)構(gòu)性激活過(guò)量能量耗散（在光限制嚴(yán)重的人工培養(yǎng)環(huán)境中更有利）的突變株系。
左圖展示了微擬球藻熒光強(qiáng)度（最小熒光F0）的篩選結(jié)果：紅圈為野生型，白圈為篩選出的、熒光過(guò)低或過(guò)高的突變體；右圖展示了不同突變體上述4個(gè)篩選參數(shù)的差異。
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