《科学画报》
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微藻——可循环开采的“绿色油田”
2012-02-23 10:47:33文／范建华 李元广
一提到微藻，人们很容易联想起水面上飘浮的一层绿油油的浮沫，在炎热的夏季不时会散发出一阵阵恶臭。其实，微藻并非人们想象的这么讨厌，它是一种重要的产油生物，对它体内的油脂进行加工后，可以变成燃料驱动飞机、汽车、轮船和工厂里的机器。
微藻有望缓解能源危机
由于石油资源的逐步减少乃至最终枯竭，全世界将面临严重的能源危机，因此世界各国都在积极寻找能够替代石油产品的可再生能源。其中，生物柴油就是一种重要的生物能源。提起生物柴油的原料，我们可能会想到油菜和大豆，将它们“体内”的油脂经过加工而成的生物柴油，能有效降低碳排放，减少环境污染。然而，由于这两种作物的培育周期较长、占用农田较多，会产生“与人争粮、与粮争地”问题，从而导致“解决了能源危机，却出现粮食危机”的尴尬结果。此时，微藻进入了科学家们的视线。
微藻是一种古老的低等植物，广泛分布在海洋、淡水湖泊等水域，种类繁多，造成湖泊污染的蓝藻就是微藻大家族中的一员。微藻的光合作用效率非常高，可直接利用阳光、二氧化碳和含氮、磷等元素的简单营养物质快速生长，并在细胞内合成大量油脂（主要是甘油三酯）。因此，微藻为生物柴油生产提供了新的油脂资源。
与大豆、油菜和麻风树等油料植物相比，微藻的生长周期短，从出生到可以制油仅需要约1个星期，而油料植物一般需要几个月。此外，微藻的含油量高，油脂产率高，单位面积产油量是大豆的数百倍，每公顷可年产几万升生物柴油。微藻还不会占用耕地，利用滩涂、盐碱地、荒漠等以及海水和荒漠地区的地下水等就可开发大规模的“微藻油田”，不与农作物争地、争水。
由于微藻在培养过程中可固定大量二氧化碳，因此利用微藻制造生物柴油还能大量减少二氧化碳排放。据计算，每培养1吨微藻，需要消耗约2吨二氧化碳。目前，我国柴油的年消耗量超过亿吨，如果全部使用微藻提供的生物柴油，大约需要几亿吨微藻。那么，在培养微藻过程中就能消耗掉近10亿吨二氧化碳，这个减排量相当可观（我国目前每年的二氧化碳排放量在70亿吨左右）。随着微藻能源技术的逐渐成熟，人们还可将“微藻油田”建在热电厂、化工厂等二氧化碳排放量很高的工厂旁，有望解决点源二氧化碳的减排问题。此外，微藻在光自养培养过程可利用废水中的氮、磷等营养成分，从而可降低水体的富营养化。因此，微藻还能用于净化工厂排放的废水和城市生活污水。
我国大力攻关微藻产油
其实，利用微藻生产生物能源并不是一个新的研究方向。早在20世纪70年代，中东战争等因素导致国际原油供应紧张，美国等国家为了减少对进口原油的依赖，大力资助微藻培养产油项目。其中，美国能源部在1978至1996年间曾资助了一个利用微藻生产生物柴油的项目“水生物种计划——藻类生物柴油”，在产油微藻的藻种筛选、培养模式、油脂代谢调控与分子操作等方面做了大量工作，并在户外敞开池大规模培养方面做了一定的尝试。虽然利用微藻产油在技术上可行，但其成本比当时石油价格高出很多，所以，微藻产油的研发曾一度中断。
21世纪以来，随着世界经济的快速发展，石油需求量不断增加，不仅导致价格上涨，还使大气保温气体排放增加，生态环境恶化。于是，世界各国又开始大力发展环境友好的微藻生物柴油。2006～2008年间，石油价格的大幅上扬，进一步推进了微藻能源（主要是生物柴油）产业化技术的发展，美国等发达国家的政府和企业在该领域纷纷投入大量资金进行微藻能源的产业化技术研发，在国际上掀起了一股势不可挡的微藻能源开发热潮。
尽管微藻能源的发展前景广阔，但微藻的大规模、低成本、高效率的培养系统及培养技术仍是微藻生物柴油产业化中亟待解决的瓶颈问题之一。到目前为止，世界各国在该领域的研发工作还停留在实验研究和中试论证的起步阶段，但均遇到技术不成熟而导致成本高这一难题，微藻能源在全球尚未实现规模化制备。为了攻克这些技术难题，突破瓶颈，我国启动了微藻能源方面的首个973项目“微藻能源规模化制备的科学基础”。该项目由华东理工大学、中国海洋大学、南京工业大学、北京化工大学、中国科学院海洋研究所、中国石油大学（北京）等十几家单位联合组织实施。
该项目将以推动微藻能源规模化制备中核心技术的重大突破为目标，以能源微藻户外大规模培养的实际条件为背景，研究从藻种选育到微藻能源规模化制备系统构建过程中亟待解决的生物学及工程学方面的三个关键科学问题——“能源微藻胞内代谢及油脂合成与积累的系统生物学机制”、“能源微藻规模化光自养培养的物质和能量转化及环境调控规律”和“微藻能源规模化加工及系统集成优化原理”。
该项目有望在5年时间内开发出一个“微藻资源库”，提供适合在我国不同地方、不同气候条件下生长的藻株。今后，各省市在建设“微藻油田”时，就可在资源库中挑选合适的微藻品种。该项目还将深入研究微藻产油的机理，力争提高微藻产油的效率，降低它的成本。此外，该项目还将通过对光生物反应器、培养工艺、采收、油脂加工及藻细胞综合利用进行研究，建立一套中试系统，全面评估微藻产油的技术指标、经济指标和环境指标，为我国节能减排和新能源开发做出贡献，大力推动我国微藻能源的产业化进程。
（李元广，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室教授，博士生导师，“微藻能源规模化制备的科学基础”项目首席科学家。）
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小链接
微藻能源技术在中国馆展示
不知你是否还有印象，在上海世博会中国馆的“低碳行动”展区有一个简洁的绿色装置吸引了众多参观者的注意。绿色的液体静静流淌在数根排列整齐的U型玻璃管内，玻璃管上方还接有几只大烧杯，里面装有大半杯的液体。这正是一个“微藻产油”装置。它不仅可以从微藻中榨出高质量的生物柴油，实现二氧化碳零排放，而且微藻在生长过程中，还会吸收大量二氧化碳，起到固碳减排的作用。
