利用微藻生产可再生能源研究概况

JournalofWuhanBotanicalResearch

利用微藻生产可再生能源研究概况

梅洪,张成武,殷大聪

1

2

1,3

,耿亚红,欧阳峥嵘

11,4

,李夜光

13

(1.中国科学院武汉植物园,武汉　430074;2.暨南大学水生生物研究所,广州　510632;3.中国科学院水生生物研究所,武汉　430072;4.中国科学院研究生院,北京　100049)

摘　要:能源是现代工业的支柱,是国民经济可持续发展的动力。生物质能源作为一种来源广泛的可再生能源,其开发利用不仅有助于缓解化石燃料日益枯竭给全球经济发展带来的危机,还可避免对环境的污染。微藻中很多种类富含油脂,可以用来生产生物柴油(脂肪酸甲酯);另一些藻类中含有极丰富的烃类物质,化学结构与矿物油相似,提取后可加工成汽油、柴油使用;在特定条件下,绿藻和蓝藻在光合作用的同时可以产生氢气。微藻易培养,生长快,单位面积生物量大,油、烃含量高,是一类重要的生物质能源,已引起各国政府、科学家和企业家的高度关注。文中概述了利用微藻生产油脂、烃类、氢气的研究现状,探讨了利用微藻生产可再生能源存在的问题和对策,并展望了我国微藻可再生能源研究开发的发展前景。

关键词:可再生能源;生物柴油;能源微藻;生物制氢;脂类;烃类

中图分类号:Q945.11;Q949.21+7　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:10002470X(2008)0620650211

SurveyofStudiesonRenewableEnergyProductionbyMicroalgaeMEIHong,ZHANGCheng2Wu,YINDa2Cong,GENGYa2Hong,

1,413

OUYANGZheng2Rong,LIYe2Guang

(1.WuhanBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Wuhan　430074,China;2.InstituteofHydrobiology,

JinanUniversity,Guangzhou　510632,China;3.InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,

1

2

1,31

Wuhan　430072,China;4.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing　100049,China)

Abstract:Energyisthemainstayofmodernindustryandthemotivityofsustainabledevelopmentfor

nationaleconomy.Thebio2energy,asoneformofrenewableenergywithwideresource,itsapplicationcouldnotonlyrelaxtheenergycrisesbutalsorestraintheenvironmentalpollution.Manyspeciesofmicroalgaeareknownfortheirhighcontentoflipidsinthecells,andcanbeusedforproductionofbiodiesel;somemicroalgaeareabletoaccumulatealotofhydrocarbonwhichcanbemadeintogasolineordiesel,andsomeofthemcanproducehydrogeninsomecase.Withtheadvantagesofeasytocultivate,fastgrowth,highbiomassproductionandrichinlipidsandhydrocarbon,microalgaeisanimportantresourceofbio2energy.Consequently,governmentsofmanycountries,scientistsandenterprisershavepaidmuchattentiontotheresearchanddevelopmentofalgalrenewableenergy.Thispapersummarizedthepresentprogressofusingmicroalgaetoproducehydrogen,hydrocarbonandlipids.Themainproblemsandstrategiesforrenewableenergyproductionbymicroalgaewerediscussed,andtheprospectofresearchanddevelopmentofrenewableenergyproductionbymicroalgaeinChinawasexpected.

Keywords:Renewableenergy;Biodiesel;Energymicroalgae;Biologicalhydrogenproduction;Lipid;Hydrocarbon

　　自18世纪第一次产业革命以来,世界正以惊人的速度消耗着各种矿物能源(又称化石能源),最近一个世纪消耗的能源几乎等于过去19个世纪所消耗能源的一半,有人预测当世界人口达63亿时能

[1]

源消耗将达到每年311亿吨标准煤。如果继续使

用煤、石油、天然气等不可再生能源,必然会将这些资源消耗殆尽。并且目前大量的化石燃料使用一方面给工业化国家带来了很多好处,同时也产生了全球环境和生态系统变化的问题,如大量的有害气体(SOx、NOx、CO和CO2)的排放,造成了一定的温室效

　　　收稿日期:2008204201,修回日期:2008206210。

　基金项目:国家自然科学基金资助项目(30570183);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KSCX22YW2G2027);中国科学院武汉植物园科技前沿项目(07541221D01);中国科学院武汉植物园园主任基金项目(0754561D04)。　作者简介:梅洪(1979-),女,博士,助理研究员,从事微藻生物技术研究。　3通讯作者(Authorforcorrespondence.E2mail:yeguang@rose.whiob.ac.cn)。

　第6期　　　　　　　　　　　　　梅洪等:利用微藻生产可再生能源研究概况651

应,从而也改变了人类生存的气候条件,导致生存环境不断恶化。在这样的背景下,为了解决人类所面临着的能源、环境和气候变化等问题,使得人类生存和社会可持续发展,寻找可再生的、清洁无污染的绿色替代能源成为学者们关注的重要课题。美国、日本、欧洲等发达国家每年都投入大量的经费进行可再生能源的研究和开发,积极发展可再生能源已成为世界共识。我国目前随着改革开放后持续多年的高速发展,能源需求大增,环境污染加剧,加上国际能源供应紧张,价格持续飙升,能源生产和消费面临经济发展需求和环境质量改善的双重压力。这些问题具体表现为:(1)能源供需矛盾突出,能源安全,尤其是石油安全问题突显;(2)能源供应短缺和浪费并存;(3)我国能源结构以煤为主,煤炭开采和加工及燃烧产生大量的污染物,导致严重污染。积极开展绿色能源计划已迫在眉睫。生物质能源作为一种来源广泛的可再生能源,其开发利用不仅有助于缓解化石燃料日益枯竭给全球经济发展带来的危机,还可以减少主要温室气体———二氧化碳的排放,有利于维护生态平衡,改善人类生存环境,在整个能源系统中占有越来越重要的地位,发展生物能源被认为是目前世界能源结构战略性转变的一个方向,成为许多国家和地区能源发展战略的重要组成

[4-7]

部分。

[2,3]

应可转化为生物柴油(一般为脂肪酸甲酯)。科学

研究表明,在一些藻类中含有极丰富的烃类物质,布朗葡萄藻(Botryococcusbraunii)烃类物质占干重的比例可以达到75%,另一些藻类含有极其丰富的脂类物质,如硅藻(Diatom)、杜氏藻(Dunalienasalina)和小球藻(Chlorella)等,大多含有30%～50%左右脂类,有的甚至高达85%。越来越多科学家认为微藻是当今最有开发前途的能源之一,希望将其作为

[1]

重要的清洁替代能源。

利用藻类生产可再生能源具有以下优点:

(1)藻类种类多,生态环境各异,代谢产物多样,可以生产多种能源物质;

(2)藻类是光合自养生物,直接将太阳能转化为化学能,能量只需一次转化,效率高;

(3)藻类繁殖快,培养周期短,可获得大量生物量,单位面积产量是高等植物的数倍;(4)藻类没有叶、茎、根的分化,所有生物量都可用于能源物质生产;(5)藻类是水生植物,可利用荒地进行生产,不与农争地;(6)藻类生长过程吸收的二氧化碳与燃烧过程中排出的二氧化碳数量相等,藻类生物燃料的生产和使用不增加温室气体二氧化碳,可以保持碳平衡。

2　微藻可再生能源研究现状

2.1　藻类产氢的研究

1942年,Gaffron和Rubin发现一种已在地球

1　利用微藻生产可再生能源的优点

微藻是一类系统发生各异、个体较小、通常为单

细胞或群体的、能进行光合作用(少部分为异养生长)的水生(或陆生、气生、共生)低等植物,今天,在地球上存活的微藻超过20万种,微藻每年固定的CO2大约占全球净光合产量的40%,在能量转化和碳元素循环中起到举足轻重的作用。它在自然界随处可见,容易生长和收获,产量很高。微藻种类繁多,它们表现为系统发生的多样性、遗传和表型的多样性、生长方式的多样性、生态多样性、代谢多样性、化学多样性和生物功能多样性,因此,它们的代谢产物也较为丰富,微藻能够通过生物转化或后加工形成多种形式的生物能源。如有些微藻在光合作用过程中能够通过光生物水解产生氢气;有些微藻在生长繁殖过程中,体内能够积累大量的脂肪酸;有些微藻在次生代谢过程中,会产生烃类物质;微藻光合作用所产生的生物质通过发酵气化、热解、氢化或热化学液化可分别转变为甲烷气、甲醇、汽油、烃或燃料油;同样,微藻细胞内积累的油脂通过酯交换反

[3]

上存在30亿年之久的蓝绿色海藻———斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)能在一定的条件下通过光合作用产生氢气

[3]

。此后,陆续发现其他许多微藻

[8]

也能产氢,例如绿藻(Chlamydomonasreinhardtii)、

[9,10][11]

蓝藻(Anabaenacylindrical)、Anabaenaazollae、

[12][13]

Anabaenasiamesis、Spirulinaplatensis等。现已证明,产氢作为一种生理性状广泛地存在于光合作

[14,15]

用生物中。微藻光水解制氢是通过微藻光合作用系统及其特有的产氢酶系将水分解为氢气和氧气。根据所利用的酶系的不同,可分为固氮酶制氢、可逆产氢酶制[14][16,17]氢,反应分为两个步骤。

第一步,微藻通过光合作用系统II(PhotosystemII,PSII)光解水,产生质子和电子,并释放氧气,反应式可表示为:2H2O→4H+4e+O2

第二步,蓝藻通过固氮酶系、绿藻通过可逆产氢酶系,还原质子为氢气。蓝藻及固氮微生物主要利

+

652武汉植物学研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷　

[18]

用固氮酶将氮气(N2)转化为氨(NH3),反应式为

。在厌氧光照条件下,绿藻的可逆产氢酶还原质子产

+

生氢气,反应式为:2H+2e→H2,可逆产氢酶制氢的电子来自于光合作用系统II光解水,再通过质体醌、细胞色素b/f、光合作用系统I、铁氧还蛋白到产N2+8H

+16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi

+[17]

法间接光水解产氢。

绿藻可逆产氢酶直接光水解产氢是在厌氧等胁迫条件下,利用绿藻体内的可逆产氢酶电子传

[3,8,23-25]

递路径产生氢气。绿藻的理论产氢速度和光能利用效率比蓝藻高。可逆产氢酶对氧气极为敏感,当气相环境中氧气浓度接近115%时,可逆产氢酶迅速失活,产氢反应立即停止。所以直接光水解产氢过程难以持续进行,难以发展为大规模的制氢技术。

间接光水解制氢可以实现O2和H2的产生在时间上或空间上分离。绿藻在不含硫的培养基中,光合作用放氧能力逐渐降低到小于呼吸作用的耗氧能力,使藻液保持厌氧状态,产氢酶表达水平高,放

[26]

氢时间延长,产氢量显著提高。间接光水解产氢有两种工艺路线。Greenbaun提出一步法间接光水解产氢工艺,将藻细胞悬浮在无硫的培养液中,在厌氧条件下3h以诱导可逆产氢酶的表达,光照下绿藻细胞为了维持自身的生命活动,消耗体内营养物质,产生的电子通过电子传递链传到可逆产氢酶还原质子产氢,得到的气体含H2、O2和CO2,该过程与细胞体代谢有关,不能使氢气、氧气的产生完全分离。美国国家可再生能源实验室(NREL)和加州大学的科学家开发成功了两步法间接光水解制氢工[26]

艺。第一步,衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)进行正常的光合作用,固定二氧化碳,释放氧气,积累有机物;第二步,在无硫、厌氧环境中诱导衣藻可逆产氢酶的高表达,再光照消耗细胞内代谢物质产氢。

6-1

该系统用(3～6)×10cells・mL的藻液,以每升藻液每小时产氢2.0～2.5mL的速度延续了70h,气体的组成为87%氢气、1%二氧化碳,其余主要是氮气和微量的氧气。在产氢结束后,培养基中补充无机硫酸盐,恢复放氧光合作用重新进行生物量的生长。培养一段时间后,重复上述产氢过程,实现生物量生长过程和产氢过程的循环。

以上研究结果说明,硫是绿藻光合作用、呼吸作用和产氢反应之间转化的关键。选育高产氢藻种,深入研究、掌握上述过程转化的动力学原理以及进一步优化工艺路线,有可能获得更高浓度的氢气和更高的氢气产量。

两步法间接光水解制氢,其显著特点是在时空上分离产氢和产氧的过程,避免了氧对可逆产氢酶产氢的抑制、氢氧分离纯化等困难。虽然操作复杂,但是产氢效率高、下游处理工艺简单等优点使其极具吸引力。因此,微藻可逆产氢酶两步

[27]

[23]

氢酶,还原质子产氢。

研究证实,固氮酶产氢过程不但消耗ATP,而且产氢的质子利用率只有固氮反应的1/4,所以制氢

[18]

效率较低。绿藻光水解制氢是利用绿藻体内的可逆产氢酶系,以光为能源、以水为原料,催化效率高,能量消耗小,生产过程清洁,可以实现光能收集系统的自组织、能量的自发积累、定向快速转化。1998年,国际能源局(IEA)的评估报告认为,可逆产氢酶(reversiblehydrogenase)间接光生物水解制氢

[20]

路线是最有应用前景的方向,使该项技术受到世界各国生物制氢研究机构的特别关注。2.1.1　蓝藻固氮酶产氢

[9]

1974年,Benemann等发现蓝藻Anabeanacy2lindrica在氩气中保存几个小时后,同时产生氢气和氧气。进一步研究发现,蓝藻具有光系统I和光系统II,水是最终电子供体。由于蓝藻固氮过程既需要能量,也需要质子,产氢作为固氮反应的副反应,其速度是固氮速度的1/4～1/3。在有氧环境中,固氮酶活性受到抑制,产氢停止。一些蓝藻含有异形胞,异形胞具有很发达的保护机制,使固氮酶远离有氧环境,保持固氮产氢活性,该过程中,正常细胞进行放氧光合作用,将合成的有机物转移到异形胞中,异形胞分解有机物并为固氮酶提供电子和ATP,实现固氮和产氢。Miyamoto等用A.cylindrica进行了室外产氢实验,一个月的平均太阳能转化效率接近

[3]

012%。Mitsui及其合作者广泛地筛选了产氢效率高的蓝藻,获得单细胞固氮蓝藻Synachococcussp.MiamiBG043511,利用同步培养技术保护和提高固氮酶活性,在低光照条件下,使用波长在400～700nm范围内的人造光源,可以得到315%的光能

[19]

转换效率。无论以上哪一种固氮产氢过程,能量

[22]

利用率最高的仅达到315%,远远低于生物制氢实用化最低10%的要求。从理论上讲,由于大部分能量消耗于固氮反应,固氮产氢的能量利用率难以有较大的提高。2.1.2　绿藻可逆产氢酶产氢

绿藻可逆产氢酶光水解产氢主要有3种方式:直接光水解产氢、一步法间接光水解产氢以及两步

[21]

　第6期　　　　　　　　　　　　　梅洪等:利用微藻生产可再生能源研究概况653

法间接光水解制氢是当前微藻光生物水解制氢技术研究的热点。2.1.3　微藻光水解制氢存在的问题与对策

虽然微藻可逆产氢酶光水解制氢的研究有所突破,但距实用化还有相当大的距离。IEA的评估报告指出,微藻光水解制氢的光能利用率必须接近

[22]

10%才有实际应用意义。当前,大部分微藻只能捕获3%～4%的太阳能。所以,微藻可逆产氢酶制氢技术实用化的关键性课题包括以下3个:优质产氢藻株的筛选与基因工程改造;高效培养和产氢光生物反应器的构建;制氢系统经济评价研究。优质的产氢藻种既要求产氢效率高,还要求耐受高的氧气浓度。多年来,科学家在藻种的筛选方面做了许多工作,但目前还未获得满意的产氢藻种。随着微藻生物制氢的化学和生物学机制的阐明,可通过分子生物学技术找到产氢酶的基因,再对它进行基因改造,以获得易于高密度培养、产氢效率高、抗氧能力强的基因工程藻。同时还可通过减小微藻集光色素尺寸,增加光在藻液的穿透深度,使光合作用效率[28,29]

和产氢效率提高。研究发现,培养参数对产氢效率的提高有一定作用,但不能使产氢效率有显著[30]

的提高,所以对产氢藻种的筛选和改造是研究的基础和核心。

在两步法间接光水解制氢过程中,高效廉价的光生物反应器的研发是促进藻可逆产氢酶光水解制氢实用化的另一关键课题,包括光生物反应器的设计、优化、构建和操作等内容。光生物反应器的“自

(即在吸收太阳能的过程中,处于反应器屏蔽问题”

内层的藻细胞将因外层藻细胞产生的屏蔽,无法获得较高强度的光照,从而降低太阳能的吸收效率)一直困扰着光生物水解制氢的发展。应着手研究光强度、光波长变换、细胞固定化、光生物反应器结构等课题,以构建可稳定持续产氢的光生物反应[31]

器。针对微藻制氢的特点,一般采用具有一定斜度的平行管式反应器,同时还装备内部气体交换和外部水冷却系统。从实用角度看,微藻光水解制氢的反应器系统应该包括微藻的高密度培养、产氢酶的暗诱导和光照产氢3个部分。微藻的高密度培养研究相对比较成熟,可以采用大规模培养的室外管

[31,32]

式光生物反应器。目前实验室研究微藻间接光水解制氢可以用一个反应器,暗诱导和光照产氢在不同的时间内完成,为下一步的连续制氢研究提供工艺参数。要使微藻光水解制氢投入实际应用,必须实现连续大规模制氢。

2.1.4　微藻光水解制氢的前景展望

微藻可逆产氢酶光水解制氢是由产氢和产氧两个相互矛盾的反应步骤组成的,其速度限制因素可能是光系统的光化学还原、质体醌的氧化还原、类囊体跨膜质子梯度以及细胞氧化还原状态等。由于氧气强烈抑制可逆产氢酶的活性,系统中存在反

[34]

馈抑制。所以,开发出新的藻种,使可逆产氢酶在高氧气浓度下仍能保持产氢活性可能是解决方法之一。但是直接光解水制氢需要复杂的工程设备,在大规模生产中,直接光解制氢的技术可靠性较差,难以达到经济开发的目的。间接光解水制氢以二氧化碳为媒介,使用代谢转换开关,可以分隔产氢、产氧这两个反应,可望解决可逆产氢酶遇氧失活的难题。最新的研究结果表明,采用两步法间接光水解制氢工艺,在实验室低光照条件下,绿藻(Chlamydo2monassp.)把22%的光能转化为氢能,相当于10%的太阳能转化效率。如果能在室外太阳光照下获得该结果,微藻光水解制氢有望实用化。两步法间接光水解制氢的另一突出优点是可以在开放式的培养池中固定二氧化碳和释放氧气,在体积较小的密闭光生物反应器中产氢,以降低设备造价和操作费用。因此无论从制氢原理还是工程实用化看,可逆产氢酶两步法间接光水解制氢是微藻光生物水解

[20,30]

制氢研究最有发展前景的方向之一。

目前实验室的工作通过对藻株、微藻浓度、产氢速度、光的衰减、循环时间以及培养池深度等因素的研究,发现在高日照地区微藻间接光水解制氢的

[21,35]

成本有可能达到市场可接受的生产成本,所以微藻可逆产氢酶两步法间接光解制氢极具开发前景。

2.2　产烃藻类的研究2.2.1　产烃藻类和生烃机制

[18]

[33]

相较于产氢的藻类来说,目前已知很多藻类都具有生烃能力,但不同种类微藻产烃能力的差别非常显著,其产烃量随培养条件、藻种不同而差异很大。迄今所发现具有较强产烃能力的藻类有葡萄藻(Botryococcusbraunii)[36-50]、盐生杜氏藻(Dunaliena

[52,53]

、小球藻(Chlorellavugaris)、高山组囊藻

[36]

(Anacystismontana)、Dictyopterisaerostichoides(网

[54][42]

翼藻属)、灰色念珠藻(Nostocmuscorum)。但

Salina)

[51]

产烃量最高、研究得最多,最可望成为产业化藻种的是葡萄藻,其烃类物质占干重的比例可以达到

[55]

75%。

1968年Maxwell证明了葡萄藻体内的油类物

654武汉植物学研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷　

质属于多不饱和的碳氢化合物,其含量可达藻体

干重30%以上;同年GelpiE.等在葡萄藻和倒囊藻中检测到的烃主要是C17、C27、C29、C31且高度不饱和的奇数碳脂肪烃,类似于高等植物中的烃的碳数分布。这些工作使产烃微藻的研究进入一个崭新的阶段。最初人们希望获得生长快、含碳氢化合物高的微藻直接供应能源,但由于对该产烃微藻的生长、生理、代谢机制、水华成因以及适宜生长的基本条件缺乏了解,未能实现规模化培养。随后的工作转到产烃微藻的生物学基础研究上,研究表明葡萄藻中烃的种类(碳数多少、饱和度、有无分支等)即使在同一种藻的不同品系中也可能不一样,与产烃微藻的类型、生理状态和培养条件有关。按葡萄藻来源特别是产烃种类,该藻至少存在4个品系:品系A(Austin)主要产C23～C31奇数碳无分支的直链二烯烃和三烯烃,品系B(Berkeley)主要产分支的C30～C37类异戊二烯烃,被特称为葡萄烃(bot2ryococcene),品系L(Lycopadiene)主要合成分支上存在苯环或杂环的C40的异戊二烯烃、类四萜烯烃(lycopadiene),品系Gb是最后发现的品系,所产烃种类和合成途径与A相似,但在产物中存在顺式和反式(相对烯键而言)的二烯烃。Brown等(1969年)发现葡萄藻在两个不同的生理阶段:绿色活跃期和黄化休眠期产烃种类和数量不同,绿色期主要产如A品系的二烯和三烯直链烃,占细胞干重的17%左右,黄化休眠期产高度不饱和的分支葡萄烃,

[36]

两个区域中其它脂类含量都很低。胞内外烃的种类相同,但丰度有别:胞质封闭区中短链烃较多,而胞外烃占总烃产量的95%以上,甚至胞外烃

[40]

形成的球形体积大于细胞本身。据Berkaloff、Largeau等研究,胞外烃可能就在细胞壁外合成,并且可通过二烯烃的氧化聚合作用合成胞粉质样的化

[39]

合物,即PRB。2.2.2　微藻产烃的影响因素

影响藻类产烃的因素包括营养类型、培养方式、营养物浓度和比例、光照、温度、抑制剂等。营养生理研究最早始于Chu(1942年)的N、P、K、Ca、pH对葡萄藻培养的影响研究,随后的研究主要是N、P等营养对葡萄藻生长及碳氢化合物含量和类型的影响,发现氮饥饿导致其烃类物质积累的增加,氮源缺乏的培养条件下生长一段时间后再加入氨态氮,可抑制碳氢化合物的合成并使氮代谢途径转化为几种氨基酸的合成途径;P含量的增加有益于碳氢化合物的合成。葡萄藻生长缓慢,在静置条件下培养约6d才能翻一倍,这是大量培养的困难之一。Casadevall等向藻液中通入适量的CO2进行分批和连续培养试验,明显提高了葡萄藻的生长速度,增代时间大大缩短,分批培养为2.3d,连续培养为2.3～2.77d。另外加入外源有机碳也可将增代时间缩短为3d,且以甘露醇的效果最明[40]显。由此可见,适当地控制培养条件可以明显促进葡萄藻的生长。吴庆余等发现,小球藻先自养生长一段时间后再转入异养培养(以有机碳为碳源,无光照),产烃量比纯自养培养提高数[52]倍。据研究,藻类在自养和异养培养下的生长和产烃中各种酶的合成可能受控于不同的基[43,48]因。自养时,许多研究者都发现CO2供应是藻类产烃和生长的显著刺激因素,故采用和发明了若干方法提高培养管(池)中CO2浓度以增加产烃率,如MetzgerP.等在实验室培养时通以含1%CO2的空气,葡萄藻的产烃量可从5%增加到20%～61%的细胞干重。某些特殊有机物如SC1058(12N2苯232羧基242氧代噌啉)对藻类产烃具有明显抑制效应,但并不影响其基础代[39,40]-3谢。如当SC1058浓度达5×10mol/L时,葡萄藻胞外烃产量下降而胞内烃含量增加(胞外长链烃和游离脂肪酸分别抑制50%～80%和95%),但胞内游离脂肪酸和三酰甘油(TAG)分别增加4倍和7倍,可见SC1058主要通过抑制脂肪

[37,38]

酸向胞外分泌从而抑制烃合成。Casadevall

[45]

[9,11,16,44,45]

[40,41]

占细胞干重的76%;但这种现象与藻种地理来

源有关,并非所有品系都有这样的情况。

TemplierJ.等对葡萄藻A品系添加了不同脂肪酸进行培养,并推断非异戊二烯类长直链烃主要是以油酸作为前体,通过脱羧延长形成。我国吴庆余教授和YamaguchiK.等的研究结果也佐证了上

[52]

述推断。品系Gb中反式烯烃的合成则是在于其

[47]

前体为反油酸,合成途径与顺式烯烃相似。但品系B中“葡萄烃”的合成较为复杂,还没有直接证据表明与上述直链烃合成途径相联系。据DernneS.等(1989)的添加甲羟戊酸(mevalonicacid)培养试验,推测“葡萄烃”是通过萜类途径(terpenicpath2

[45]

way)合成。而L品系中,nC40的类四萜烯烃主要以异戊二烯烃的头尾相接方式合成,且在该品系中大量存在的高惰性、抗氧化的长链化合物PRB直接

[45]

来源于这种烃。LargeauC.等利用喇曼光谱分析和电镜观察,发现烃类主要存在于细胞质的特殊封闭区域和在胞外形成一连续稳定的“球状壁”,且这

[45][42]

[56]

　第6期　　　　　　　　　　　　　梅洪等:利用微藻生产可再生能源研究概况655

E.等在实验室规模培养葡萄藻时有一极有应用价2.2.4　藻类产烃存在的问题、对策与前景展望

值的发现,即B.braunii的产烃高峰在线性增长和对数增长期,与藻类增长高峰同步,而不是如别的

[40]

藻类产脂高峰在对数期之后。这对藻类以连续

[11]-3

“发酵”方式产烃非常有利。另外,温度、PO4浓度、氮源数量和种类对产烃都有程度不

[57]

同的影响。Metzger等发现,葡萄藻两个品系混

[43]

合培养可提高产烃量。2.2.3　产烃藻类的开发利用

藻类产烃量随培养条件、藻种不同差异很大。Brown等在绿色自养和黄化异养条件下得到葡萄藻

[3,9]

[39]

在能源紧张的今天,藻类产烃研究的重要方向

是提高烃产量并向产业化方向发展。而目前研究最多,烃类含量较高的葡萄藻常见品系却存在着生长速度慢,所产烃类碳链较长等弱点。这就需要继续寻找潜在的高产藻类或品系;改进、设计各种培养方法如通CO2、有效光照控制、纯培养控制、营养成份控制、胁迫条件研究等;采用遗传工程手段,改造现有的较有潜力的藻种如葡萄藻、小球藻和Dunaliellasalina等。目前,我国仅在有机地球化学和培养条件方面对葡萄藻开展了一些研究,这一领域的研究非常薄弱,在借鉴国外已有成果的前提下,宜大力开展藻种选育、培养等方面的基础和应用基础研究,为研发实用的藻类产烃技术工艺奠定基础。2.3　富脂藻类的研究金藻纲、黄藻纲、硅藻纲、绿藻纲、隐藻纲和甲藻[60,61]

纲中的藻类都能产生高含量多不饱和脂肪酸,而且从微藻中提取得到的油脂成分与植物油相似,不仅可以替代石油作为生物柴油直接应用于工业[62]

上,还可以作为植物油的替代品,因此具有广泛的应用价值。微藻(如Characiumpolymorphum和Neochlorisoleoabundans等)中甘油三酯的含量丰富,且其甘油三酯的结构与普通蔬菜油甘油三酯的结构类似,故可以作为食用油而满足人们对食用油脂的需要。目前国内外对微藻脂肪酸进行了大量研究,但报道较多的是小球藻(Chlorellasp.)、球等鞭金藻(Isochrysisgalbana)、三角褐指藻(Phaeodactylumtric

[63]

ornutum)等。这些微藻以阳光为能源,以水、二氧化碳和简单的无机元素为原料进行光合作用,所产生的油脂通过酯化后可转变为生物柴油(脂肪酸甲酯等),提取油脂后的藻渣可以综合利用,

[64]

生产动物饲料、有机肥料和甲烷(图1)。美国国家可再生能源实验室(NREL)的报告指出,微藻油脂生产可能是生物柴油产业和生物经济的重要

[1]

研究方向。

2.3.1　藻类产脂代谢研究

[25,58]

占细胞干重17%和76%的产烃量。Maxwell等在

实验室得到葡萄藻占细胞干重76%～83%的产烃量,主要组分为分子式C34H58的3种同分异构体“葡萄烃”。美国科罗拉多太阳能研究所在20米直径池塘中培养并收获藻类4吨,从中提取了3000多升

[8]

燃油。CasadevallE.等用透明玻璃管(直径65～90mm)人工光照(12∶12h)分批或连续“发酵”方式培养葡萄藻并通以含1%CO2的空气,使藻类生物量加倍时间缩短至2.12d,且在对数期可得到占干重16%～44%的产烃量,最

-1-1[40]

大产烃率0.234g・d・g生物量。

王军等的研究证明以CO2补碳能提高葡萄藻的光合作用效率,从而提高生长速率;在一定范围内,增加硝酸盐浓度,可延长对数生长期;提高磷源浓度能大大加快葡萄藻的生长;适量NaF对葡萄藻

[57]

生长有促进作用。殷大聪等对布朗葡萄藻UTEX572和UTEX2441的研究结果表明,与B.brauniiUTEX2441相比,B.brauniiUTEX572具有更高的光饱和点,适应更高的温度,对pH值变化有更宽的适应范围,盐度的适当提高对其光合作用有促进作用,表明B.brauniiUTEX572在快速生长繁殖方面

[58]

具有更大的潜力。

美国JenkinsD.P.1991年发明了一种培养小球藻产烃发电的技术。它是这样一个循环:培养藻类→物理或化学方法收获藻类→干燥→藻粉直接燃烧并发电→废热及燃烧后CO2重新泵入培养池→促进藻类培养,其唯一驱动力就是太阳能。也有人研究并建议藻类收获后将烃(和脂)提取、经高温裂

[43]

解成短链后再用为燃料。葡萄牙的MendesR.L等研究了一种高效的从藻提取烃的技术,即在40℃、30MPa的高压下用CO2提取B.braunii中的烃,得到金黄色半透明烃液。此技术为烃在医药、化

[59]

妆品工业的应用创造了有利条件。

[53]

[37]

[56]

藻类、微生物产生油脂的过程,本质上与动植物产生油脂的过程相似,都是从乙酰CoA羧化酶催化羧化的反应开始,然后经过多次链延长,或再经过去

[65]

饱和作用等完成整个生化过程。在此过程中,有两个主要的催化酶,即乙酰CoA羧化酶和去饱和酶。此酶是由多个亚基组成的复合酶,结构中有多个活性位点,因此该酶能为乙酰CoA、ATP和生物素所激活。去饱和酶是微生物通过氧化去饱和途径、生

656武汉植物学研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷　

图1　利用微藻生产生物柴油和产品的综合利用工艺(ChistiY.2008)

Fig11　Aconceptualprocessforproducingmicroalgaeoilforbiodiesel(ChistiY.2008)

成不饱和酸的关键酶,这一过程称之为脂肪酸氧化

[66]

循环。在脂肪酸合成途径中,乙酰辅酶A羧化酶(acetyl2CoAcarbolylase,ACCase)催化反应不仅是第一个和关键的步骤,同时也是限速步骤。

藻类细胞积累油脂的多少与培养条件密切相关。碳源充足而其他营养成分缺乏是高产油脂的一个关键因素。最适合细胞生长和油脂合成的碳源是葡萄糖。黄建忠等人进行的不同氮源影响细胞油脂合成的实验表明,NH4NO3、尿素等适合于细胞生长但不适合油脂的合成;蛋白胨、牛肉膏不适于细胞生长但利于油脂合成;酵母膏不仅适宜细胞生长,而且

[67]

是油脂合成的最佳氮源。微生物生产油脂可分为两个阶段,即菌体增殖期和油脂积累期。两阶段碳氮比要求不同。氮源的作用是促进细胞生长,因此培养前期要求低碳氮比,可以获取大量菌丝体,产

[68]

油阶段要求高碳氮比,以积累更多脂肪。IllmanA.M.等在低氮营养条件下培养5种小球藻,与对照相比,除了1种小球藻油脂含量上升幅度不大外,另

[69]

外4种小球藻的油脂含量均升高了约一倍。

研究表明,产油硅藻在硅限制条件下,细胞对碳的同化将更多地流向脂肪,并可导致其他非脂类成分向脂肪的转化,其他各种生理胁迫如营养限制(氮和磷等)也能有效促进硅藻细胞脂肪的合成,然而,与其他营养元素相比,短时间的硅缺乏就能导致

[70]

硅藻细胞脂肪的积累。2.3.2　富脂藻类作为能源的开发利用研究

对于如何合理利用微藻资源来帮助解决环境和能源方面所面临的问题,欧洲、美国和日本的科学家做了大量的科学研究和开发工作,并形成了相应的国际联合机构。从1990年到2000年,日本国际贸易和工业部就资助了一项名为地球研究更新技术计

划的项目,此项计划是利用微藻来生物固定CO2,并着力开发密闭光合生物反应器技术,通过微藻来吸收火力发电厂烟气中的CO2以生产高附加价值的生物质能源。该项计划共有大约20多个私人公司和政府的研究机构参与,10年间共投资大约25亿美元,分离出10000多种的微藻,筛选出多株耐受高CO2浓度、高温,生长速度快,能形成高细胞密度的藻种,建立起了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案

[71]

。为了帮助协

调和推进微藻生物质能源等生物技术在温室气体控制中的实用性研究、开发和示范作用,2000年和2001年分别在澳大利亚和意大利召开了多个有关

研究人员参加的讨论会,对于利用微藻来生物固定CO2研究领域的技术基础进行了评价,同时对该项

新的研究活动提出了建议

[71]

。

1978年,在美国能源部通过国家可再生能源实

验室(TheNationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)启动的一项利用微藻生产生物柴油(biodie2sel)的水生生物种计划(AquaticSpeciesProgram,ASP)中,研究人员经过十多年的努力,从美国西

部、西北、西南部和夏威夷采集分离到了3000株微藻,最后选择了其中的300余株,并对其中生长速度快、脂肪含量高的微藻进行了实践性的规模培养。这一项目的启动,大大推动了微藻可再生能源的研究与开发。

2007年10月,国际能源公司(InternationalEnergyInc)10月1日宣布开发以绿色微藻为原料

生产生物燃料的新技术,这种藻类通过光合作用能积集30%的生物质用作生物燃料原料。10月26日,荷兰AlgaeLinkNV公司宣布用于生物柴油生产

　第6期　　　　　　　　　　　　　梅洪等:利用微藻生产可再生能源研究概况657

的海藻光生物反应系统研制成功(中国工业生物技术信息网,www.biodindusty.cn2007年10月26日)。

目前,能源微藻,如小球藻、硅藻等油脂含量高,易于培养,特别是小球藻可以进行工业化生产,是理想的能源微藻资源,选育适合大规模养殖生产生物柴油的小球藻优良藻种引起国际上能源研究机构和生物能源开发公司越来越多的关注。除了传统的育种模式以外,生物能源专家强调,基因工程育种

[75]

方法是必不可少的技术手段。根据微藻产生油脂过程其本质上与动植物产生油脂的过程相似,1996年,美国国家可再生能源实验室报道,他们成

[72-74]

在的主要问题:①生产过程中藻液的机械搅拌、离心采收和干燥等环节能耗很高,能量的投入、产出不够经济;②以生产能源为目的微藻养殖规模巨大,大量的废培养液如果处理不当,会造成严重的环境污染;③生产成本高,不能与矿物油竞争。

对于降低生产成本,目前普遍认为将微藻能源生产与CO2的生物固定相结合,对生产出的微藻进行综合利用是一条有效的途径,即利用工厂,如热电厂排出的CO2为碳源养殖微藻,在生产微藻的同时,生物固定了工业废气二氧化碳,生产出的微藻提取油脂后,藻渣加工成动物饲料或其它产品,也可以进行厌氧发酵,产生甲烷,甲烷燃烧发电提供工厂生产的动力,发酵后的残余物可以用作有机肥料(图1)。在美国的Cyantech公司,利用发电站产生的二氧化碳为碳源养殖螺旋藻(Spirulina)的试验已经取得成功。

如何降低生产过程中的能耗,控制废培养液的排放,不造成环境污染,是能源微藻产业化必须解决的问题。美国能源部的水生生物种计划(ASP)对于降低成本、减小能耗在工艺上进行了多方面的探讨,例如计划采用巨大的非机械搅拌的养殖池,不使用

[83,84]

离心机,改用絮凝和悬浮法采收微藻。尽管这些计划未付诸实践,其降低生产能耗的思路是值得鉴戒的。实现清洁生产,是能源微藻生产的必由之路,能源微藻的清洁生产,至少包含两个要素:①利用合适的工厂产生的废气二氧化碳为碳源生产能源微藻;②培养基的循环使用,做到废水“零排放”。为实现节能、清洁生产,需要在适合能源微藻生产的光生物反应器研制开发、大规模养殖过程的营养调控和培养基循环使用技术研究等方面加大力度,取得突破性的进展。2.3.4　微藻生产生物柴油的前景展望

由于产油微藻培养成本偏高,迄今为止,国际上尚未在产油微藻产业化生产和商业开发方面取得突破。能源微藻生物柴油要真正成为一种替代能源,降低微藻油的生产成本至关重要。除了获得高含油微藻种以及大规模低成本培养外,进行以微藻油脂为主线,蛋白质、多糖、脂肪酸等的多联产与综合利用是关键。仅以蛋白质为例,每生产一吨微藻油几乎就可副产一吨藻蛋白质,而目前我国人与饲料用蛋白质存在巨大的市场缺口,仅大豆粕进口量就高达3150万t,而目前60%玉米蛋白粉价格在5000元/t左右,65%鱼蛋白粉的市场价格在8500～10000元/t左右,价值几乎与生物柴油相

[82]

功通过基因工程手段构建了“工程微藻”:将来自小环藻(Cyclotellacryptica)的乙酰辅酶A羧化酶基因accI转入小环藻,获得一株工程小环藻,在实验室条件下可使该藻的脂肪含量达到60%以上,户外生产也可达到40%以上。

国内关于藻类脂肪酸的研究在很长时间内主要关注的是其不饱和脂肪酸的营养价值。这部分研究主要集中于以下方面:其一,分析藻类脂肪酸的组成成分和含量,了解不同种类的不饱和脂肪酸在各种藻类中的具体情况,寻找藻类中的PU2FAs资源;其二,研究脂肪酸含量的积累与外界环境及各种培养条件之间的关系,以试图得到所需脂肪酸的最佳培养条件,为其进一步的研究开发提供理论依据和技术参数;另外,脂肪酸还可以为藻类的系统分类提供某些标志性的依据,作为藻

[77]

类分类的辅助指标和手段。

迄今为止,国内的学者对数十种微藻测定了脂肪酸含量及组成,并研究了不同环境因子和营养条件对藻类积累脂肪酸的影响。如易翠平、杨明毅用重量法测定了3种绿藻,其总脂肪含量在

[78]

17.69%～21144%之间。清华大学缪晓玲的博士论文表明,通过异养转化细胞工程技术可以获得

[79]

脂类含量高达细胞干重55%的异养藻细胞。曹春晖2006年分别研究了温度和氮浓度对4株海洋绿藻总脂含量和脂肪酸组成的影响。作者也对本实验室培养的6种微藻进行了脂肪酸的分析,其脂肪酸含量在19.9%～2914%之间。2.3.3　利用微藻生产生物柴油存在的问题与对策

现在利用植物油脂加工生产生物柴油的工艺技术已经比较成熟,微藻细胞中油脂的性质与植物油脂很相似,利用微藻油脂加工生产生物柴油,技术上完全可行。但是,按照微藻工业化生产现有的模式生产生物柴油,与商业应用目标还有相当的距离,存

[80,81]

[76]

658武汉植物学研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷　

当,更不用说这些蛋白质/多糖/色素等物质的活性

分级与高值化。因此藻油之外的化学品的多联产既是现代工业技术对资源综合利用的必然要求,也是在目前技术条件下有效降低藻油生产成本、真正实现微藻生物柴油对化石燃料部分替代的必由之路。

单位与能源产业部门可强强联合,以产业化为目标,

首先在微藻生物柴油技术方面进行科技攻关,利用常规和遗传育种方法,筛选具有自主知识产权、适合产业化推广应用的优良藻种,研制新型高效光生物反应器和高密度培养技术,针对藻类培养和藻油提取、炼制两个关键环节,建立节能和环境友好型的生产工艺技术,实现微藻资源的综合利用和多联产。一旦上述关键技术取得突破,我国的微藻生物能源产业就可能异军突起,走出一条适合中国国情的路子,在实现我国可再生能源发展战略目标中发挥重要作用。参考文献:

[1]　SheehanJ,DunnahayT,BenemannJ,RoesslerP.Alookbackat

theU.S.DepartmentofEnergy’sAquaticSpeciesProgram:Biodie2selfromAlgae[R].TheNationalRenewableEnergyLaboratoryoftheU.S.DepartmentofEnergy,1998:328.[2]　TurnerJA.Realizablerenewableenergyfuture[J].Science,

1999,285:687-689.[3]　MiyamotoK.FAOAgriculturalServicesBulletin2128.Renewable

biologicalsystemsforalternativesustainableenergyproduction[R].1997:135.

[4]　MathewsJA.Carbon2negativebiofuels[J].EnergyPolicy,2008,

36(3):940-945.

[5]　SteenberghenT,LópezE.Overcomingbarrierstotheimplementation

ofalternativefuelsforroadtransportinEurope[J].JCleaner

Prod,2008,16(5):577-590.

3　我国能源微藻研究开发前景展望

目前,中国经济的高速发展令世人瞩目,但是,

环境污染和能源不足对中国经济持续高速发展的负面影响也越来越突显出来。在能源方面,我国化石能源蕴藏量,特别是石油储量不足,不仅是经济持续高速发展的制约因素,甚至危及到国家能源安全。我国政府为节约能源、解决能源替代和绿色环保问题制定了相应政策和措施。《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源发展中长期规划》和《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》的先后实施为我国可再生能源的开发利用提供了法律保障和政策支持,可再生能源的发展已经迎来了政策的春天。在今后20～30年内,具备利用条件的小水电、风能、太阳能、生物质能等可再生能源资源量,预计每年可达到相当8亿t标准煤的能量。一些学者和专家也已致力于生物柴油的倡导、研究开发工作,利用麻疯树(Jatrophacurcas)、黄连木(Pistaciachinensis)等高等植物生产生物柴油的研究已经在进行中。在我国人口众多,耕地面积严重不足的国情下,发展微藻生物能源,更符合“不与农争地,不与人争粮”的战略方针。藻类学家们充分认识到这一点,在利用微藻生物制氢和生物合成长链烷烃方面开展了一些基础性研究,并已着手展开了利用微藻资源生产生物柴油的研究和开发工作。

我国在微藻生物技术研发方面具有较好的基础和较强的实力,近年来,在国家自然科学基金和中国科学院知识创新工程的支持下,中国科学院武汉植物园初步建成能源微藻藻种库,收集培养产油、产烃藻种近百株,开展了适合于大规模养殖的能源微藻藻种筛选和培养条件优化研究。中国科学院水生生物研究所的“淡水藻种库”和海洋研究所的“海洋生物种质库”保存的淡水和海水微藻藻种中,许多种类含有较丰富的油脂和烃类,为筛选能源微藻提供了种源。

我国的能源微藻研究开发的重点和方向在于在已有工作的基础上,充分利用我国丰富的微藻资源和微藻产业基础,借鉴国外能源微藻研究开发的经验,开展可再生能源微藻研究。微藻生物技术科研

[6]　HammondGP,KalluS,McManusMC.Developmentofbiofuels

fortheUKautomotivemarket[J].ApplEnergy,2008,85(6):506-515.

[7]　AmigunB,SigamoneyR,VonBlottnitzH.Commercialisationof

biofuelindustryinAfrica:Areview[J].RenewSustaEnergyRev,2008,12(3):690-711.

[8]　BishopNI.PhotoHydrogenProductioninGreenAlgae:water

servesastheprimarysubstrateforhydrogenandoxygenproduction[C]∥BiologicalSolarEnergyConversion.NewYork:AcademicPress,1977.

[9]　BenemannJR,WeareNM.Hydrogenevolutionbynitrogenfixing

Anabaenacylindricalcultures[J].Science,1974,184:174-175.[10]　BorodinVB,TsygankovAA,RaoKK,HallDO.Hydrogen

productionbyAnabaenavariabilisPK84undersimulatedoutdoorconditions[J].BiotechnolBioeng,2000,69:478-485.

[11]　戴玲芬,林惠民.蓝细菌红萍鱼腥藻的两种固氮酶系统的放

氢特点[J].水生生物学报,1994,18(4):383-385.

[12]　刘梅,张宪孔.暹罗鱼腥藻氢代谢的调节[J].应用与环境生

物学报,1995,1(12):120-124.

[13]　龙敏南,林志,詹雄凌.螺旋藻Spirulinaplatensis放氢的研究

[J].厦门大学学报:自然科学版,1998,37(6):921-924.

[14]　AsadaY,MiyakeJ.Photobiologicalhydrogenproduction[J].J

BiosciBioeng,1999,88(1):1-6.

　第6期　　　　　　　　　　　　　梅洪等:利用微藻生产可再生能源研究概况

[15]　BoichenkoVA,etal.HyrogenProductionbyPhotosynthetic

Microorganisms[M]∥ArcherandMD,BarberJ.PhotoconversionofSolarEnergy:MoleculartoGlobalPhotosynthesis.London:ImperialCollegePress,2001.

[16]　ZhangLP,HappeT,MelisA.Biochemicalandmorphological

characterizationofsulfurdeprivedandhydrogenproducing

Chlamydomonasreinhardtii[J].Planta,2002,214:552-561.

659

asurveyofliterature[J].IntJHydrogenEnergy,2001,26:13-18.

[35]　AmosWA,MannMK,SpathPL,LaneJM.Processanalysis

workfortheDOEhydrogenprogram2000.Proceedingsofthe2001DOEhydrogenprogramreview[R].Golden:NRELCP57030535.

[36]　GelpiE,OroJ,SchneiderHJ,BennettEO.Olefinsofhighmolecular

weightintwomicroscopicalgae[J].Science,1968,161:700-701.

[37]　MaxwellJR,DouglasAG,EglintonG,McCormickA.The

Botryococcenes—hydrocarbonsofnovelstructurefromthealga

Botryococcusbraunii,Kützing[J].Phytochemistry,1968,7:2157-

[17]　HallDO,MarkovSA,WatnanbeY,etal.Thepotentialapplications

ofcyanobacteriaphotosynthesisforcleantechnologies[J].

PhotosynthRes,1995,46:159-167.

[18]　GhirardiML,ZhangLP,LeeJW,etal.Microalgae:agreen

sourceofrenewableH2[J].Tibtech,2000,18:506-511.

[19]　BenemannJ.Hydrogenbiotechnology:progressandprospects[J].

NatBiotechnol,1996,14:1101-1103.

2171.

[38]　WakeLV,HillenLW.Studyofabloomoftheoil2richalga

BotryococcusbrauniiintheDarwinriverreservoir[J].BiotechBioeng,1980,22:1637-1656.

[20]　CarolynCE.IEAAgreenmentontheproductionandutilizationof

hydrogen[J].AnnuRep,1998:15.

[21]　KumazawaS,MitsuiA.Efficienthydrogenphotoproductionby

Synechococcussp.MiamiBG043511,underhighcelldensity

[39]　BerkaloffC,CasadevallE,LargeauC,MetzgerP,PeraccaS,Virlet

J.Theresistantpolymerofthewallsofthehydrocarbon2richalga

Botryococcusbraunii[J].Phytochemistry,1983,22:389-397.

conditions[J].BiotechBioeng,1994,44:854-858.

[22]　郭烈锦,赵亮.基于可再生能源的分布式多目标供能系统

(二)[J].西安交通大学学报,2002,36:446-451.

[23]　GreenbaumE.Photosynthetichydrogenandoxygenproduction;

kineticstudies[J].Science,1982,196:879-880.[24]　MaioneTE,GibbsM.HydrogenasemediatedactivitiesinisolatedchloroplastsofChlamydomanasreinhardtii[J].PlantPhysiol,1986,80:360-368.[25]　KesslerE.Hydrogenase,photoreductionandanaerobicgrowthof

algae[M]∥StewartWI.InalgalphysiologyandBiochemistry.Netherlands,Amsterdam:BlackwellPress,1974.

[26]　MelisA,ZhangLP,ForestierM.Sustainedphotobiologicalhydrogen

gasproductionuponreversibleinactivationofoxygenevolutioninthegreenalgaeChlamydomanasreinhardtii[J].PlantPhysiol,2000,122:127-136.

[27]　MelisA,HappeT.Hydrogenproduction.Greenalgaeasasource

ofenergy[J].PlantPhysiol,2001,127:740-748.

[28]　NakajimaY,TsuzukiM,UedaR.Improvedproductivitybyreduction

ofthecontentoflight2harvestingpigmentinChlamydomonasperigranulata[J].JApplPhycol,2001,13:95-101.

[29]　丁福臣,易玉峰.制氢储氢技术[M].北京:化学工业出版社,

2006,141-177.

[30]　KosourovS,TsygankovA,SeibertM.Stustainedhydrogen

photoproductionbyChlamydomonasreinhardtii;Effectsofcultureparameters[J].BiotechBioeng,2002,78:731-740.

[31]　王继华,赵爱萍.生物制氢技术的研究进展与应用前景[J].

[40]　CasadevallE,DifD,LargeauC.Studiesonbatchandcontinuous

culturesofBotryococcusbraunii[J].BiotechBioeng,1985,27(3):286-295.[41]　LargeauC,CasadevallE,BerkaloffC,DhamliencourtP.Sitesof

accumulationandcompositionofHydrocarbonsinBotryococcus

braunii[J].Phytochemistry,1980,19:1043-1051.

[42]　TemplierJ,LargeauC,CasadevallE.Mechanismofnon2isoprenoid

hydrocarbonbiosynthesisinBotryococcusbraunii[J].Phytochemistry,1984,23:1017-1028.

[43]　MetzgerP,BerkaloffC,CasadevallE.Alkadieneandbotryococcene

producingracesofwildstrainsofBotryococcusbraunii[J].

Phytochemistry,1985,24:2305-2312.

[44]　MetzgerP,TemplierJ,LargeauC,CasadevallE.An2alkatriene

andsomen2alkadienesfromtheAraceofthegreenalgae

Botryococcusbraunii[J].Phytochemistry,1986,25:1869-

1872.

[45]　DerenneS,LargeauC,CasadevallE,BerkaloffC.Occurrenceofa

resistantbiopolymerintheLraceofBotryococcusbraunii[J].

Phytochemistry,1989,28:1137-1142.

[46]　DerenneS,LargeauC,CasadevallE,SellierN.Directrelationship

betweentheresistantbiopolymerandthetetraterpenichydrocarboninthelycopadieneraceofBotryococcusbraunii[J].Phytochemistry,1990,29:2187-2192.

[47]　TemplierJ,LargeauC,CasadevallE.Non2specificelongation

decarboxylationinbiosynthesisofcis2andtrans2alkadienesby

Botryococcusbraunii[J].Phytochemistry,1991,30:175-183.

环境科学研究,2005,18(4):129-135.

[32]　曾晓波,王海英.微藻生物制氢技术[J].可再生能源,2005,

5:60-63.

[33]　CournacL,MusF,BernardL.Limitingstepsofhydrogenproduction

inChlamydomonasreinhardtiiandSynechocystisPCC6803asanalysedbylight2inducedgasexchangetransients[J].IntJ

HydrogenEnergy,2002,27:1229-1237.

[48]　TemplierJ,LargeauC,CasadevallE,BerkaloffC.Chemicalinhibition

ofresistantbiopolymersinouterwallsoftheAandBracesof

Botryococcusbraunii[J].Phytochemistry,1992,31:4097-4104.

[49]　TemplierJ,LargeauC,CasadevallE.Variationsinexternaland

internallipidsassociatedwithinhibitionoftheresistantbiopolymerfromthearaceofBotryococcusbraunii[J].Phytochemistry,1993,33:1079-1086.

[34]　DasD,VezirogluTN.Hydrogenproductionbybiologicalprocess:

660武汉植物学研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷　

[69]　IllmanAM,ScraggAH,ShalesSW.IncreaseinChlorellastrains

calorificvalueswhengrowninlownitrogenmedium[J].Enzyme

MicrobTechnol,2000,27:631-635.

[50]　InoueH,KorenagaT,SagamiH,KoyamaT,SugiyamaH,Ogura

K.FormationoffarnesyloleateandthreeotherfarnesylfattyacidestersbycellfreeextractsfromBotryococcusbrauniiBrace[J].

Phytochemistry,1994,36:1203-1207.

[70]　NeenanB,FeinbergD,HillA,McIntoshR,TerryK.Fuelsfrom

microalgae:Technologystatus,potential,andresearchrequirements.Publ.No.SERI/SP223122550[R].Golden,CO:SolarEnergyResearchInstitute,1986:149.

[71]　PedroniP,DavisonJ,BeckertH,BergmanP,BenemannJ.Aproposal

toestablishaninternationalnetworkonbiofixationofCO2andgreenhousegasabatementwithmicroalgae[R].PresentedatGreenhousegasR&DProgrammeWorkshop,2002.

[72]　XiongW,LiXF,XiangJY,WuQY.Highdensityfermentation

ofmicroalgaChlorellaprotothecoidesinbioreactorformicrobio2dieselproduction[J].ApplMicrobBiotech,2008,78:29-36.

[73]　MiaoXL,WuQY.Highyieldbio2oilproductionfromfastpyrolysis

bymetaboliccontrollingofChlorellaprotothecoides[J].J

Biotech,2004,110:85-93.

[51]　TornabeneTG,HolzerG,PetersonSL.Lipidprofileofthe

halophilicalga,Dunaliellasalina[J].BiochemBiophysResCommun,1980,96:1349-1356.

[52]　吴庆余,殷实,盛国英,傅家谟.异养黄化藻类产烃研究新发

现[J].中国科学B辑,1993,23(4):423-429.

[53]　JenkinsDPlBrit.Powergenerationsystem:UKPatentAppl,

GB2254858[P].1992.

[54]　WirthD,Fischer2LuiI,BolandW,IchelnD,RungeT,K󰂪nigW

A,PhillipsJ,ClaytonM.Absoluteconfigurationandsynthesisofdextrocaudoxirenethegamete2releasingandgamete2attractingpheromoneofthebrownalgaPerithaliacaudataPhaeophyceae[J].HelvChimActa,1992,75:751-758.

[55]　唐赢中,黄利群,严国安.藻类产烃研究进展[J].生物工程进

展,1997,12(2):23-26.

[56]　BrownAC,KnightsPA,ConwayE.Hydrocarboncontentandits

relationshiptophysiologicalstateinthegreenalgaBotryococcus

braunii[J].Phytochemistry,1969,8:543-547.

[74]　缪晓玲,吴庆余.藻类异养转化制备生物油燃料技术[J].可

再生能源,2004,116:41-44.

[75]　JonathanG.Transgenicsareimperativeforbiofuelcrops[J].

PlantSci,2008,174(3):246-263.[57]　王军,杨素玲,丛威.营养条件对产烃葡萄藻生长的影响[J].[76]　JarvisEE.ITITSymposiumonMicroalgaeBiotechnology2Basics

andApplications[R].Osaka,1996:15-16.

[77]　胡征宇,徐敏,毕永红.中国藻类脂肪酸研究[M]∥刘永定,

过程工程学报,2003,3:141-145.[58]　殷大聪,耿亚红,梅洪,欧阳峥嵘,胡鸿钧,李夜光.几种主要环境因子对布朗葡萄藻(Botryococcusbraunii)光合作用的影响[J].武汉植物学研究,2008,26:64-69.

[59]　MendesRL,NobreBP,CardosoMT.Supercriticalcarbondioxide

extractionofcompoundswithpharmaceuticalimportancefrommicroalgae[J].InorgChimActa,2003,356:328-334.

[60]　BehrensPW,KyleDJ.Microalgaeasasourceoffattyacid[J].

FoodLipid,1996,3:259-272.

范晓,胡征宇主编.中国藻类学研究.武汉:武汉出版社,

2001:254-261.

[78]　易翠平,杨明毅.三种绿藻总脂肪和脂肪酸的测定[J].食品

与机械,2001,82:36.

[79]　缪晓玲.藻类可再生能源的利用及藻细胞抗环境胁迫的研究

[D].北京:清华大学,2004.

[80]　曹春晖,孙世春,麦康森,梁英.温度对四株海洋绿藻总脂含

[61]　蒲海燕,贺稚非,刘春芬,王英.微生物功能性油脂研究概况

[J].粮食与油脂,2003,11:12-14.

[62]　MrattryJB.Biotechnologyandthefatsandoilsindustry—An

overview[J].JAmOilchemAoc,1984,61:1701-1712.

[63]　蒋霞敏,郑亦周.14种微藻总脂含量和脂肪酸组成研究[J].

量和脂肪酸组成的影响[J].海湖盐与化工,2006,35:16-18.

[81]　曹春晖,孙世春,麦康森,梁英.氮浓度对四株海洋绿藻总脂

含量和脂肪酸组成的影响[J].海洋湖沼通报,2006,3:79-84.

[82]　BenemannJR.BiofixationofCO2andgreenhousegasabatement

withmicroalgaetechnologyroadmap[R].Finalreport,U.S.Dept.ofEnergy,UnderSubcontractAgreement7010000926,2003.

[83]　BenemannJR,PersoffP,OswaldWJ.Costanalysisofmicroalgae

biomasssystem[R].FinalreportpreparedfortheU.S.Dept.ofEnergy,HCP/tl2605201UnderContractEX2782X20121605,1978.

[84]　BenemannJR,GoebelRP,WeissmanJC.Microalgaeasa

sourceofliquidfuels[R].Finalreport,U.S.Dept.ofEnergy,1982.

水生生物学报,2003,2:243-247.

[64]　ChistiY.Biodieselfrommicroalgaebeatsbioethanol[J].Trends

Biotechnol,2008,26:126-131.

[65]　薛飞燕,张栩.微生物油脂的研究进展及展望[J].生物加工

过程,2005,3(1):23-27.

[66]　易绍金,郑义平.产油微生物的研究及其应用[J].中外能源,

2006,11(2):90-94.

[67]　黄建忠,施巧琴.深黄被孢霉高产脂变株的选育及其发酵的

研究[J].微生物学通报,1998,25(4):187-191.

[68]　徐华顺,罗玉萍,李思光,郑敏.微生物发酵产油脂的研究进

展[J].中国油脂,1999,24(2):34-36.