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“微藻生物固碳”研究儀器推薦
發布時間： 2022-06-08 點擊次數： 6247次2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和是黨中央深思熟慮后做出的戰略決策，既是對國際社會的莊嚴承諾，也是國內經濟高質量發展的內在要求（求是網，2022）。二氧化碳的捕集、利用和封存（CCUS）是化石能源未來大規模減排的核心技術或者是關鍵技術，是中國實現碳中和的關鍵核心技術（中國網，2021）。
用于CO2減排的方法主要包括物理封存法、化學固定法和生物固定轉化法。但前兩者存在環境要求苛刻、成本高、不可持續性等缺點。生物固定CO2技術，尤其是微藻固定CO2技術，是主要和有效的固碳方式之一，也是一種經濟可行、環境友好和可持續性發展的CO2固定技術。
作為一種高效固定CO2的微小細胞工廠，微藻具備生長周期短、光合效率高等特點，其CO2固定效率為一般陸生植物的10~50倍；同時微藻生長速度快，環境適應性強，不占用可耕地。此外，微藻能利用發電廠煙道廢氣和其他工業尾氣為無機碳源，并利用市政廢水和工農業生產廢水為營養源進行低成本培養微藻，同時生產出具有高附加值的微藻產品及生物燃料。基于以上優點，微藻應用于各領域CO2的減排研究己廣泛展開，如空氣凈化、發電廠等工業煙道廢氣及汽車尾氣中的CO2凈化脫除等（周文廣和阮榕生，2014）。
北京易科泰生態技術有限公司長期致力于先進的光生物反應器和藻類光合生理無損檢測技術的引進、推廣和集成，特此將“微藻生物固碳"研究相關的儀器設備進行整理歸納，方便研究人員參考查閱。
儀器名稱
功能
常用參數/程序
在微藻固碳研究中的作用
AquaPen手持式藻類熒光測量儀
快速測量葉綠素熒光參數
Fv/Fm、NPQ、JIP test、Light Curve
快速評估固碳候選藻種在高濃度CO2下的光合活力和光能轉化效率
AP-kit藻類光合生理檢測盒
快速輕松獲得葉綠素熒光參數和光合呼吸速率參數
Fv/Fm、NPQ、JIP test、Light Curve、光合放氧速率
綜合評估固碳候選藻種在高濃度CO2下的光化學轉化效率及CO2同化率
MC1000 8通道藻類培養與在線監測系統
8通道的精確控光培養及在線生物量評估
培養周期及環境參數設定；OD680&OD720
提供精確可控的培養環境（光、溫度、氣體），在線評估微藻生物量濃度（比色法），篩選優質固碳藻種
FMT150藻類培養與在線監測系統
精確控光培養及多參數調控監測
培養周期及環境參數
設定；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環境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養），在線評估微藻生物量濃度，對微藻的光合生理狀態、培養液溶解CO2濃度進行在線監測
ET-PSI多功能藻類培養與在線監測系統
25L、100L及以上容積的規模化藻類培養，精確控光培養及多參數調控監測
培養周期及環境參數設定；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環境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養），在線評估微藻生物量濃度，對微藻的光合生理狀態、培養液溶解CO2濃度進行在線監測，培養優質固碳藻種及工業應用
FluorCam葉綠素熒光成像系統
高通量測定微藻葉綠素熒光參數
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效率、低熱耗散的高效固碳藻種
AOM藻類熒光在線監測系統
微藻葉綠素熒光在線監測
Ft、Fv/Fm、OJIP、Fix Area（與藻類濃度線性相關）
在線評估微藻生長狀況及濃度
1. AquaPen手持式藻類熒光測量儀
AquaPen是一款藻類研究者的小型設備。它既具備PAM葉綠素熒光測量功能，又具備快速熒光誘導曲線測量和分析（JIP-test）功能，所有常用葉綠素熒光參數一鍵即得。比色杯式的AquaPen具備OD680和OD720測量功能，可對微藻的葉綠素含量及濃度進行快速評估。探頭式的AquaPen則可進入到培養液中進行測量。
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技術能否 實現工業化應用的關鍵。AquaPen能夠用來快速評估固碳候選藻種在高濃度CO2下的光合活力和光能轉化效率。
在亞北極海域和動物共生的微藻因其寄主的呼吸作用和更長的黑暗季節，所以理論上對高濃度CO2具有天然的適應性。基于此假設，莫斯科國立大學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，將其培養在高濃度CO2（體積分數20%）的環境中，發現共生綠藻的生長速度比大氣培養條件（0.04%CO2）下增長了兩倍，并且能夠維持碳氮同化的平衡。高濃度CO2培養并不會影響共生綠藻光合機構的超微結構和功能，相反會使其飽和光強、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于高濃度CO2環境，并表現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）。
為評估共生綠藻的光合機構在不同CO2濃度中的狀態，使用AquaPen測定了不同光照培養條件下的PSII最大量子產額Fv/Fm。發現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%）培養下的共生綠藻的Fv/Fm大幅降低，相反高CO2濃度培養的共生綠藻在不同光照條件下均保持較高的最大量子產額，表現出優異的光強適應性和可塑性。
2. AP-kit藻類光合生理檢測盒
AP-kit藻類光合生理檢測盒是量身定制的藻類光合作用測量方案，幫助藻類科研工作者輕松、完整地獲取藻類光合生理數據。具有小巧便攜、易操作、高性價比的特點。檢測盒由呼吸瓶式氧氣測量儀、手持式藻類葉綠素熒光儀組成，具備測量光合（放氧）速率、葉綠素熒光參數的功能。檢測盒既能夠測定微藻的光化學轉化效率，評估光合機構的功能狀態，也能夠測定光合呼吸速率，評估微藻的CO2同化能力。
顆石藻是海洋中最重要的鈣化生物類群之一，也是主要的初級生產者，同時進行光合與鈣化兩種固碳作用（兩者分別是碳匯和碳源過程），因此在海洋碳循環中起到重要作用（許凱，2012）。顆石藻表面往往覆蓋一層又一層的顆石粒（Coccolith），形成殼狀結構的顆石球(Coccosphere)。英國海洋生物協會和美國北卡萊羅納大學威明頓分校聯合研究發現：不同種的顆石藻對鈣化作用的需求不同，破壞鈣化作用會導致某些種的顆石藻無法維持完整的顆石球，產生細胞周期阻滯現象和重大的生長缺陷(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藻類光合生理檢測盒測定其Fv/Fm最大光化學效率和凈光合速率，發現兩個參數均未發生顯著變化，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獨立。論文發表于2018年《New Phytologist》雜志。
3. MC1000 8通道藻類培養與在線監測系統
MC1000 8通道藻類培養與在線監測系統由8個100ml藻類培養試管、水浴控溫系統、LED光源控制系統及光密度和溶解氧（選配）在線監測系統等組成，可用于藻類培養與控制實驗、梯度對比實驗。MC1000能夠為微藻生物固碳研究提供精確可控的培養環境（光、溫度、氣體），并能夠基于比色法在線評估微藻生物量濃度。
今年美-巴能源高級研究中心(USPCAS-E)的研究人員報道了兩種新型微藻：它們能夠在高濃度CO2（體積分數4%）培養環境中提升生物量產量，保持高生長速率和高固碳率，因而具備CO2生物固定的潛力。研究人員對比了MC1000 8通道藻類培養監測系統和實驗室常規反應器對微藻的培養效率和功能表現。發現在相同CO2濃度下，使用MC1000培養的兩種新型微藻的生物量濃度、比生長速率和CO2固定率均顯著高于實驗室常規反應器(Khan et al., 2022)。
MC1000多通道藻類培養監測系統優秀的表現和更高的效率得益于其*的設計和多樣的功能，能夠提供精確的水浴控溫和均質光照，且內置OD測量功能。實測結果表明生物量濃度—OD680擬合相關系數高，因此無需取樣即可定期監測微藻生物量濃度變化，用以計算生長速率。
4. FMT150藻類培養與在線監測系統
FMT150藻類培養與在線監測系統是國際將藻類光生物反應器技術與藻類生理監測技術（葉綠素熒光技術、光密度測量）結合起來的系統，集成了目前幾乎所有主要的藻類在線培養與生理監測技術。它能夠為微藻固碳研究提供精確可控的培養環境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養），能夠在線評估微藻生物量濃度、光合生理狀態及監測培養液溶解CO2濃度。
印度科學和工業研究委員會中央采礦研究所（CSIR-CIMFR）的研究人員從采礦區的水塘中分離和鑒定出數種淡水藻類，并基于高生長速率和光合速率、對其他痕量組分氣體的高耐受性、高溫度耐受性、生產高價值產品的潛力等多個指標，對適用于工業廢氣（包括熱電廠和天然氣處理廠尾氣）CO2固定的藻種進行了篩選。本研究中400mL的FMT150和 25L的ET-PSI光生物反應器被用來進行淡水藻的培養、在線監測和CO2的固定。研究結果表明絲狀藍藻Oscillatoria是工業廢氣生物固碳的理想藻種，其CO2捕獲能力較高的時期出現在16-32h，即遲緩期后期和對數期，并在pH為7-9，溫度25-30℃的培養條件下能夠獲得較高的CO2捕獲效率和生物量產量(Anguselvi et al., 2019)。
5. ET-PSI多功能藻類培養與在線監測系統
ET-PSI多功能藻類培養與在線監測系統由大型平板式培養器（標配25L，可選配100L或定制其它容積大小）、控制系統及在線監測系統組成，集光養生物反應器技術、葉綠素熒光監測技術、水體／藻類光合呼吸監測技術、營養鹽在線監測技術等先進科學技術于一體。
在微藻固碳研究中，同FMT150的功能一致，ET-PSI能夠提供精確可控的培養環境（光、溫度、氣體，可選恒化及恒濁培養），在線評估微藻生物量濃度，光合生理狀態及監測培養液溶解CO2濃度。同時較大的容積利于優質固碳微藻(尤其是基因工程微藻)的藻種培養，以及大規模固定煙氣CO2用以生產微藻及高附加值微藻產品。
例如華盛頓大學Advanced Coal & Energy Research Facility安裝了5套100L ET-PSI多功能藻類培養與在線監測系統，以利用藍藻和真核藻類的光合作用捕獲和消耗廢氣中的CO2進行生物量生產。整套設備既能夠使用存儲的廢氣獨立工作，也能夠和燃燒裝置相連進行系統的研究及整合優化(CCCU, 2016)。
6. FluorCam葉綠素熒光成像系統
FluorCam葉綠素熒光成像系統在二十世紀末由捷克PSI廠家研制成功，是一臺商業化的葉綠素熒光成像系統。自面世后，FluorCam廣泛應用于植物葉片及果實等其它植物組織、整株植物或培養的多株植物、苔蘚地衣等低等植物，實現了綠色組織光合時空異質性的快速靈敏檢測。對于微藻，FluorCam則提供了高通量光合活性檢測的有效手段，既可用于高通量篩選光合突變體，用于光合基因表達調控的研究；也可用于高通量篩選高光化學效率、低熱耗散的高效固碳藻種。
Perin等人采用FluorCam葉綠素熒光成像系統初步篩選微擬球藻（Nannochloropsis gaditana）的高光效突變體。研究小組使用化學引變劑乙基甲烷磺酸鹽(EMS)誘導突變和插入突變兩種方式生成突變體庫，使用FluorCam高通量檢測其光合活性的可能變化，測量參數包括最小熒光F0、最大光化學效率Fv/Fm、有效光化學效率ΦPSII、光系統調節能力NPQ（Perin et al., 2015）。四個參數分別用來篩選細胞葉綠素含量降低（利于在人工培養環境中提高藻液光透過率）、PSII最大光化學效率升高或者保持不變、在更高的光強下使光合作用飽和（即φPSII升高）、NPQ降低無法結構性激活過量能量耗散（在光限制嚴重的人工培養環境中更有利）的突變株系。
左圖展示了微擬球藻熒光強度（最小熒光F0）的篩選結果：紅圈為野生型，白圈為篩選出的、熒光過低或過高的突變體；右圖展示了不同突變體上述4個篩選參數的差異。
參考文獻
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6.Anguselvi V, Masto R E, Mukherjee A, et al. CO 2 capture for industries by algae[M]//Algae. IntechOpen, 2019.
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10.Perin G, Bellan A, Segalla A, et al. Generation of random mutants to improve light-use efficiency of Nannochloropsis gaditana cultures for biofuel production[J]. Biotechnology for biofuels, 2015, 8(1): 1-13.
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