高浓度CO2 与光生物反应器光照表面积对海洋微藻生物量及生物活性物质生产的协同效应研究

为应对全球变暖及工业CO2 排放问题，研究人员探究了15% CO2 （模拟燃煤烟气）与光生物反应器（PBR）不同光照表面积/体积比（IS/V）对海洋微藻Chlorella sp.和D. salina生长及生化产物的协同影响。结果表明，高CO2 与高IS/V（0.44 cm?1 ）组合使生物量提升107–132%，叶黄素和脂质产量分别增加163–417%和12–36%，同时CO2 固定率达0.40–0.51 g L?1 d?1 。该研究为利用海水培养基实现工业烟气减排及高值产物联产提供了新策略。

　　

全球变暖已成为21世纪最严峻的环境挑战之一，其中燃煤电厂排放的CO₂
占全球总排放量的7%，其烟气中CO₂
浓度高达10–20%。传统碳捕集技术如化学吸收法成本高昂，而微藻因其光合效率高、生长速度快，被认为是更具潜力的生物固碳方案。然而，淡水资源的巨大消耗（每公斤微藻需2.4–6.8 m³
水）制约了其规模化应用。此外，光照条件与CO₂
浓度的协同优化仍是研究空白。为此，印度中央盐业与海洋化学研究所（CSIR-CSMCRI）团队在《Algal Research》发表研究，首次系统评估了燃煤烟气级CO₂
（15% v/v）与光生物反应器（PBR）光照表面积/体积比（IS/V）对两种海洋微藻的协同效应。

研究采用两种关键技术：一是构建不同IS/V比（0.22 vs. 0.44 cm^?1
）的PBR系统，二是利用海水补充培养基替代淡水。通过对比环境CO₂
（0.04%）与高CO₂
（15%）条件下Chlorella sp.和D. salina的生长曲线及生化成分，结合CO₂
固定率计算，揭示了最优培养条件。

研究结果

1. 微藻生长与生物量生产
   高CO₂
   与高IS/V组合使两株藻类生物量达2.01–2.07 g L^?1
   ，较对照组提升107–132%。其中D. salina在高IS/V下提前48小时进入对数生长期，显示光照表面积对生长速率的显著影响。

2. 生物活性物质合成
   叶黄素产量在高CO₂
   +高IS/V下增幅达163–417%，而脂质提升12–36%。相反，蛋白质（178–188 mg g^?1
   ）和碳水化合物（182–284 mg g^?1
   ）分别在环境CO₂
   +高IS/V和低IS/V条件下达到峰值，表明不同代谢通路对环境的响应差异。

3. CO₂
   固定性能
   两株藻类的CO₂
   固定率为0.40–0.51 g L^?1
   d^?1
   ，优于文献报道的大部分海洋微藻，证实海水培养基在工业烟气处理中的可行性。

结论与意义
该研究首次阐明燃煤烟气级CO₂
与PBR光照表面积的协同机制：高IS/V通过增强光能捕获效率，与高CO₂
共同驱动卡尔文循环（Calvin cycle）加速，促进生物量积累；而叶黄素（lutein）的显著提升可能与高光胁迫下的光保护机制相关。实践层面，海水培养基的使用将微藻培养的水资源消耗降低80%以上，为沿海电厂“碳减排-高值转化”一体化提供了技术模板。作者Venkatesan Ajithkumar等强调，未来需进一步优化IS/V比与光质参数的组合，以平衡不同代谢产物的生产效率。