综述：提升微藻固碳效率的策略：菌株开发、培养系统优化、参数控制与代谢工程综述

这篇综述系统探讨了微藻介导的碳捕集与利用（CCU）技术，通过菌株筛选（如Chlorella）、培养系统（开放式/封闭式PBRs）、环境参数调控（CO2浓度10–15%）及代谢工程（Calvin循环优化）等多维度策略，将固碳效率提升至0.07–1.5?g?L?1?d?1，同时指出规模化应用中光能转换效率低、成本高（LCA/TEA分析显示能耗占主导）等挑战，为绿色碳减排提供理论参考。

　　

Abstract

微藻介导的碳捕集与利用（CCU）技术通过耦合CO₂固定与生物质高值化，展现出比传统碳封存技术更显著的优势。理论计算显示，1300万英亩的微藻规模化养殖可实现年固碳约5000万吨，同时产生300万吨生物质。然而，当前应用面临两大瓶颈：光合固碳效率低（优化后仅0.07–1.5?g?L^?1?d^?1）及培养成本高昂。

Introduction

大气CO₂浓度已升至428.1?ppm，较工业革命前增长近50%。2023年全球排放达3779亿吨，中、美、印占比超52%。微藻CCU技术凭借光合效率高（达陆地植物10–50倍）、生长周期短、产物多元（蛋白质/脂类等）等特性，成为燃煤烟气（CO₂浓度10–15%）处理的潜在方案，但高浓度CO₂耐受性差与能耗问题制约其发展。

菌株筛选

针对燃煤烟气特性（含SO_x/NO_x等污染物），筛选高耐受菌株（如Nannochloropsis oceanica）是关键。突变育种与适应性实验室进化（ALE）技术可将固碳速率提升至0.5?g?L^?1?d^?1。

培养系统优化

开放式跑道池成本低但易污染，封闭式光生物反应器（PBRs）中，平板式PBR光径短、气泡柱PBR传质效率高，二者结合可降低能耗30%。

参数调控

CO₂曝气速率、光照强度（200–400?μmol?m^?2?s^?1）及氮磷比显著影响固碳效率。添加NaHCO₃可缓解CO₂传质限制，使生物量增产20%。

代谢工程

通过改造Calvin循环关键酶（如Rubisco）、引入碳浓缩机制（CCMs）及增强ATP合成（光系统II优化），固碳通量可提升1.8倍。CRISPR-Cas9技术已用于构建脂类合成增强的工程藻株。

LCA与TEA

生命周期评估显示，微藻培养阶段贡献80%碳排放，采用可再生能源供电可减排60%。技术经济分析表明，当前成本约$200/吨生物质，需通过自动化与过程集成降本。

挑战与展望

未来需突破光能转化理论极限（现仅5–7%）、开发低成本培养基（如废水利用），并建立多组学驱动的智能调控系统，推动产业化进程。