综述：基于微藻的碳中和与气候变化缓解潜力策略：一项批判性综述

这篇综述系统阐述了微藻作为光合自养微生物在应对全球气候变化中的关键作用，重点探讨了其通过CO2生物固定（CCS/CCUS）实现碳中和的机制，以及作为单细胞生物工厂生产生物燃料、高价值化学品和药物的潜力。文章分析了微藻相较于陆地植物的优势（如10-50倍CO2固定效率），并指出规模化培养的技术经济挑战，为可持续发展提供了创新思路。

　　

全球变暖的严峻挑战与农业排放

近年来，冰川融化、极端天气和粮食危机等全球变暖影响日益严重，其核心驱动因素是温室气体（GHG）排放，尤其是二氧化碳（CO₂）。农业活动已成为GHG主要来源，畜牧业肠道发酵和稻田分别贡献了41%和7%-17%的甲烷（CH₄）排放，而氮肥使用导致的一氧化二氮（N₂O）温室效应可达CO₂的268倍。2019年全球GHG排放达462亿吨，中国占比27.45%成为最大排放国。

微藻的生态优势与固碳机制

作为地球最早的产氧生物，微藻在数十亿年间塑造了大气组成。其独特的二氧化碳浓缩机制（CCM）能将Rubisco酶位点的CO₂浓度提升千倍，光合效率远超C3/C4植物。实验显示，Chlorella vulgaris在柱式光生物反应器（PBR）中CO₂固定速率达17.85 mg L^-1 min^-1，而Spirulina platensis在优化条件下固碳效率高达99.9%。每克微藻生物量可固定1.83克CO₂，覆盖10万平方公里面积年固碳潜力达2.35吉吨。

高值化生物制造的明星物种

七种代表性微藻展现出多元应用潜力：

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  Chlorella pyrenoidosa：蛋白质含量超50%，新型载体反应器使其固碳速率提升249倍

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  Haematococcus pluvialis：天然虾青素含量达干重7%，序贯式PBR使CO₂固定率提升至49%

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  Nannochloropsis oceanica：含25%-45%脂质，15%CO₂条件下生物量产出提升8.4倍

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  Chlamydomonas reinhardtii：通过CRISPR编辑增强脂质代谢，成为生物柴油理想模型

合成生物学的创新突破

微藻合成生物学已实现多项里程碑：

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  Phaeodactylum tricornutum成功表达抗乙肝表面蛋白IgG抗体，占可溶蛋白8.7%

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  C. reinhardtii叶绿体合成口服疫苗CTB-VP1，为水产养殖提供免疫方案

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  COVID-19疫情期间，C. sorokiniana生产的SARS-CoV-2 RBD抗原展现临床潜力

规模化挑战与未来路径

尽管优势显著，微藻技术仍面临光生物反应器建设成本高（PBR造价是开放池的5-10倍）、基因改造生物（GMO）法规限制等瓶颈。未来需聚焦：

1. 1.

   开发低成本膜分离 harvesting 技术

2. 2.

   构建藻-菌共生体系提升 nutrient 回收率

3. 3.

   通过代谢工程强化碳流向高值产物（如 omega-3 PUFA）

4. 4.

   建立万吨级 raceway pond 与管式PBR联产系统

这项绿色技术正从实验室走向产业化，其"固碳-高值化"双轨模式有望成为应对气候危机的破局之策。随着培养成本降至$0.5/kg生物量以下，微藻或将成为碳中和时代的超级细胞工厂。