二氧化碳（CO?）曝气和高光照强度对二氧化碳吸收-微藻转化系统性能的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effect of CO 2 aeration and high light intensity on the performance of CO 2 absorption-microalgae conversion system

微藻固碳技术协同CO?增氧与高光处理可提升Dunaliella salina生物量达1.3倍，β-胡萝卜素浓度提高1.9倍，通过调控光合作用、卡尔文循环及TCA循环相关基因实现碳高效利用与高附加值产物同步生产。

　　

王丹通|魏一珍|侯瑶琪|宋春峰

天津大学环境科学与工程学院室内空气质量控制重点实验室，中国天津市南开区卫津路92号，300072

摘要

为了缓解全球变暖，迫切需要实施碳排放减少措施。二氧化碳化学吸收与微藻转化系统（CAMC）可以实现低能耗的二氧化碳捕获和有效资源利用，是一种实现碳中和的可持续技术。然而，CAMC系统的碳固定能力和资源利用效率仍有提升空间。因此，本研究在CAMC系统中应用了二氧化碳通气（2.5%二氧化碳）和高光照强度的协同处理方法，并对其效果进行了全面评估。结果表明，这种协同处理通过上调与光合作用和碳代谢相关的基因表达，有效促进了微藻的生长。在第三天，高光照组（3-二氧化碳+高光照组）获得了最佳的生物量浓度，达到623.0毫克/升，比对照组高出1.3倍。此外，这种协同处理还上调了与柠檬酸循环（TCA）、糖酵解和β-胡萝卜素生物合成途径相关的基因表达，有效促进了CAMC系统中增值化合物的积累，β-胡萝卜素的浓度是对照组的1.9倍。本研究为提高CAMC系统的碳固定能力和资源利用效率提供了一种新方法。

引言

气候变化不仅会影响生态系统的生产力，还会引发一系列社会问题[8]。因此，应对气候变化迫在眉睫[35]。主要由人类活动引起的过量二氧化碳排放被认为是全球变暖的主要原因[22][38]。各国在COP29上重申了减少碳排放的承诺[33]。因此，开发二氧化碳减排技术至关重要。碳捕获、利用与封存（CCUS）在实现二氧化碳减排和缓解气候变化方面发挥着重要作用[25]。作为生物能源的有希望的替代品，微藻在多个领域具有潜在应用前景[34][37]。因此，微藻碳固定技术具有同时实现二氧化碳固定和获得经济效益的优势。然而，由于二氧化碳在介质中的溶解度低，导致碳流失，这对微藻的二氧化碳固定构成了挑战[12]。为了解决这个问题，我们在之前的研究中提出了二氧化碳化学吸收与微藻转化（CAMC）系统这一概念，该系统不仅避免了化学吸收方法中的高能耗过程，还解决了二氧化碳在水溶液中溶解度低导致的碳流失问题[39][51]。尽管CAMC系统相比传统碳捕获技术具有优势，但仍需进一步改进，例如提高该高碳酸氢盐培养系统中微藻的碳固定能力和碳转化效率。此外，以往的研究主要集中在提高CAMC系统中微藻的碳固定率和生物量浓度[20]，但同时提高CAMC系统的碳固定能力和经济效益的研究尚未见报道。这表明有必要研究CAMC系统中可以积累的高价值产品。此外，目前CAMC系统中使用的藻类种类有限，主要包括螺旋藻（Spirulina）和小球藻（Chlorella）[10][21]。因此，为了进一步提高碳资源转化效率并扩展CAMC系统的应用范围，有必要引入新的藻类菌株。

Dunaliella是一种单细胞耐盐绿藻[7]，对pH值和HCO₃^-具有很高的耐受性，表明其在CAMC系统中具有很大的生长潜力[53]。其二氧化碳浓缩机制使Dunaliella能够利用碳酸氢盐，从而在CAMC系统中实现碳固定[9]。此外，固定的碳可以在Dunaliella细胞内进一步用于β-胡萝卜素的合成[13]。β-胡萝卜素是一种广泛存在于光合生物中的脂溶性化合物，由于其抗氧化特性以及在食品、健康等领域的重要作用而受到越来越多的关注[52]。Dunaliella被认为是β-胡萝卜素的优良天然来源，其中Dunaliella salina预计能满足95%以上的β-胡萝卜素需求[32]。因此，有必要评估Dunaliella在CAMC系统中的表现，并探索提高碳固定能力和增值化合物生产的策略，即在提高微藻碳固定能力的基础上优化微藻细胞内的碳分布，从而促进资源利用效率。

光照调节是促进微藻细胞生长和诱导色素积累的有效方法，因为光照在光合作用中起着重要作用[42]。作为光保护色素之一，微藻细胞中的β-胡萝卜素在高光照条件下会发生变化[44]。此外，高光照强度会诱导微藻体内活性氧（ROS）的增加，从而通过调节参与光合作用和β-胡萝卜素生物合成的基因来促进β-胡萝卜素的积累[45]。以往的研究发现，从低光照强度转移到高光照强度后，D. salina中的β-胡萝卜素积累会增加，相关基因的表达也会发生变化[13]。在高光照强度的作用下，D. bardawil中的β-胡萝卜素含量也有所提高[48]。此外，由于Dunaliella缺乏细胞壁的特性，它可能对光照强度等环境变化较为敏感。先前的研究还表明，碳酸氢盐培养系统比二氧化碳培养系统更有利于D. salina中β-胡萝卜素的积累[47]。因此，在高浓度碳酸氢盐的CAMC系统中对Dunaliella>进行高光照处理可能是促进β-胡萝卜素生产、从而提高资源利用效率的有效方法。然而，高光照强度可能对微藻的生长产生不利影响，尤其是在生物量浓度较低的情况下可能导致光抑制。此外，在碳酸氢盐条件下，由于pH值的升高，微藻的生长可能会受到抑制[12]，这可能会在CAMC系统中导致更明显的光抑制现象。因此，探索结合高光照和其他处理的协同培养策略对于提高微藻在CAMC系统中的碳资源转化效率至关重要。

此外，以往的研究已将二氧化碳通气处理引入CAMC系统中的微藻培养[51]。这表明二氧化碳通气处理有利于微藻生长，通气和高光照强度的协同培养策略可能是实现微藻生长和增值化合物生产同时增加的有效方法。此外，微藻的生物量浓度和细胞特性会影响其对高光照强度的响应[27]。因此，有必要研究通气时间对微藻细胞特性的影响，并探索在高光照和通气的协同培养策略中适当应用高光照的时间，以尽可能提高微藻在CAMC系统中的碳资源转化效率。

在本研究中，采用二氧化碳通气和高光照强度的协同处理方法在CAMC系统中培养Dunaliella。通过生长指标、酶活性和转录组学等方法研究了这种协同处理对CAMC系统性能的影响，并揭示了其作用机制。本研究为同时优化CAMC系统中的碳固定能力和增值化合物生产提供了新的可能性。

部分摘要

微藻菌株和培养条件

本研究中使用的Dunaliella菌株（FACHB-435/UTEX LB 200）来自中国武汉国家水生生物资源中心（FACHB）的淡水藻类培养库。Dunaliella在改良并灭菌的Dunaliella培养基中进行了预培养（见补充材料）。预培养期间的光照强度设置为54 μmol/m²·s，光照/黑暗周期为16/8小时。初始接种浓度控制在OD₆₈₀=0.2。

二氧化碳通气与高光照的协同处理促进了CAMC系统中微藻的生长

先前的研究表明，将二氧化碳浓度从环境水平提高到6%可以促进Dunaliella salina的生长[1]。如图1a所示，在整个培养过程中，3-二氧化碳组和5-二氧化碳组的生物量浓度均高于对照组，表明通气处理有效促进了CAMC系统中微藻的生长。此外，在培养结束时，5-二氧化碳组的微藻生物量浓度显著高于3-二氧化碳组。

结论

本研究提出了一种同时利用二氧化碳通气和高光照来进一步提高CAMC系统性能的方法，并阐述了可能的机制。这种协同处理通过上调与光反应、Calvin循环、TCA循环和糖酵解相关的基因表达，增强了Dunaliella的光合作用和碳代谢过程。CAMC系统中Dunaliella的生长和碳固定能力均得到了显著提高。

CRediT作者贡献声明

王丹通：撰写——初稿，数据整理。宋春峰：指导，软件开发，方法学设计。魏一珍：撰写——审稿与编辑。侯瑶琪：撰写——审稿与编辑，软件应用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了天津市重点研发计划（项目编号：24YFXTHZ00260）的财政支持。