重新思考微藻培养中无机碳的供给方式，以提高生物量产量和碳捕获能力

《Biomass and Bioenergy》：Rethinking inorganic carbon feeding in microalgae cultivation for enhanced biomass productivity and carbon capture

　　• 碳供应产生的H. pluvialis生物量比大气空气多出100%以上。
• 使用碳酸氢钠（NaHCO3）为富含脂质的H. pluvialis绿藻提供养分。
• CO2喷射法的碳捕获效率较低，损失超过85%。
• 采用15分钟的批次喂养方式添加NaHCO3后，碳捕获效率提高到74.3%。
• 持续低剂量供应NaHCO3可以实现微藻的低排放培养。

**引言**
由于人类活动导致的全球温室气体（GHG）排放量正以惊人的速度增长，到2024年已达到约53.2 Gt二氧化碳当量（CO2eq）[1]。为了实现欧洲气候法的目标，即到2030年将温室气体排放量至少减少55%，并在2050年前实现净零排放，不仅需要迅速淘汰能源系统中的化石燃料，还需要部署改进且可扩展的碳捕获技术[2]。主要的非生物碳捕获技术包括化学法和物理法，其中吸收法、吸附法和膜分离法最为突出[3]。以下简要介绍了这些方法的一些优缺点。在吸收法中，CO2通过与液体溶剂形成化学键合的化合物被捕获，随后通过加热释放出CO2[4]。尽管这种方法具有高效的碳捕获能力，但需要大量的热能来再生溶剂，并可能导致溶剂降解和腐蚀问题[5]。在吸附法中，CO2被吸附在固体表面上，然后通过温度或压力变化过程释放[4]。该方法提供了较大的表面积和较高的捕获效率，但需要根据CO2浓度调整操作条件[5]。最后，膜分离法可以选择性地让CO2通过膜材料，而不使用有害化学物质。然而，这种技术在高温下维持材料稳定性成本较高，并且在处理低浓度CO2流时需要消耗大量能量[4],[5]。无论采用哪种分离技术，长期储存捕获的碳都会带来高昂的资本成本、有限的储存容量以及泄漏的环境风险[4],[5]。

为了克服这些储存限制，生物碳捕获与利用（CCU）作为一种关键策略应运而生，它可以在循环生物经济框架内同时减少排放并产生增值产品。在新兴解决方案中，基于微藻的系统因其潜在的CCU作用而受到广泛关注，先前的研究已经使用绿藻（如Chlorella和Scenedesmus）进行碳捕获[6],[7],[8]。通过光合作用，微藻能够有效地从大气、进料气体或烟气中捕获CO2，并将其转化为可用于生产高价值产品（如生物燃料、营养保健品等）的生物量[9]。因此，将微藻培养整合到CCU框架中为减少排放和支持循环生物经济提供了有前景的途径。然而，传统系统中培养的微藻的真实潜力和可行的CCU能力尚未得到充分量化。因此，关于微藻在大规模CO2减排方面有效性的说法往往缺乏可靠的碳平衡评估支持。因此，建立可靠的碳捕获效率基准对于评估微藻CCU技术的真实环境影响和工业可行性至关重要。

微藻具有碳浓缩机制（CCM），可以吸收和同化无机碳，无论是以二氧化碳（CO2）还是碳酸氢盐（HCO3?）的形式。这两种碳物质通过不同的途径被同化：CO2通过细胞膜被动扩散，而HCO3?则通过主动转运蛋白跨膜运输[10]。一旦进入细胞，位于不同细胞区室的碳酸酐酶（CA）负责根据无机碳的可用性和局部需求催化CO2和HCO3?之间的转化。由于向叶绿体引入无机碳主要依靠碳酸氢盐的主动运输，叶绿体外的CA会将CO2转化为HCO3?[11]。进入叶绿体后，CA在类囊体附近将HCO3?重新转化为CO2，从而为RuBisco提供浓度较高的CO2供应，RuBisco将CO2固定到Calvin循环中，生成3-磷酸甘油酸（3-PGA），这是碳水化合物、脂质、蛋白质和其他重要代谢物的合成前体[12]。

二氧化碳通常通过大气曝气或富含CO2的空气供给微藻培养。据报道，微藻的CO2固定率因培养条件而异，使用大气CO2时的固定率为0.016至1.0 g CO2 L?1 day?1，使用含2-15% CO2的富集气体时为0.123-0.265 g CO2 L?1 day?1，而在烟气中培养时为0.055-1.2 g CO2 L?1 day?1[9]。然而，由于气态CO2在水介质中的溶解度低和传质速率受限，实际CO2吸收效率通常在13%-20%之间[13]。为了解决这些问题，碳酸氢盐盐被作为一种替代的无机碳来源。与气态CO2喷射相比，NaHCO3具有更高的溶解度、更简单的运输和储存方式，以及更好的碳保留和在培养基中的可用性。当NaHCO3溶解在水介质中时，无机碳以三种不同的形式存在，其平衡关系如下：
CO2(g) ? CO2(aq) + H2O ? H2CO3 ? HCO3? + H+ ? CO32? + 2H+
在pH约为7的条件下，主要存在的碳形式是HCO3?（约82%），其余18%主要为CO2而非CO32?。因此，NaHCO3分解产生的CO2释放量远低于CO2喷射过程中的损失。因此，基于碳酸氢盐的系统可以实现比直接气体喷射更高的CO2捕获效率[12]。然而，NaHCO3补充的成功应用取决于所选微藻菌株对高浓度碳酸氢盐的耐受性，高浓度的碳酸氢盐可能对细胞生理产生负面影响并抑制生长[14]。因此，优化NaHCO3补充策略（包括添加方式（如批次喂养或连续添加）、频率和总添加量）对于最大化生物量生产力和保持高效的碳吸收至关重要。

在碳饱和条件下，微藻会从初级生长转向能量储存化合物的生物合成。当碳的可用量超过氨基酸合成和细胞分裂的需求时，多余的固定碳会被重新定向用于产生碳水化合物和脂质（如淀粉和三酰甘油（TAGs）[15]。这些碳储存化合物在营养缺乏或环境压力期间可以作为能量储备。对于H. pluvialis来说，在营养生长期（“绿色”阶段）积累脂质可以提高随后虾青素生物合成的效率，因为虾青素与积累的脂肪酸酯化并储存在脂质体中[16]。虾青素是一种亲脂性抗氧化色素，在细胞外压力因素的作用下产生，可作为抗氧化剂，因此在营养保健品和制药应用中具有很高的价值[17]。

**本研究**评估了在受控无机碳补充条件下，H. pluvialis培养物在绿色阶段的生物量生产力、组成和碳捕获效率。与以往主要关注生物量增强的研究不同，本研究直接评估了不同碳供应策略在生产力及碳捕获性能方面的有效性。考虑到大规模培养中大气曝气和气体传输效率的低效问题，本研究探讨了针对微藻碳需求的无机碳供应策略。通过比较气态CO2补充和基于NaHCO3的策略，在批次喂养和连续添加模式下，本研究确定了优化的碳供应方案，旨在最大化生物量产量和碳利用效率，同时将碳损失降到最低。最终，本研究提供了关于H. pluvialis培养系统实际CCU潜力的定量证据，并为开发可持续的近零CO2排放微藻生物工艺建立了实用基准。

**材料与方法**
微藻菌株Haematococcus pluvialis SAG 34-1b购自德国哥廷根大学（EPSAG）的实验藻类学与培养 kolektion。预培养物在1 L Erlenmeyer烧瓶中于22°C、带有光面板（约100 μmol m?2 s?1）的摇床（BJPX-2012R，BIOBASE，中国）中培养10天，光照周期为16/8小时光照/黑暗。培养条件为0.1 L min?1的曝气和130 rpm的搅拌速度。

**结果与讨论**
对比不同无机碳补充策略的结果表明，外部碳供应对提高H. pluvialis培养物的生物量生产力和代谢性能起着决定性作用。如图1(a)所示，无论是气态CO2还是NaHCO3的补充，其生物量浓度都是仅含0.04% CO2的大气空气条件下的两倍以上。其中，每15分钟添加一次NaHCO3的批次喂养策略效果最佳。

**作者贡献声明**
Christina Samara：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。
Georgia Papapanagiotou：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、概念化。
Christos Chatzidoukas：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、方法学、概念化。

**资助**
本研究得到了希腊研究与创新基金会（HFRI）第四次HFRI博士奖学金计划的支持（奖学金编号：9117——博士候选人：Christina Samara）。

**致谢**
Christina Samara | Georgia Papapanagiotou | Christos Chatzidoukas