海岸荒漠微藻生物质生产用于二氧化碳移除的潜力

《Environmental Science & Technology》：Potential of Microalgal Biomass Production in Coastal Deserts for Carbon Dioxide Removal

　　

微藻具有高光合产量且可在无淡水条件下生长，这使其成为有趣的二氧化碳移除（CDR）机制。研究人员表征了两种在海岸荒漠海水中培养微藻的CDR系统——微藻生物能源与碳捕集封存（mBECCS）和微藻生物质掩埋（mBB），并通过与直接空气碳捕集与封存（DACCS）对比，评估了这两种系统在使用源自大气或海洋的碳满足CDR目标时的潜力。通过推导并验证化学增强型二氧化碳传质理论模型，研究人员明确了气液传质进入跑道池是限制微藻产量及决定技术经济可行性的关键。分析表明，尽管微藻CDR在单位面积移除生产率上无法与DACCS竞争，但在海洋碳供给下净移除成本仅略高于DACCS，且具备持平前景。虽此类结果尚不足以支持将微藻生物质用于CDR，但所提出的碳供给装置及配套理论模型可为无需外加碳的微藻培养研究提供参考。

研究背景方面，实现巴黎气候目标需每年数十亿吨级CDR，主流策略如陆地生物质能结合碳捕集与封存（tBECCS）面临耕地与淡水竞争，直接空气碳捕集与封存（DACCS）成本高昂。微藻光合效率高于陆生植物且可用海水在非耕地海岸荒漠培养，但定量CDR评估稀缺，碳供给瓶颈尤其是气液CO₂传质限制未被厘清。为此，研究人员在《Environmental Science & Technology》发表工作，系统比较mBECCS、mBB与DACCS在海岸荒漠场景下的面积生产率与净成本。

关键技术方法上，研究人员构建两类碳供给路径：大气路径依赖化学增强型气液CO₂传质进入跑道池（raceway pond），海洋路径通过快速补入溶解无机碳（DIC）富集团海水解除限制；以1 ha受光面为基准，建立净移除R = G ? GHG_m,op ? (GHG_m,cons + GHG_α)/τ 的物质—能量—经济耦合模型，覆盖mBECCS-DACCS、PV-mBB(atm/mar)、PV-DACCS等构型，分现实与乐观两情景做技术经济评价，并以鼓泡柱pH-DIC标定实验验证传质模型。

研究结果部分，Methods小节给出系统边界：mBECCS联产生物电供能并氧燃捕集封存，mBB太阳能干燥后加盐和聚乙烯土工膜（geomembrane）浅埋；Assessed CDR System Variations小节确认海洋选项通过沉降池上清液回海实现DIC循环。Mass-Transfer Prediction and Observation小节由碱度5.0 mM缺DIC海水鼓泡实验得出真实情景大气传质J_r为3.25 g/m²/天，乐观4.9 g/m²/天，证实DIC耗竭致高pH可化学增强吸收但绝对值仍低。Quantifying CDR小节推得大气选项微藻生长率y₀被J_r锁死（真实1.77 g AFDW/m²/天），海洋选项可达18–25 g AFDW/m²/天。Areal CDR Productivity Estimation小节算得PV-DACCS面积生产率最高，mBECCS-DACCS次之，PV-mBB(mar)接近DACCS量级，PV-mBB(atm)最低。CDR Cost Estimation and Uncertainty Analysis小节给出平准化碳成本（LCOC）：PV-DACCS现实约XXX/吨，PV?mBB(mar)现实略高、乐观逼近DACCS，PV?mBB(atm)与mBECCS?DACCS现实均高于100/吨阈值。

讨论与结论翻译：研究人员指出，微藻CDR单位面积移除率不及DACCS，但海洋碳供给下mBB净成本与DACCS相近且有平价可能；大气路径受气液传质硬约束难放大。所建传质模型与海洋DIC循环架构虽不支持当前微藻生物质直接CDR部署，但为非加碳微藻培养及海岸荒漠资源利用提供物理边界与成本基准。