《South African Journal of Botany》：Life cycle assessment of algal tree-based biodiesel blends: An integrated approach for sustainable fuel production
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•一种新型的“藻类树”光生物反应器能够同时实现二氧化碳捕获与微藻生物量生产。•由剩余生物质制成的三金属生物炭催化剂，具有约91%的生物柴油产率，且可重复使用性良好。•生物柴油混合物（B20–B60）可降低一氧化碳和碳氢化合物的排放，同时提升燃烧性能。•生命周期评估（ReCiPe
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一种新型的“藻类树”光生物反应器能够同时实现二氧化碳捕获与微藻生物量生产。
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由剩余生物质制成的三金属生物炭催化剂，具有约91%的生物柴油产率，且可重复使用性良好。
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生物柴油混合物（B20–B60）可降低一氧化碳和碳氢化合物的排放，同时提升燃烧性能。
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生命周期评估（ReCiPe 2016标准）显示，这类燃料的环境影响更低，气候变化潜力也较小。
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B40混合比例能在燃料性能与可持续性之间实现最佳平衡。
引言
化石燃料资源十分有限，而日益严重的环境污染使得人们迫切需要替代性的可持续能源。造成这一问题的主要原因是汽车数量不断增加及其尾气排放（Bagauli等人，2025；Dell’Aversano等人，2024）。柴油是一种广泛应用于工业和交通运输领域的化石燃料，但它会产生大量污染物，对环境造成危害（Vorwerg等人，2025；Collazos等人，2024）。化石燃料燃烧会释放二氧化碳，进而导致全球变暖。因此，我们需要更清洁、可再生的燃料，既能减少污染，又能满足能源需求（Alami等人，2020）。生物柴油因具有可再生性且比柴油更清洁而备受关注。它主要从富含甘油三酯的来源中提取，如动物脂肪、植物油以及微藻。生物柴油是通过转酯化方法制备的（Malik等人，2024）。转酯化的最终产物是脂肪酸甲酯，其性质与柴油相似，稍作改动即可用于现有发动机（Mahapatra等人，2021）。生物柴油的优点包括毒性较低、可生物降解，且一氧化碳、碳氢化合物及颗粒物的排放量也更低。不过，生物柴油的大规模生产仍存在诸多问题，比如催化剂性能以及整个工艺的可持续性。虽然有众多原料可供选择，但微藻因其可持续性而被视为生物柴油生产的最具前景的原料之一（Sarwer等人，2022）。微藻生长速度较快，能积累大量脂质，而且不会与粮食作物争夺土地。微藻通过光合作用捕获大气中的二氧化碳的速度远快于陆地植物。因此，微藻有望成为碳捕获的有效途径，有助于减少人类对环境的负面影响（Ashour等人，2024；Mondal等人，2017）。与传统农作物相比，微藻可在光生物反应器、开放式池塘和封闭式池塘等受控环境中培养，这有助于提高生物量产量及其他生长条件。因此，基于微藻的系统能够与碳捕获技术相结合（Wang等人，2024）。本研究采用了专门设计的藻类树光生物反应器来培养微藻。这种藻类树结构不仅能提高生物量产量，还能助力直接捕获二氧化碳，是开发可持续燃料系统的理想组件（Razzak等人，2023；Villalba等人，2023）。收获的生物量会被进一步加工提取油脂，而脱油后的残余物则通过热解法转化为生物炭（Bhatia等人，2021）。生物炭是一种含碳量高的物质，由于其稳定性、较大的表面积以及多孔结构，已成为催化应用领域中极具价值的可持续载体（Crawley等人，2022；Faruque等人，2020）。生物炭还被用作合成三金属生物炭催化剂的载体（Balajii和Niju，2019）。利用生物质制成的生物炭可以实现原料的充分利用，减少废弃物，提升整体工艺的生产效率（Kumar等人，2023）。这种方法完全符合循环生物经济模式，能够确保资源得到再利用并转化为有价值的产品，而非被浪费。催化剂成分对生物柴油的生产效率有着重要影响（Zhao等人，2023）。虽然传统的均相催化剂活性较高，但它们在分离、腐蚀以及废水产生方面存在问题。而异相催化剂则具有易于回收、可重复使用以及环境影响较小的优点。不过，它们的催化性能往往会受到分散性差以及活性位点不足的制约（Kibar等人，2023；Shrestha等人，2021）。为克服这些缺陷，人们通过结合两种碱土金属和一种过渡金属，开发出了三金属生物炭催化剂（Cao等人，2022；Hu等人，2023；Taherian等人，2020）。这种催化剂中的每种金属都有特定的功能（Zhang等人，2023；Li等人，2019；Wang等人，2019）。碱土金属能为转酯化反应提供所需的强碱性位点（Ashok等人，2018；Farouk等人，2024），而过渡金属则能增强结构的稳定性，防止活性组分流失（Chen等人，2012；Lee等人，2020）。这些金属之间的协同作用能够进一步提升催化性能（Sayhood和Alismaeel，2025；Zhang等人，2023）。催化剂的性能是通过生物柴油产率、反应效率以及燃料质量来评估的。所生产的生物柴油会与传统柴油按不同比例混合，如B20、B40和B60，以此评估其作为交通燃料的适用性（Gülüm，2022；Mu等人，2023；Nguyen等人，2020）。人们还分析了这些混合燃料的燃料性能和排放特性，以便将其与纯柴油的性能进行对比（Palani等人，2020；Thirumalvalavan等人，2025）。通过梳理现有文献可以发现，大多数研究要么专注于催化剂开发，要么侧重于生物柴油生产或碳捕获，很少有研究将这三个过程与环境影响评估结合起来，形成统一的分析体系。这凸显出了明显的科研空白。为填补这一空白，本研究采用了生命周期评估方法。生命周期评估能够为从原材料生产到最终燃料使用的整个过程的各个阶段的环境影响提供系统化的评估框架（Khalaf等人，2024；Bradley等人，2023）。这种综合评估有助于判断该系统的净环境效益。在本研究中，藻类树驱动的二氧化碳捕获、以生物炭为载体的催化剂合成、生物柴油生产以及生命周期评估被整合到了同一个框架之中。此外，将脱油后的生物量用于生产生物炭，还能进一步提高生物量的利用率，减少工艺过程中的废弃物（Brentner等人，2011；Dasan等人，2019；Khoo等人，2011）。这一概念不同于传统的生物柴油生产方式，因为它同时实现了碳捕获、废弃物利用以及清洁燃料的生产（Zhang等人，2022；Khoo等人，2011）。本研究的主要目标是建立一种高效且可持续的方法，将碳捕获技术与催化燃料生产相结合，从而大幅减少排放，推动清洁能源系统的发展。鉴于以往研究存在的局限性及科研空白，本研究将藻类树驱动的二氧化碳捕获、生物柴油生产、三金属生物炭催化剂合成以及生命周期评估整合到了同一个可持续燃料生产框架之中。微藻在专门设计的藻类树光生物反应器中培养，期间通过传感器监测来评估二氧化碳的减少程度以及运行过程中空气质量的改善情况。收获的生物量被用于提取生物油，而脱油后的残余物则被转化为生物炭，进而作为三金属生物炭催化剂的载体。此外，人们还研究了这种生物炭的重金属吸附能力，这一特性有助于进一步提高生物量的利用率，进一步支撑循环生物经济的理念。本研究还采用了生命周期评估方法，来分析生物柴油混合物的环境影响，并根据燃料性能和排放特性确定最可持续的混合比例。
章节要点
材料
本研究中所使用的甲醇（≥99.8%）、正己烷（≥99%）、六水合硝酸钇（≥99.9%）、六水合硝酸镁（≥98%）、无水硝酸锶（≥99%）、柠檬酸（≥99.5%）以及乙二醇（≥99%）均为分析级产品，购自Sigma-Aldrich公司。实验过程中还使用了蒸馏水和市售柴油。微藻培养所需的氮磷钾营养物质则从当地市场购买，无需进一步纯化即可使用。
藻类树光生物反应器的性能
通过持续的传感器监测以及基于生物量的分析，对藻类树光生物反应器的生产力进行了评估。每日传感器监测结果显示，反应器附近的空气二氧化碳浓度从大约1000–1500 ppm下降到了380–450 ppm，降幅约为62–70%。与此同时，空气质量指数也从75降到了40。反应器的效果随距离的增加而逐渐减弱，其中反应器附近的效果最为显著。
结论
通过从摇篮到坟墓的完整生命周期评估，对从二氧化碳捕获到最终燃料使用的整个过程进行了分析，结果表明，从碳平衡、能源消耗以及排放水平来看，使用生物柴油混合物的环境性能有了明显提升。基于这些研究结果，可得出以下结论：
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藻类树光生物反应器能够有效将二氧化碳浓度降低62–70%，同时还能产出大量生物量，充分证明了它在碳捕获和空气净化方面的作用。
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该
CRediT作者贡献说明
Reetika Bagauli：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、方法设计、研究实施、数据整理、概念构思。Bhawana Bisht：写作——审稿与编辑、验证、监督、正式分析、数据整理、概念构思。Harish Chandra Joshi：可视化、验证、监督、方法设计、研究实施、正式分析。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
Reetika Bagauli|Bhawana Bisht|Harish Chandra Joshi
