FMT150在藻类生物质能源研究中的应用

FMT150在藻类生物质能源研究中的应用

开发藻类生物质能源是新能源战略的重要议题，不仅可以生产新能源替代石油化石能源，还可以固定碳，因此对碳中和具有重要意义，目前世界上多国均已经开展相关研究。

FMT150是首个将光生物反应器技术与藻类生理监测技术结合起来的系统，集成了目前几乎所有主要的藻类在线培养与生理监测技术，不仅可以精确控制温度、光质、光强、培养周期等，还可同时在线监测温度、PH值、溶解氧、光密度、叶绿素荧光等参数，本期摘选相关案例分享给各位读者。

1 重组光合作用：一种在细胞内产生H2的光系统I-氢化酶嵌合体

Andrey Kanygin等人（2020）选取莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）作为实验对象，利用基因手段，将藻类氢化酶表达到光系统I的PsaC蛋白上，形成光系统I-氢化酶嵌合体，阻断并改变光合电子传递链走向，使之产生更多的氢气。

光合电子传递链示意图，A为野生型（WT），B为重组后

密封瓶顶部空间H2累积图，蓝色代表WT，黑色代表hydA，红色代表ΨH1，A为黑暗环境，B为光照条件下，注意两者纵坐标刻度有很大不同

在该实验中，研究人员使用FMT150培养和控制藻类生长，并利用膜入口质谱仪（MIMS）检测藻液中氢气和氧气在接受光照时的瞬间变化。

MIMS检测结果图

2 可持续生物烷烃气体生产和可再生能源的低碳战略

鉴于当前和今后严峻的能源危机和碳排放因素，Mohamed Amer和清华大学陈国强等人（2020）利用FMT150作为培养和反应容器，对工业菌株大肠杆菌（E. coli）、嗜盐单胞菌（Halomonas）、集胞藻（Synechocystis）所产生的丙烷和丁烷气进行研究，并构思出适用于发达和发展中国家可持续生物烷烃气体生产和可再生能源的量产流程图。

工业菌株嗜盐单胞菌产生丙烷图，a为OD680数据，代表菌株密度变化，b为丙烷产量随时间变化

生物烷烃生产未来原型示意图，a为概念设计， b为工艺流程

3 用于室外光生物反应器的微藻油生产开发

Norsker等人（2021）对微拟球藻属（Nannochloropsis sp.）在内的10种藻类的微藻油产量进行中试规模研究和筛选，以总脂肪酸 (TFA) 浓度和体积TFA生产率作为重要的衡量指标，结果表明TFA 浓度范围为5至40% DW，而TFA产率范围为0至204 mg TFA L-1 day-1。

为了确定最小接种生物量密度，研究人员以FMT150作为反应容器，通过逐步提高光照和稀释直到量子产额QY和稀释率接近0为止，从下表可以看出相较于210 μmol photons m?2 s?1，300 μmol photons m?2 s?1 35 °C条件下其稀释率和量子产额均明显降低，因此得出后者为最大允许培养条件的结论。

Neochloris oleoabundans在不同光照和温度条件下的量子产额QY和稀释率表

部分参考文献

1) Kanygin A, et al. 2020. Rewiring photosynthesis: a photosystem I-hydrogenase chimera that makes H2 in vivo. Energy & Environmental Science 13: 2903-2914.

2) Amer M, et al. 2020. Low Carbon Strategies for Sustainable Bio-alkane Gas Production and Renewable Energy. Energy & Environmental Science 13(6): 1818-1831.

3) Norsker NH, et al. 2021. Developing microalgal oil production for an outdoor photobioreactor. Journal of Applied Phycology. doi: 10.1007/S10811-021-02374-7.

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