酶法和微藻固定二氧化碳的研究进展

CO2是导致温室效应的主要气体,固定和转化CO2的研究近年来取得了迅猛发展。目前,CO2转化的主要方法为化学法和生物法,化学法转化CO2存在转化效率低、能耗高、对设备耐温耐压性能要求高等缺点,生物法主要是指酶法及微藻固定CO2,其由于反应条件温和且绿色无污染的优点而备受关注。本文综述了国内外在多酶体系和微藻固定CO2方面的研究现状,重点对多酶体系的选择和优化、微藻筛选与基因工程育种、光反应器设计及高附加值产品的合成等方面的研究情况进行了论述,并指出构建新的多酶体系将CO2固定与有用物质生产相偶联是生物酶法的主要发展方向,此外,基因工程微藻的构建及新型光反应器的研发是提高微藻法固碳效率的主要方式。     

微藻固定转化烟气CO2强化技术

全球气候变暖和能源危机是21世纪影响人类生存发展的重要问题。微藻由于具有利用太阳能、固定CO2并转化为油脂等产物的能力以及环境适应性强、光合效率高、繁殖快等优势,微藻固碳技术有望成为缓解温室效应和能源危机的有效方法之一,但是该技术目前仍存在去除烟气CO2转化油脂效率低的问题。本文分析了微藻固碳过程中碳传递转化途径,介绍了强化微藻固定与转化烟气CO2的技术研究,包括微藻固碳与转化油脂的生物强化、微藻固定CO2的反应器强化、微藻固定与转化CO2技术的耦合,重点讨论了强化微藻固碳与转化的生物技术和膜技术研究现状及存在问题。最后指出微藻固碳的生物技术、膜技术及其他多技术的耦合有望进一步提升烟气CO2的高效固定与转化,是强化微藻固定转化烟气CO2的重要研究方向。     

光生物反应器对工业锅炉烟道尾气中二氧化碳的利用

比较了工业化光生物反应器培养微藻的3种主要CO2利用方式,阐述了工业锅炉烟道尾气所含多种重金属元素会在藻液中形成重金属离子,微藻在吸收CO2的同时也吸附重金属离子的机理.指出当重金属离子在藻液中积累到一定浓度时会造成光生物反应器的微藻生长系统崩溃,不能直接采用工业锅炉烟道尾气作为工业化封闭式光生物反应器培养微藻系统的碳源供给方式.     

耐酸性和耐高浓度CO_2的海洋微藻筛选

用于固定工业烟道气CO_2的微藻必须具有耐酸性和耐高浓度CO_2的能力.本研究拟从12种常见海洋微藻中筛选出耐酸和耐高浓度CO_2的种类.首先采用微板吸光法测定了微藻在不同pH值的F/2培养基中的藻细胞密度变化,比较了各种微藻对H_2SO_4和HNO_3所致酸性的适应能力;将耐酸性较强的微藻接种到培养基中,以75 mL/min的流量连续通入体积分数为5%的CO_2,并以通入空气的培养基中生长的微藻为对照,根据培养7d期间藻细胞密度和生物量的变化趋势,进一步筛选得到耐受高浓度CO_2的藻种.结果表明,12种供试微藻中,以杜氏盐藻(Dunaliella tertiolecta)、钝项螺旋藻(Spirulina platensis),海水小球藻(Chlorella pacifica)和小新月菱形藻(Nitzschia aosterium)的耐酸性较强,均可在pH=4的培养基中正常生长;而小新月菱形藻和海水小球藻同时能够耐受高浓度CO_2冲击,培养结束后,5%CO_2处理组的藻生物量分别达到对照组的107.62%和113.43%.因此,小新月菱形藻和海水小球藻在固定工业CO_2和减缓温室效应方面具有较好的应用潜力.     

二氧化碳联合核桃壳提取液促进单针藻Monoraphidium sp. QLZ-3的生长和油脂积累

以单针藻Monoraphidium sp. QLZ-3为对象，研究了CO₂对微藻在核桃壳提取液（walnut shell extracts，WSE）中生长及油脂积累的影响。结果显示，在12%的CO₂条件下，微藻在WSE中的生物量产率及油脂产率达到196.85mg/(L·d)和97.52mg/(L·d)，分别是对照组的1.33倍和1.57倍。WSE培养下，外源CO₂上调了微藻中核酮糖1,5-二磷酸羧化酶基因（ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，rbcL）的表达量，从而促进了CO₂的固定。此外，12% 的CO₂提高了微藻对WSE中多酚的利用，同时上调了乙酰辅酶A羧化酶（acetyl coenzyme A carboxylase，ACCase）和苹果酸酶（malic enzyme，ME）活性，下调了磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（phosphoenolpyruvate carboxylase，PEPC）活性。研究表明，CO₂可以提高WSE中微藻的生物量产率和油脂产率，降低培养成本，为核桃壳的资源化利用及微藻的工业化生产提供了新的理论基础。     

电化学方法固定二氧化碳的研究进展

CO2的电化学转化固定在缓解气候变暖、能源危机等方面具有极其重要的意义.综述了CO2直接电化学还原为化合物、CO2与有机化合物的电羧化反应等电化学固定CO2的方法,介绍了电化学方法固定CO2的相关产物及反应机理.     

二氧化碳矿物碳酸化固定的技术进展

CO2矿物碳酸化固定可实现CO2的永久封存,环境风险性小,但苛刻的反应条件、过低的反应速率是困扰该技术发展的瓶颈.对CO2矿物碳酸化固定的工艺路线、所用原料及其强化措施的研究现状做了详细评述;指出以工业固体废弃物为原料,结合运用超重力强化传递反应技术与碳酸酐酶高效催化性能,实现烟气CO2分离、碳酸化固定、固体废弃物资源化利用多过程集成耦合的原位CO2固定技术是适合我国现阶段国情的CO2重要控制措施.     

煤化工烟道气毒性成分对Chlorella pyrenoidosa生长和细胞成分的影响

探究煤化工烟道气中毒性成分对微藻的影响是利用微藻固定煤化工烟道气CO₂实现减排的关键。本文利用不同浓度的NaHS、Na₂SO₃和NH₃·H₂O培养Chlorella pyrenoidosa（C. pyrenoidosa），以探究煤化工烟道气主要毒性成分H₂S、SO₂和NH₃气体水溶物的毒性。实验结果表明：NaHS、Na₂SO₃和NH₃·H₂O浓度分别低于1mmol/(L·d)、40mmol/(L·d)和7mmol/(L·d)时对C. pyrenoidosa生长无抑制作用，而且Na₂SO₃[＜40mmol/(L·d)]会显著促进 C. pyrenoidosa的生长；NaHS 添加4mmol/(L·d)时会在生长初期抑制C. pyrenoidosa的生长，NH₃·H₂O添加35mmol/(L·d)则会直接造成藻细胞的破碎死亡。与对照组相比，NaHS和Na₂SO₃浓度分别低于1mmol/(L·d)、10mmol/(L·d)时对C. pyrenoidosa的细胞成分无影响；NaHS添加4mmol/(L·d)使藻蛋白含量提高7.13%；Na₂SO₃添加40mmol/(L·d)使藻蛋白降低13.45%，总糖含量提高42.90%；NH₃·H₂O的添加会使藻蛋白含量降低，总糖含量提高。微藻生物质整体蛋白质含量较高，可作为蛋白饲料来源。研究结果表明，C. pyrenoidosa对煤化工烟道气中的主要毒性气体有较好的耐受性，利用煤化工烟道气培养微藻具有可行性。     

小球藻吸收固定CO_2的研究

为研究小球藻吸收转化CO2的适宜条件,提高小球藻对CO2的利用率及生物转化量,在同一光照条件下,建立了光生物反应器培养小球藻的光衰减模型,研究通气速率、入口CO2的体积分数、初始pH、藻液接种质量分数等因素对小球藻固碳效果的影响。结果表明:光衰减系数与藻细胞浓度呈线性关系,小球藻光衰减模型为I=I0exp[-(0.104 9+0.336 5OD685)L],当通气速率为200 mL/min,入口CO2体积分数为10%,初始pH为9.0,初始藻液质量分数为0.1时,小球藻生长速率、生物量产率、固碳率及叶绿素含量均较高。结果对微藻固碳效率及机制研究有重要的参考价值。     

全球变暖与二氧化碳减排

CO2是人类活动中排放量最大的温室气体.对CO2产生的温室效应机理以及发展趋势进行了分析,指出CO2浓度的上升呈指数函数增加,对全球气候和生态环境产生重大的深远的负面影响,《京都协议书》的生效给我国带来挑战和机遇.粗放型的经济增长模式将导致我国CO2减排压力日益增加,必须发展新型高效的CO2分离回收技术、CO2封存技术、固定源和流动源的减排CO2工艺技术,提高能效和新型能源技术等.利用CO2作为一种碳资源合成附加价值较高的化工产品或材料是最困难也是最有意义的长期减排目标.对我国CO2减排提出了若干建议.