FMT150在藻類生物質(zhì)能源研究中的應(yīng)用

開發(fā)藻類生物質(zhì)能源是新能源戰(zhàn)略的重要議題，不僅可以生產(chǎn)新能源替代石油化石能源，還可以固定碳，因此對碳中和具有重要意義，目前世界上多國均已經(jīng)開展相關(guān)研究。

FMT150是將光生物反應(yīng)器技術(shù)與藻類生理監(jiān)測技術(shù)結(jié)合起來的系統(tǒng)，集成了目前幾乎所有主要的藻類在線培養(yǎng)與生理監(jiān)測技術(shù)，不僅可以精確控制溫度、光質(zhì)、光強、培養(yǎng)周期等，還可同時在線監(jiān)測溫度、PH值、溶解氧、光密度、葉綠素熒光等參數(shù)，本期摘選相關(guān)案例分享給各位讀者。

1 重組光合作用：一種在細胞內(nèi)產(chǎn)生H₂的光系統(tǒng)I-氫化酶嵌合體

Andrey Kanygin等人（2020）選取萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）作為實驗對象，利用基因手段，將藻類氫化酶表達到光系統(tǒng)I的PsaC蛋白上，形成光系統(tǒng)I-氫化酶嵌合體，阻斷并改變光合電子傳遞鏈走向，使之產(chǎn)生更多的氫氣。

根據(jù)研究需要，作者將萊茵衣藻分為3個類型，分別是野生型（WT），缺乏內(nèi)源性氫化酶的突變體（hydA），以及含有氫化酶表達的ΨH1，從下圖中可以看出，在6小時黑暗環(huán)境下，hydA型萊茵衣藻產(chǎn)生的氫氣幾乎可以忽略不計，ΨH1產(chǎn)生的氫氣約為WT的60%，這說明重組后的光系統(tǒng)I-氫化酶嵌合體*可以從供體Fd接受電子；在光照條件下最初的1小時WT產(chǎn)生氫氣的平均速率為28 ± 8 µmol H₂ h^-1 (mg Chl)^-1，之后很快降到可以忽略不計的水平，hydA沒有氫氣產(chǎn)生，ΨH1則在6小時內(nèi)以25 ± 6 µmol H₂ h^-1 (mg Chl)^-1的速率持續(xù)產(chǎn)生氫氣。

在該實驗中，研究人員使用FMT150培養(yǎng)和控制藻類生長，并利用膜入口質(zhì)譜儀（MIMS）檢測藻液中氫氣和氧氣在接受光照時的瞬間變化。

2 可持續(xù)生物烷烴氣體生產(chǎn)和可再生能源的低碳戰(zhàn)略

鑒于當前和今后嚴峻的能源危機和碳排放因素，Mohamed Amer和清華大學(xué)陳國強等人（2020）利用FMT150作為培養(yǎng)和反應(yīng)容器，對工業(yè)菌株大腸桿菌（E. coli）、嗜鹽單胞菌（Halomonas）、集胞藻（Synechocystis）所產(chǎn)生的丙烷和丁烷氣進行研究，并構(gòu)思出適用于發(fā)達和發(fā)展中國家可持續(xù)生物烷烴氣體生產(chǎn)和可再生能源的量產(chǎn)流程圖。

3 用于室外光生物反應(yīng)器的微藻油生產(chǎn)開發(fā)

Norsker等人（2021）對微擬球藻屬（Nannochloropsis sp.）在內(nèi)的10種藻類的微藻油產(chǎn)量進行中試規(guī)模研究和篩選，以總脂肪酸 (TFA) 濃度和體積TFA生產(chǎn)率作為重要的衡量指標，結(jié)果表明TFA 濃度范圍為5至40% DW，而TFA產(chǎn)率范圍為0至204 mg TFA L^-1 day^-1。

為了確定最小接種生物量密度，研究人員以FMT150作為反應(yīng)容器，通過逐步提高光照和稀釋直到量子產(chǎn)額QY和稀釋率接近0為止，從下表可以看出相較于210 μmol photons m^?2 s^?1，300 μmol photons m^?2 s^?1 35 °C條件下其稀釋率和量子產(chǎn)額均明顯降低，因此得出后者為最大允許培養(yǎng)條件的結(jié)論。

部分參考文獻

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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