微藻：很慚愧，只為固碳做了一點微小的工作！

二氧化碳過度排放是全球氣候變暖的罪魁禍首之一，怎么減少大氣中的二氧化碳？比如……能不能把二氧化碳“吃掉”？

還別說，有一種古老的生物就有這種好胃口，它們不僅可以捕食大氣中的二氧化碳，還能利用二氧化碳生產(chǎn) “生物柴油”，成為我們利用自然規(guī)律實現(xiàn)固碳減排，碳中和的得力助手。

一呼一吸間，離不開的小小微藻

微藻(microalgae)是細小藻類群體的總稱，屬于單細胞生物。微藻是浮游植物，通常存在于淡水和海洋系統(tǒng)中，在陸地系統(tǒng)也有分布，它們體積很小，從幾微米到幾百微米不等，通過肉眼難以捕獲到。

微藻單獨存在或者以群體形式存在于環(huán)境中。與高等植物不同，微藻沒有根、莖、葉組織構(gòu)造。它們特別適應(yīng)以粘力為主導的環(huán)境中，例如各種水域。當然在其他極端環(huán)境也會有發(fā)現(xiàn)，比如螺旋藻是最耐堿的生物，在pH 11以上的環(huán)境也能存活。

圖片來源：veer圖庫

微藻體內(nèi)含有葉綠體，意味著它可以進行光合作用。另外，部分微藻細胞體外有細胞壁，可以起到保護作用，還有部分微藻表面具有鞭毛，可以幫助其在水中游動。

微藻有原核微藻和真核微藻兩大類。目前我國學者一般將藻類分為11門：藍藻、紅藻、隱藻、甲藻、金藻、黃藻、硅藻、褐藻、裸藻、綠藻、輪藻。

如下圖所示，微藻的形狀奇奇怪怪，有球狀，三角狀，橢圓狀或星狀，以及其它不規(guī)則形狀。另外，微藻體內(nèi)還含有各種色素，比如雨生紅球藻體內(nèi)含有的蝦青素，使得其顏色為紅色。種類繁多的微藻構(gòu)成了一個奇特的小世界。

奇形怪狀的微藻

圖片來源：維基百科

微藻是自然生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，在物質(zhì)循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。比如微藻體內(nèi)具有光合色素（葉綠素等），能高效地利用光能、二氧化碳和水進行光合作用，產(chǎn)生氧氣并合成碳水化合物，與其它光合細菌一起為食物鏈上游端生物提供營養(yǎng)，并且微藻本身也可以利用CO2以光營養(yǎng)的方式生長。

微藻能夠進行光合作用對地球上的生命非常重要，可別小瞧了這個過程，地球的大氣氧氣中約有一半都是靠這些微藻進行光合作用產(chǎn)生的。

吃的是二氧化碳，擠的是生物柴油

讓我們“文藝復興”回到2013年的電影《泰囧》，影片中，徐崢給王寶強展示了一種叫做“油霸”的液體，“你去加油站加油，加到一半，滴幾滴油霸，油箱自動漲滿”。

《泰囧》中的“油霸”

圖片來源：電影截圖

當然，這種不符合能量守恒定律的物質(zhì)在現(xiàn)實生活中是不存在的，但神奇的微藻可以近似地視為一種“油霸”，在生物燃料領(lǐng)域有著大好前景——這與微藻體內(nèi)的構(gòu)成物有關(guān)，微藻中富含的酯類和甘油是制備液體燃料的良好原料！

上面提到，微藻能夠利用光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為自身生物量，通過這個過程，微藻能夠?qū)⑻荚毓潭ㄔ隗w內(nèi)，再通過誘導反應(yīng)轉(zhuǎn)化為油脂，最后利用物理和化學方法將油脂轉(zhuǎn)化到細胞外。關(guān)于這一點，往期文章《微擬球藻：吃的是二氧化碳，擠出來的是燃料》有詳細的科普（戳我回顧往期詳細科普~）。

微藻的干細胞中含有微藻油70%以上，人們可以對其進行提煉加工。微藻油作為亞臨界生物技術(shù)合成生物柴油的最佳原料，是理想的可再生能源。在石油價格大幅上升，糧食短缺問題日漸突出的今天，該產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。

除了脂類和甘油外，微藻體內(nèi)的超過15000種新型化合物也被提取確定，比如類胡蘿卜素，抗氧化劑，脂肪酸，酶，聚合物，肽，毒素和固醇等，這些物質(zhì)都等待著我們?nèi)ラ_發(fā)利用。如此優(yōu)秀的單細胞生物，還真是“可造之才”！

硅藻——海鏈藻 (Thalassiosira)

圖片來源：維基百科

雖是單細胞生物，應(yīng)用可不單一

除了能作為生物燃料外，微藻中富含多糖、類胡蘿卜素、維生素、氨基酸等生物活性物質(zhì)，可以被用作生物制藥、保健品、及化妝品等行業(yè)。

在生物制藥行業(yè)，天然β-胡羅卜素具有抑制腫瘤和升高白細胞等作用，尤其對萎縮性胃炎、口腔潰瘍、皮膚疾病和放化療患者有著明顯的輔助治療效果。褐藻多糖（源自海洋棕色海藻）對HIV（人體免疫缺陷病毒）有一定的抗病毒活性。而不飽和脂肪酸（DHA、RHA）在嬰兒食品和保健品中的使用深受人們的歡迎。

圖片來源：veer圖庫

在化妝品領(lǐng)域，微藻中的多糖具有良好的成膜性能，可減少皮膚表面的水分蒸發(fā)，可用作制備保濕產(chǎn)品。巖藻黃質(zhì)（源自海洋微藻）和蝦青素（源自雨生紅球藻）具有很強的抗氧化活性，能夠清除自由基、防止脂質(zhì)氧化，可以起到祛斑、防皺和防衰老的功能。擬甲色球藻能夠合成具有紫外吸收作用的偽枝藻素和類菌胞素氨基酸，是制備防曬化妝品的良好原料。

微藻還可以運用到食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，微藻體內(nèi)含有的豐富的粗蛋白,可以被制作成優(yōu)質(zhì)的食品添加劑和動物飼料。藍綠色藻類還可以被用來當作生物肥料，因為這種微藻不僅能固碳還能固氮！作為生物肥料，它們能將大氣中碳和氮固定在土壤中供作物吸收利用，經(jīng)濟又環(huán)保。

某雨生紅球藻培育基地

圖片來源：新華社

人工培育微藻，未來可期

當然，微藻不是那么容易被 “馴服”的，它有自己的生活習性。微藻主要生活在淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中，科學家們又是如何將它從自然環(huán)境中提取并擴大培養(yǎng)的呢？這就要考驗我們的實驗手段和實驗條件了。

目前的提取手段大多是先將微藻個體從環(huán)境樣品中分離出來，之后利用特定的培養(yǎng)基擴大，最后在開放池、發(fā)酵罐或者光反應(yīng)器中進行大規(guī)模的繁殖。微藻的營養(yǎng)方式可分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型，而且多數(shù)是屬于光能自養(yǎng)型。也就是說只要有了“光”，就能養(yǎng)藻！

實驗室培養(yǎng)過程中的微藻

圖片來源：http://k.sina.com.cn/article_1738690784_67a250e001900xegi.html?display=0&retcode=0

值得一提的是，微藻體內(nèi)的合成物質(zhì)也不是固定不變的，會根據(jù)品種類別和繁殖條件而異，比如通過改變環(huán)境因素（pH、溫度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)物質(zhì)等），可以在很大程度上積累特定品種的微藻。

比如固氮魚腥藻是典型的念珠狀微藻，屬于藍藻門。在人工養(yǎng)殖時，它更喜好微堿性環(huán)境，需要多種營養(yǎng)元素，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硼等。除此以外，光照強度應(yīng)控制在5000~8000lux，溫度在25~30℃之間。

因此要想生產(chǎn)我們想要的微藻，需要合理地利用培養(yǎng)條件，這也是目前科學家們所研究的難題。

圖片來源：綠色中國雜志

目前，中國已成為全球第一大微藻生產(chǎn)國，每年微藻年產(chǎn)量已超過萬噸。從我國微藻產(chǎn)業(yè)的品類上來看，有八成以上為螺旋藻；其次為小球藻，占比達到10%；而雨生紅球藻和鹽生杜氏藻分別占據(jù)8%和2%的比重?！吨袊鴿O業(yè)統(tǒng)計年鑒2020》顯示，2019年螺旋藻在我國的養(yǎng)殖面積已經(jīng)達到750萬平方米，年產(chǎn)量突破9000噸，占據(jù)著全球市場近六成的比重。其中內(nèi)蒙古的螺旋藻產(chǎn)量最大，占據(jù)著總產(chǎn)量的將近三分之一。

固碳減排，是實現(xiàn)全球碳中和的關(guān)鍵一環(huán)，而我國發(fā)展迅速的微藻產(chǎn)業(yè)將在其中發(fā)揮越來越重要的助力作用。

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作者單位：中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所