中科院青島能源所微藻制油研究取得新進(jìn)展

圖片來源：科學(xué)網(wǎng)

“從選種、育種，到提高微藻產(chǎn)油量，我們的研究還處于初期階段。未來，我們還將開展微藻病蟲害的研究?！?

■本報(bào)記者 沈春蕾

今年1月28日，本報(bào)第5版刊登了記者采寫的一篇題為《小小綠藻產(chǎn)出生物柴油》的報(bào)道。在近一年的時(shí)間里，記者一直關(guān)注著中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱青島能源所）單細(xì)胞研究中心在微藻制油研究領(lǐng)域的最新動(dòng)向。

從最初對(duì)微藻產(chǎn)油遺傳進(jìn)化機(jī)制的研究到如今探究碳源的分配機(jī)制，單細(xì)胞研究中心主任徐健告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者：“規(guī)模化實(shí)現(xiàn)微藻制油還需要走很長一段路?！苯衲?，他帶領(lǐng)科研人員在該領(lǐng)域的研究道路上又向前邁進(jìn)了一步。

攻關(guān)刻不容緩

當(dāng)前，全球面臨著氣候變暖、能源危機(jī)等環(huán)境和生存問題，世界各國正在積極尋找新的可替代能源。

作為一種可再生資源，微藻于上世紀(jì)進(jìn)入科學(xué)家的視野。通過研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新技術(shù)：微藻通過吸收二氧化碳進(jìn)行光合作用，最終可以形成生物柴油、類胡蘿卜素等衍生品，將二氧化碳變廢為寶。于是，微藻制油技術(shù)誕生了。

微藻是單細(xì)胞植物，個(gè)體較小，一般只有十幾微米。雖然是自然界最低等的自養(yǎng)釋氧植物，但微藻種類繁多，分布極其廣泛，無論在是在海洋、湖泊等水域里，還是在潮濕的土壤、樹干等角落里，只要在有光照和潮濕的地方，微藻就能生存。

就像一個(gè)由光能驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞工廠，微藻不僅可以消耗高濃度的二氧化碳和二氧化氮，還能源源不斷地將其轉(zhuǎn)化為潛在的生物燃料、食物、飼料以及高價(jià)值的生物活性物質(zhì)。

微藻的產(chǎn)油效率相當(dāng)高，在一年的生長期內(nèi)，一公頃玉米能產(chǎn)172升生物質(zhì)燃油，一公頃大豆能產(chǎn)446升，一公頃油菜籽能產(chǎn)1190升，一公頃棕櫚樹能產(chǎn)5950升，而一公頃的微藻能產(chǎn)生物質(zhì)燃油95000升。

藻類對(duì)緩解人類面臨的糧食、能源、環(huán)境三大危機(jī)，有著巨大的潛力。微藻制油可以減少對(duì)石油的依賴，進(jìn)而保證一個(gè)國家的能源安全。

今年6年，德國尤利希研究中心與亞琛工業(yè)大學(xué)化學(xué)石油工程、化學(xué)過程工程、機(jī)械過程工程和過程系統(tǒng)工程領(lǐng)域的4個(gè)部門合作，成立了新的研究中心，研發(fā)生產(chǎn)微藻航空生物燃料，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能的測試。該中心工作的目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)利用微藻生產(chǎn)生物煤油的試驗(yàn)工廠。

揭示產(chǎn)油規(guī)律

在年初的報(bào)道中提及，徐健帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以微擬球藻為研究模式，揭示了微藻高產(chǎn)油性狀的遺傳基礎(chǔ)和進(jìn)化規(guī)律。但是，分子水平上微藻高效合成甘油三酯（即藻油）這一過程究竟是如何發(fā)生的呢？該核心問題一直缺乏系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。

今年上半年，單細(xì)胞研究中心的科研人員聯(lián)合美國亞利桑那州立大學(xué)，運(yùn)用高精度的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和脂類組學(xué)分析手段，在3~48小時(shí)的6個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)下，考察了微擬球藻缺氮誘導(dǎo)產(chǎn)油過程中轉(zhuǎn)錄組和脂類代謝組的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，在國際上率先構(gòu)建了野生油藻產(chǎn)油過程動(dòng)態(tài)模型。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在氮源缺乏時(shí)，藻細(xì)胞中甘油三酯含量大幅度提高，膜脂含量下降。在轉(zhuǎn)錄水平上，相關(guān)基因以及特定轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，推動(dòng)碳流由碳水化合物、蛋白及膜脂代謝途徑流向甘油酯合成。

在甘油三酯組裝途徑中，位于葉綠體、線粒體和胞質(zhì)等不同細(xì)胞器的7個(gè)DGAT（甘油酰基轉(zhuǎn)移酶）基因，在缺氮時(shí)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，和上游其他上調(diào)基因一起，促進(jìn)大量甘油三酯的合成。

這項(xiàng)研究闡明了微藻亞細(xì)胞水平時(shí)間和空間上油脂合成代謝的雙重調(diào)控機(jī)制，為高產(chǎn)油藻的基因工程育種提供了重要的理論基礎(chǔ)和嶄新的研究思路。

“我們前期的研究以微藻合成油脂的細(xì)胞機(jī)制為主，同時(shí)建立了對(duì)藻株進(jìn)行高效篩選和遺傳改造的特色技術(shù)平臺(tái)，發(fā)明了不再依賴于細(xì)胞培養(yǎng)、對(duì)單個(gè)活體微藻細(xì)胞進(jìn)行代謝產(chǎn)物分析的單細(xì)胞篩選技術(shù)體系?！毙旖「嬖V記者，“團(tuán)隊(duì)正在與國家開發(fā)投資公司微藻生物科技中心的胡強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，探索提高工業(yè)微藻固定二氧化碳和累積生物量效率的方法?！?

探究碳源分配

徐健介紹了微藻制油的原理，微藻利用光合作用，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為微藻自身的生物質(zhì)，然后利用物理或化學(xué)方法把微藻細(xì)胞內(nèi)的油脂釋放到細(xì)胞外，進(jìn)行提煉加工，從而生產(chǎn)出生物柴油。

在一定條件下，微藻可大量累積油脂，從而生產(chǎn)生物柴油。然而其光合作用固定產(chǎn)物不僅以油脂形式存在，還以水溶性多糖或淀粉等其他多種碳存儲(chǔ)物形式存在。

各類碳存儲(chǔ)物合成所需前體都為葡萄糖和還原力等，因此，了解和調(diào)控碳前體到各種碳存儲(chǔ)物之間的分配，對(duì)于采用代謝工程手段提高工業(yè)微藻的油脂產(chǎn)量有著重要意義。

于是，徐健團(tuán)隊(duì)與中科院水生生物研究所微藻生物技術(shù)與生物能源研發(fā)中心韓丹翔、胡強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，研究甘油三酯和多糖等主要的能量存儲(chǔ)物之間在產(chǎn)油過程中存在的相互關(guān)系。

科研人員在缺氮和含氮兩種模式下，對(duì)微擬球藻進(jìn)行長達(dá)14天培養(yǎng)，追蹤了微擬球藻的脂類代謝物、單糖、多糖和這些代謝物相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄本的動(dòng)態(tài)變化，考察了碳水化合物和甘油三酯之間的相互關(guān)系，構(gòu)建了產(chǎn)油過程中的碳分配模型。

徐健指出：“從選種，育種，到提高微藻產(chǎn)油量，我們的研究還處于初期階段，正在啟動(dòng)微藻病蟲害的研究等，而這也是微藻生物能源產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?！?

為了聯(lián)合企業(yè)力量，協(xié)力攻克全產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵理論和工程技術(shù)難題，單細(xì)胞研究中心與國家開發(fā)投資公司微藻生物科技中心正開展深入合作，充分發(fā)揮后者在工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究領(lǐng)域的優(yōu)勢，開拓微藻能源的產(chǎn)業(yè)化之路?！拔⒃迥茉词峭度肽茉串a(chǎn)業(yè)的一粒星火，不久的將來必定形成燎原之勢，讓我們拭目以待?！毙旖≌f。