一、微藻固碳，碳中和的新希望

 （一）碳中和目標下的技術(shù)困境

為了應對氣候變化，全球各國紛紛設(shè)定碳中和目標。實現(xiàn)碳中和，關(guān)鍵在于減少二氧化碳等溫室氣體的排放，并將已排放的二氧化碳捕獲、利用與封存（CCUS）。然而，現(xiàn)有的CCUS技術(shù)面臨諸多瓶頸：

能耗高：傳統(tǒng)二氧化碳捕集方法需要大量能源，往往抵消減排效果。

封存風險大：封存可能導致地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，甚至引發(fā)地震等自然災害。

利用途徑有限：二氧化碳難以大規(guī)模、高效地轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品。

 （二）微藻固碳的獨特魅力

微藻，這種微小的生物，卻擁有令人驚嘆的固碳能力。1噸藻能夠固定1.83噸二氧化碳，這一數(shù)據(jù)相當驚人。與陸地植物相比，微藻的光合作用效率更高，生長速度更快，而且對生長環(huán)境的要求相對較低。它們可以在各種水域，甚至是工業(yè)廢水、廢氣排放的惡劣環(huán)境中生長。

微藻固碳不僅能減少二氧化碳排放，還能同步實現(xiàn)二氧化碳的資源化。微藻在生長過程中，會將二氧化碳轉(zhuǎn)化為自身的生物質(zhì)，這些生物質(zhì)富含蛋白質(zhì)、油脂、碳水化合物等多種高附加值成分，可用于生產(chǎn)生物燃料、食品、營養(yǎng)品、生物材料等，真正做到了“變廢為寶，實現(xiàn)負排放”。

 （三）全球探索與中國實踐

在國際上，微藻固碳技術(shù)已成為研究熱點?？茖W家們不斷探索新的方法來提高微藻固碳效率，如將金屬有機框架（MOFs）材料與微藻耦合，通過基因改造優(yōu)化微藻的固碳基因，設(shè)計更高效的光反應器等。

在中國，微藻固碳技術(shù)的應用場景也在不斷拓展。在電廠、礦山、工業(yè)區(qū)等地，一系列示范工程正在開展。這些項目不僅為我國的碳中和目標提供了實踐經(jīng)驗，也展示了微藻固碳技術(shù)在不同行業(yè)的巨大潛力。

 二、微藻固碳的奧秘與增效之路

 （一）高效固碳的生物密碼

 1. 光合作用的優(yōu)化

微藻的光合作用是其固碳的核心過程。其中，Rubisco酶起著關(guān)鍵作用，它能夠催化二氧化碳的固定反應?？茖W家們通過研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控Rubisco酶的活性，可以顯著提高微藻的固碳效率。此外，微藻還擁有獨特的碳濃縮機制（CCM），能夠?qū)h(huán)境中的二氧化碳富集到細胞內(nèi)，為光合作用提供充足的原料，進一步提升固碳能力。

 2. 極端環(huán)境中的適應者

在自然界中，一些微藻能夠在極端環(huán)境下生存，如耐高溫、高二氧化碳濃度以及含有煙氣污染物的環(huán)境。像柵藻、螺旋藻等藻種，就具有較強的環(huán)境適應性。科研人員通過篩選和培育這些特殊藻種，使其在工業(yè)廢氣處理等場景中發(fā)揮固碳作用。這些微藻在惡劣環(huán)境中進化出的特殊生理機制，為高效固碳提供了生物學基礎(chǔ)。

 （二）前沿技術(shù)助力固碳飛躍

 1. 材料 – 生物的奇妙組合

MOFs材料具有獨特的多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的氣體吸附性能。將MOFs材料在微藻表面自組裝，可以強化二氧化碳的傳質(zhì)過程，就像為微藻開辟了一條快速吸收二氧化碳的“綠色通道”。研究表明，通過這種方式，微藻的固碳效率可以從5.1%提升至9.8%，取得了顯著的增效成果。

 2. 基因與酶的精準調(diào)控

利用基因工程技術(shù)，提高Rubisco酶的表達量，讓微藻細胞內(nèi)產(chǎn)生更多這種關(guān)鍵的固碳酶，從而增加二氧化碳的固定量。同時，增強碳酸酐酶的活性，能夠加快二氧化碳的水合反應，促進二氧化碳在細胞內(nèi)的運輸和利用。這些基因/酶工程手段為提升微藻固碳效率提供了精準的技術(shù)支持。

 3. 催化協(xié)同的創(chuàng)新突破

將Fe-Co-MOFs與微藻耦合，實現(xiàn)了光催化還原二氧化碳為甲烷的過程。這種催化協(xié)同作用具有極高的選擇性，甲烷選擇性可達96.1%，產(chǎn)率達到92.6 μmol g?1 h?1。這一創(chuàng)新突破不僅提高了微藻固碳的效率，還將二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高能量價值的甲烷，為微藻固碳的資源化利用開辟了新途徑。

 三、工程化應用的實踐與成果

 （一）適應復雜煙氣的藻種與處理技術(shù)

 1. 煙氣預處理與藻種馴化

工業(yè)煙氣成分復雜，含有二氧化硫、氮氧化物等污染物。在利用微藻進行固碳之前，需要對煙氣進行預處理，去除這些污染物，以保護微藻的生長環(huán)境。同時，科研人員通過對藻種進行耐受性馴化，使其能夠適應經(jīng)過預處理的復雜煙氣環(huán)境。例如，在湛江生物質(zhì)電廠，科研人員選育出了適合當?shù)責煔鈼l件的柵藻。他們通過逐步增加煙氣中污染物的濃度，讓柵藻在這種環(huán)境中不斷適應和進化，最終篩選出能夠穩(wěn)定生長并高效固碳的藻種。

 2. 氣液傳質(zhì)強化技術(shù)

為了提高二氧化碳在藻液中的溶解速率，科研人員研發(fā)了三層變孔編織曝氣器。這種曝氣器利用氣泡剪切技術(shù)，將通入的二氧化碳氣體切割成微小的氣泡，大大增加了氣液接觸面積，從而提升了二氧化碳的溶解速率。微小的氣泡在藻液中停留時間更長，與微藻細胞的接觸更充分，為微藻的固碳過程提供了充足的二氧化碳。

 （二）高效光生物反應器的革新

 1. 立柱式封閉反應器的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的跑道池式微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)占地面積大，二氧化碳利用率低，且容易受到外界生物污染。而立柱式封閉反應器則具有明顯的優(yōu)勢。它的占地面積相比傳統(tǒng)跑道池可減少90%，大大節(jié)省了土地資源。封閉的結(jié)構(gòu)能夠有效防止外界雜質(zhì)和生物的進入，降低生物污染的風險。同時，通過合理設(shè)計反應器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和光照系統(tǒng)，可以提高二氧化碳的利用率，為微藻生長提供更穩(wěn)定、高效的環(huán)境。

 2. 智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)的構(gòu)建

隨著科技的發(fā)展，智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)逐漸應用于微藻養(yǎng)殖中。這些系統(tǒng)利用光伏供能，實現(xiàn)了能源的綠色供應。通過傳感器實時監(jiān)測光照、溫度、pH等環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)微藻的生長需求進行動態(tài)調(diào)控。當光照不足時，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)補光設(shè)備；溫度過高或過低時，及時調(diào)整溫控裝置；pH值偏離適宜范圍時，自動添加酸堿調(diào)節(jié)劑。這種智能化的調(diào)控方式，為微藻生長創(chuàng)造了最適宜的環(huán)境，進一步提高了微藻的固碳效率和生物質(zhì)產(chǎn)量。

 （三）成功的工程案例展示

 1. 廣東湛江生物質(zhì)電廠

廣東湛江生物質(zhì)電廠建設(shè)了2000㎡的微藻基地，采用立柱反應器技術(shù)，取得了顯著的固碳成果。該基地每年能夠固定二氧化碳100噸，不僅有效減少了電廠的碳排放，還通過微藻養(yǎng)殖獲得了一定的經(jīng)濟效益。微藻生物質(zhì)可以進一步加工成高附加值產(chǎn)品，如生物肥料、動物飼料等，實現(xiàn)了碳減排與資源利用的雙重收益。

 2. 國家能源集團礦山修復

國家能源集團在礦山修復項目中，構(gòu)建了5萬㎡的微藻系統(tǒng)。該系統(tǒng)每月可產(chǎn)藻液150噸，微藻的生長不僅固定了大量二氧化碳，還對礦山周邊環(huán)境起到了改善作用。在實驗區(qū)，種植的植物生長率提高了20%，這得益于微藻系統(tǒng)改善了土壤質(zhì)量，增加了土壤肥力，為植物生長提供了更好的條件。微藻在礦山修復中，實現(xiàn)了生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的雙贏。

 3. 鄂托克旗螺旋藻固碳

鄂托克旗的螺旋藻固碳項目規(guī)模宏大，達到萬噸級年固碳量。該項目不僅在固碳方面成績斐然，還通過開發(fā)螺旋藻的高值產(chǎn)品，如螺旋藻膠囊、營養(yǎng)品等，實現(xiàn)了產(chǎn)值超2億元。通過構(gòu)建完整的微藻養(yǎng)殖、加工、銷售產(chǎn)業(yè)鏈，鄂托克旗螺旋藻固碳項目為微藻固碳技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了成功范例。

　　項目背景

　　碳中和碳達峰是當下我國減碳的重要目標，而目前，碳中和行動仍主要集中于電力、能源、化工等高碳排行業(yè)，多采用源頭減排手段實現(xiàn)減排目標，除此之外，我國高度重視CCUS（碳捕獲、利用及封存）技術(shù)的發(fā)展，然而其由于存在發(fā)展遲緩、推廣難度大等問題尚未成為碳中和的主流策略。是否能夠有一種CCUS技術(shù)能夠更廣泛地應用于城市等更多場景中，而為碳中和目標作出新的貢獻是我們值得探討的問題。

　　城市公共空間中所隱藏的固碳潛力

　　在我國高密度城市的規(guī)劃中，綠地率通常被壓縮，有限的林地、草地等綠地空間使得城市中實現(xiàn)碳中和的難度逐漸升高。同時，在城市存量更新的背景之下，城市公共空間的土地利用類型難以發(fā)生改變，而在無法大面積植樹的硬質(zhì)地面上，是否能夠采用一種景觀化的新手段實現(xiàn)在城市空間中的固碳呢？微藻作為一種具有高固碳效率的微生物，或許能夠為城市固碳提供一種新的可能。同時，建立云平臺建立微藻景觀裝置之間的連接及數(shù)據(jù)的實時反饋，能夠建立基于微藻的城市固碳網(wǎng)絡(luò)。

　　微藻，城市空間中的超高效固碳器？

　　利用微藻的高固碳效率為城市公共空間提供一種固碳的基本設(shè)施單元。而微藻的固碳效率大概能有多高呢？在這里，我們進行簡單的計算：

　　本方案可容納280.6L容積的微藻生長，按照文獻所給的小球藻17.85mg/L/min的CO2固存效率，經(jīng)估算本裝置一天可固存7.2125kgCO2，維持裝置運行的水泵、氣泵及補光設(shè)備一天耗電約5.2度電，合計3.025kg的CO2排放量。因此，裝置一天凈固存3.025kgCO2，考慮天氣影響按219天運作的保守估計一年可凈固存662.506kgCO2，堪比36棵樹一年的固碳量！

　　上述的計算雖然僅是理論數(shù)值，在實際應用場景中會存在一定偏差，但這足以為我們提供一種城市固碳的新方向。

微藻的光合作用效率遠超陸地植物。研究表明，微藻利用太陽能固定二氧化碳的效率是陸生植物的10至50倍。以每公頃土地計算，微藻的固碳能力甚至比傳統(tǒng)作物高出10倍。例如，石家莊煉化分公司通過將煙氣中的二氧化碳直接引入光生物反應器，微藻在生長過程中吸收了20%以上的二氧化碳[4]。這種“以廢治廢”的方式，不僅減少了工業(yè)排放，還為微藻提供了低成本的碳源。

更令人驚嘆的是，微藻的碳濃縮機制（CCM）使其無需將二氧化碳濃度提升至高濃度即可高效利用。這種“自帶碳捕集器”的能力，讓微藻在自然環(huán)境中無需額外投入即可實現(xiàn)碳固定。

微藻的適應性極強，能在鹽堿地、沿海灘涂、沙漠等極端環(huán)境中生存，甚至無需占用耕地。例如，深圳華潤電力深汕公司的立柱式微藻光合反應器，通過捕集燃煤電廠煙氣中的二氧化碳，將“工業(yè)廢氣”轉(zhuǎn)化為微藻生物質(zhì)，再進一步生產(chǎn)生物柴油。這種閉環(huán)系統(tǒng)不僅降低了碳排放，還實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。

在污水處理方面，微藻能高效吸附氮、磷等污染物，將污水轉(zhuǎn)化為清水。成都彭州生態(tài)環(huán)境局的案例顯示，微藻通過代謝活動增加土壤有機質(zhì)，修復鹽堿地和沙漠化土壤，為生態(tài)恢復提供新路徑。

微藻的潛力遠不止固碳。它們是生物燃料的“黃金礦脈”：微藻細胞富含油脂，可轉(zhuǎn)化為生物柴油、航空燃料甚至氫氣。重慶大學廖強教授團隊的研究表明，微藻油脂的高能量密度使其成為替代化石燃料的理想選擇。此外，微藻還富含蛋白質(zhì)、ω-3脂肪酸、類胡蘿卜素等營養(yǎng)成分，可作為食品添加劑、保健品原料，甚至替代肉類飼料。

在工業(yè)領(lǐng)域，微藻的代謝產(chǎn)物（如多糖、活性肽）被用于化妝品、醫(yī)藥和生物材料的開發(fā)。例如，微藻合成的DHA、EPA等不飽和脂肪酸，被廣泛應用于功能性食品和保健品。

盡管微藻的前景廣闊，但規(guī)?；瘧萌悦媾R挑戰(zhàn)。首先，微藻培養(yǎng)成本較高，需優(yōu)化光生物反應器設(shè)計以提高CO?利用率。其次，下游加工環(huán)節(jié)（如油脂提取、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化）能耗大，需開發(fā)綠色技術(shù)以減少碳足跡。此外，基因編輯技術(shù)的應用雖能提升微藻的固碳效率，但需警惕轉(zhuǎn)基因生物對生態(tài)系統(tǒng)的潛在風險。

從實驗室到千家萬戶，微藻正以“小而精”的姿態(tài)，書寫著綠色發(fā)展的新篇章。它們不僅是碳減排的“隱形英雄”，更是資源循環(huán)利用的“多面手”。隨著技術(shù)的不斷突破，微藻有望成為人類文明與自然和諧共生的關(guān)鍵鑰匙。正如科學家所言：“微藻的潛力，遠未被完全挖掘。

 一、微藻：對蝦養(yǎng)殖的“多面手”

微藻是單細胞水生植物，雖然個體微小，卻在生態(tài)系統(tǒng)中扮演重要角色。它們能通過光合作用釋放氧氣、吸收水體中的有害物質(zhì)（如氨氮），還能作為對蝦的天然餌料。更重要的是，微藻富含蛋白質(zhì)和脂肪酸，可以替代傳統(tǒng)魚粉飼料，緩解全球魚粉短缺問題（年缺口達500萬噸）。這些特性使其成為東南亞養(yǎng)殖戶眼中的“水下守護者”。

 二、東南亞三國實踐：微藻的“變形記”

 1. 泰國：微藻變身“超級飼料”

泰國是全球第三大對蝦出口國，但長期依賴魚粉導致資源不可持續(xù)。2018年，泰國啟動“微藻替代魚粉”項目，利用熱帶氣候優(yōu)勢，在露天池塘大規(guī)模養(yǎng)殖富含油脂的小球藻和裂殖壺菌。  

創(chuàng)新點：將火力發(fā)電廠的廢氣（含二氧化碳）輸送到微藻培養(yǎng)池，既降低碳源成本，又減少碳排放。  

成果：微藻飼料使對蝦增重率提高15%，每公頃微藻的蛋白質(zhì)產(chǎn)量相當于5公頃大豆。項目預計30年內(nèi)凈收益達2690萬美元，還減少了30%的漁業(yè)捕撈壓力。

 2. 越南：微藻打造“循環(huán)水工廠”

越南九龍江平原的對蝦養(yǎng)殖密度高達300尾/立方米，水體富營養(yǎng)化嚴重。當?shù)匮邪l(fā)的“微藻-細菌共生系統(tǒng)”徹底改變了傳統(tǒng)模式：  

運作原理：微藻吸收有害物質(zhì)并釋放氧氣，硝化細菌分解殘留有機物，形成自凈循環(huán)。  

成效：養(yǎng)殖廢水100%回用，節(jié)水成本降低70%；對蝦存活率從60%躍升至85%，且無需使用抗生素。越南政府計劃到2030年實現(xiàn)50萬噸海藻產(chǎn)量，推動綠色養(yǎng)殖規(guī)?；?。

 3. 印尼：微藻成“蝦苗疫苗”

印尼蝦苗因水質(zhì)波動和細菌感染，成活率長期低于50%。當?shù)仄髽I(yè)聯(lián)合中國科研團隊，篩選出能高效吸收氨氮的波吉卵囊藻，將其接種到育苗池中：  

作用：微藻穩(wěn)定水質(zhì)，抑制致病菌，蝦苗感染白斑病毒的概率下降40%。  

經(jīng)濟賬：每公頃養(yǎng)殖成本節(jié)省1200美元，化學調(diào)水劑使用量大幅減少。

 三、挑戰(zhàn)與破局：微藻產(chǎn)業(yè)化之路

盡管前景光明，微藻推廣仍面臨三大難關(guān)：  

1. 技術(shù)門檻高：精密的光生物反應器依賴進口，泰國一半設(shè)備需從德國采購。  

2. 成本壓力大：越南微藻飼料價格比傳統(tǒng)魚粉貴50%，需擴大規(guī)模降低成本。  

3. 政策不統(tǒng)一：東南亞各國缺乏共同標準，跨國合作受阻。

 四、未來展望：從“水下守護者”到“藍碳經(jīng)濟”

微藻的價值不止于養(yǎng)殖業(yè)。越南正規(guī)劃“藍碳經(jīng)濟帶”，將微藻養(yǎng)殖與紅樹林修復結(jié)合，既固碳又創(chuàng)收。中國研發(fā)的新型光驅(qū)動反應器，有望將微藻生產(chǎn)成本降低50%。未來，東南亞對蝦養(yǎng)殖或?qū)摹百Y源消耗型”轉(zhuǎn)向“生態(tài)增值型”，實現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟的雙贏。

微藻的產(chǎn)業(yè)化應用，印證了“小生物解決大問題”的智慧。它不僅是水質(zhì)凈化器、天然飼料庫，更是低碳經(jīng)濟的突破口。隨著技術(shù)突破和政策協(xié)同，這場由微藻引領(lǐng)的綠色革命，或?qū)⒅厮苋蛩a(chǎn)養(yǎng)殖的未來。

有些微藻如小球藻、綠球藻、雨聲紅球藻、葡萄藻和硅藻等可在細胞內(nèi)積累豐富的油脂，所產(chǎn)生的油脂通過酯化后可轉(zhuǎn)變?yōu)樯锊裼?，藻渣可以綜合利用，生產(chǎn)動物飼料、有機肥料和甲烷。同時，氣體中的殘硫、殘氮可以成為微藻生長的硫源和氮源，微藻生長所需的其它營養(yǎng)也可以用營養(yǎng)廢水提供，達到凈化廢水的目的，從而形成循環(huán)經(jīng)濟的生產(chǎn)模式。

煤制天然氣生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳和有毒有害工業(yè)廢水，如何減排廢水廢氣并實現(xiàn)有效利用成為影響煤制天然氣技術(shù)應用的重要環(huán)節(jié)。青島能源所與新疆慶華集團于2012年7月就利用微藻培養(yǎng)進行二氧化碳固定和處理工業(yè)廢水聯(lián)產(chǎn)生物柴油達成合作協(xié)議。其中，青島能源所負責高效固碳藻種的篩選、微藻的二氧化碳和廢水培養(yǎng)工藝、相關(guān)實驗室規(guī)劃與設(shè)計、規(guī)模培養(yǎng)試驗系統(tǒng)的設(shè)計等工作。

研究所能源藻類資源團隊利用已開發(fā)的微藻培養(yǎng)與裝備技術(shù)，在中試技術(shù)服務(wù)中心配合下，于2013年5月完成了系統(tǒng)全部土建、反應器、自動化采樣與控制系統(tǒng)設(shè)計；6月在慶華集團開始施工，王俊峰博士、張國華、田亮、程文濤等技術(shù)人員進駐施工現(xiàn)場指導反應器裝配和系統(tǒng)集成；7月底完成項目實驗室微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的調(diào)試、運行和相關(guān)技術(shù)方法、操作章程的制定和對相關(guān)人員的技術(shù)培訓；8月中旬中試系統(tǒng)開始調(diào)試度運行并一次試車成功。

期間，慶華集團董事長霍慶華、總經(jīng)理許忠、副總經(jīng)理郎瑩等集團領(lǐng)導多次視察微藻溫室及實驗室，對項目進展情況和系統(tǒng)運行效果表示滿意，對青島能源所的工作給予充分肯定。2013年8月20日，新疆自治區(qū)主席努爾·白克力一行120人在慶華集團霍慶華董事長等陪同下參觀了微藻實驗室和中試系統(tǒng)，青島能源所科研技術(shù)人員現(xiàn)場介紹了項目建設(shè)情況、微藻能源潛力與前景等。

目前，該項目后續(xù)研究工作正在按計劃逐步展開，雙方正積極推進利用微藻減排二氧化碳、廢水和生產(chǎn)生物柴油項目的大規(guī)模示范合作。