能源微藻利用内源磷的生长及油脂积累特性(精)/清华大学优秀博士学位论文丛书

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第1章绪论 1.1研究背景 1.1.1藻类生物质能源的优势及发展需求 藻类是一种光能自养型或兼性营养型的生物，能够通过光合作用吸收CO2，合成油脂、糖类、蛋白质等多种有机物，将光能转化为化学能储存于藻细胞之中。藻类能够生存于目前已知的一切生态系统之中，从水生环境到陆生环境，甚至各种**环境，是一类多样性**丰富的生物（Mata et al.,2010）。目前，已探明的藻种数量超过5万种，但人类仅对其中3万种左右进行过系统研究（Richmond,2004）。广泛的生物多样性使得藻类能够合成的物质种类**丰富，这为藻类生物质的多元化利用提供了可能，一些学者也直接将藻细胞称作“微型生物合成工厂”（Chisti,2007）。藻类生物质的主要用途如图1.1所示。 图1.1藻类生物质的主要用途 藻细胞油脂中的三酰甘油酯（Triacyl**ycerols,TAGs）通过酯交换反应可以生产生物柴油（Schenk et al.,2008），该生产工艺目前已经较为成熟，转化效率可以高达96%以上（Antolin et al.,2002）； 藻类生物质中的糖类可通过发酵或厌氧消化等方式生产生物乙醇和生物沼气（Ho et al.,2013; Sialve et al.,2009）； 藻类可以通过生物光解水（Melis et al.,2000），或直接降解淀粉生产生物氢气（Gfeller et al.,1984）； 藻类生物质中的蛋白质是动物饲料的优质原材料，可用作畜禽类饲料的添加剂，或直接生产鱼类饲料（Holman et al.,2013; 刘世禄 等,19**）。此外，部分藻类还能合成极具营养价值的多不饱和脂肪酸（例如二十二碳六烯酸DHA、二十碳五烯酸EPA等），能够增强人体免疫力的多糖类化合物，以及具有抗氧化抗衰老功能的化合物（例如虾青素、类胡萝卜素等）（Borowitzka,1986; Harun et al.,2010; Mata et al.,2010）。 与传统的化石能源相比，藻类生物质能源具有显著的优势： （1） 由于藻类在生长过程中吸收大量的CO2，因此藻类生物质能源是一种碳中性能源，其燃烧过程不会向大气中净排放CO2（Miao et al.,2006）； （2） 通过藻类培养，藻类生物质能够连续生产，保证了藻类生物质能源的可再生性； （3） 藻类生物质能源具备良好的生物降解性（Miao et al.,2006），其燃烧后排放的颗粒物、碳氢化合物和硫氧化物较少（Lang et al.,2001），是一种较为清洁的能源。 与其他类型的生物质能源相比，藻类生物质能源同样具备众多优势： （1） 由于藻类的光合作用效率较高，其生长速度远快于传统作物（Chisti,2007），因此藻类生物质的收获周期较短，能够实现高产量的连续生产； （2） 藻类生物质的油脂含量远高于传统作物，普通藻类生物质的油脂含量在25%~45%，而传统作物的油脂占其生物质总重的比例通常低于5%（Chisti,2008）； （3） 藻类生物质的可溶性多糖和蛋白质含量*高，因此其热解利用的难度*低，并且热解所得的产物具有*高的热值（Banerjee et al.,2002; Dayananda et al.,2007）。 由于藻类的生长速度和能源物质（油脂、糖类和蛋白质）含量均显著高于传统作物，因此以其为原材料生产单位能源（例如1kg生物柴油）的资源消耗量远远小于传统作物。以占地面积为例，Chisti（2007）对比了采用不同类型生物质能源供应美国50%的交通运输燃油所需的土地面积，结果表明藻类生物质能源仅需占用全部耕地的1%～2.5%，而大部分传统作物所需的耕地面积均超过50%，甚至达到***以上。正是由于在资源消耗量方面的巨大优势，部分学者甚至将藻类生物质能源视作可替代化石能源的**生物质能源（Chisti,2008; Schenk et al.,2008）。 与太阳能、风能等其他新能源相比，藻类生物质能源*大的优势在于与当前能源动力系统的兼容性。藻类生物质生产的生物柴油和生物乙醇能够被目前的多数发动机利用（Levitan et al.,2014），其生产的航空生物燃油已经完成了验证飞行。而对于太阳能、风能或者核能，由于与当前的能源动力系统并不兼容，因此这些能源的大规模应用不仅需要解决新能源的生产问题，还需要重新设计制造与之相匹配的动力系统。这包括了**十亿辆汽车、上百万架飞机等。如此庞大的能源动力系统的革新，将会是一个漫长且花费巨大的过程。据粗略估计，**的原油和天然气储量将分别在40年和**年后用尽（Vasudevan et al.,2008），因此，与当前能源动力系统兼容性较好的藻类生物质能源将在人类社会的能源转型期发挥重要作用。 早在1977年，Benemann等（1977）即对利用藻类生产生物质能源的可能性和前景做过详细分析。由于藻类生物质能源具备众多的优势和广阔的发展前景，美国能源部于1978年启动了“水生物种”项目（Aquatic Species Program，ASP），专门研究利用藻类生产可持续的生物质能源。在随后长达近20年的时间里，“水生物种”项目的科研人员从美国各地筛选得到了超过3000株微藻，并通过对藻种生长特性的测定与评价，从中选出了300株左右性能优良的微藻进行系统研究（Sheehan et al.,1998）。通过“水生物种”项目，美国的科研工作者在藻种筛选、藻细胞油脂积累的基因调控以及藻类的开放塘（open pond）培养等方面均取得了大量的重要研究成果，而每升藻类生物燃料的价格则能控制在0.37～1.16美元（Sheehan et al.,1998）。 在20世纪90年代末，石油和传统柴油的成本较低，即使是现在，每升传统柴油的价格也仅为0.35美元（Zhang et al.,2003）。因此，过高的生产成本和价格限制了藻类生物质能源的大规模应用，美国的“水生物种”项目也在1996年停止。然而，进入21世纪，随着**能源危机的加剧，石油价格开始飞速增长，在这样的背景下，藻类生物质能源再次成为研究热点，世界各国均启动了一系列相关的研究项目。 图1.2汇总了与藻类生物质能源相关的部分重要研究项目。美国于2008年启动了“微型曼哈顿”计划，作为“水生物种”项目的延续，旨在实现藻类生物质能源的工业化生产（Johnson,2007）。此外，还于2007年通过了《能源独立与安全法案》（Energy Independence and Security Act,EISA），强制规定在2022年之前，生物柴油的年产量至少需达到109gal1gal（加仑）=3.78L。（de Gorter et al.,2009）。*本在1990年至2000年开展了“地球研究*新技术”计划，进行相关研究。英国耗资2600万英镑，于2009年启动了“藻类生物燃料”项目，计划于2020年之前实现藻类生物燃料的商业化生产。 “清华大学**博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级**博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。“优博丛书”选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科***的博士学位论文的水平，反映了相关领域*新的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的**参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*新进展以及创新思路的有效途径。