作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2014/12/29 10:20:20
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中科院青岛能源所微藻制油研究取得新进展

 

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“从选种、育种,到提高微藻产油量,我们的研究还处于初期阶段。未来,我们还将开展微藻病虫害的研究。”

■本报记者 沈春蕾

今年1月28日,本报第5版刊登了记者采写的一篇题为《小小绿藻产出生物柴油》的报道。在近一年的时间里,记者一直关注着中国科学院青岛生物能源与过程研究所(以下简称青岛能源所)单细胞研究中心在微藻制油研究领域的最新动向。

从最初对微藻产油遗传进化机制的研究到如今探究碳源的分配机制,单细胞研究中心主任徐健告诉《中国科学报》记者:“规模化实现微藻制油还需要走很长一段路。”今年,他带领科研人员在该领域的研究道路上又向前迈进了一步。

攻关刻不容缓

当前,全球面临着气候变暖、能源危机等环境和生存问题,世界各国正在积极寻找新的可替代能源。

作为一种可再生资源,微藻于上世纪进入科学家的视野。通过研究,科学家发现了一种新技术:微藻通过吸收二氧化碳进行光合作用,最终可以形成生物柴油、类胡萝卜素等衍生品,将二氧化碳变废为宝。于是,微藻制油技术诞生了。

微藻是单细胞植物,个体较小,一般只有十几微米。虽然是自然界最低等的自养释氧植物,但微藻种类繁多,分布极其广泛,无论在是在海洋、湖泊等水域里,还是在潮湿的土壤、树干等角落里,只要在有光照和潮湿的地方,微藻就能生存。

就像一个由光能驱动的细胞工厂,微藻不仅可以消耗高浓度的二氧化碳和二氧化氮,还能源源不断地将其转化为潜在的生物燃料、食物、饲料以及高价值的生物活性物质。

微藻的产油效率相当高,在一年的生长期内,一公顷玉米能产172升生物质燃油,一公顷大豆能产446升,一公顷油菜籽能产1190升,一公顷棕榈树能产5950升,而一公顷的微藻能产生物质燃油95000升。

藻类对缓解人类面临的粮食、能源、环境三大危机,有着巨大的潜力。微藻制油可以减少对石油的依赖,进而保证一个国家的能源安全。

今年6年,德国尤利希研究中心与亚琛工业大学化学石油工程、化学过程工程、机械过程工程和过程系统工程领域的4个部门合作,成立了新的研究中心,研发生产微藻航空生物燃料,并进行经济性和环保性能的测试。该中心工作的目标是建设一个利用微藻生产生物煤油的试验工厂。

揭示产油规律

在年初的报道中提及,徐健带领团队以微拟球藻为研究模式,揭示了微藻高产油性状的遗传基础和进化规律。但是,分子水平上微藻高效合成甘油三酯(即藻油)这一过程究竟是如何发生的呢?该核心问题一直缺乏系统性实验证据的支持。

今年上半年,单细胞研究中心的科研人员联合美国亚利桑那州立大学,运用高精度的转录组学和脂类组学分析手段,在3~48小时的6个不同时间点下,考察了微拟球藻缺氮诱导产油过程中转录组和脂类代谢组的动态变化规律,在国际上率先构建了野生油藻产油过程动态模型。

研究人员发现,在氮源缺乏时,藻细胞中甘油三酯含量大幅度提高,膜脂含量下降。在转录水平上,相关基因以及特定转运蛋白的转录水平上调,推动碳流由碳水化合物、蛋白及膜脂代谢途径流向甘油酯合成。

在甘油三酯组装途径中,位于叶绿体、线粒体和胞质等不同细胞器的7个DGAT(甘油酰基转移酶)基因,在缺氮时转录水平上调,和上游其他上调基因一起,促进大量甘油三酯的合成。

这项研究阐明了微藻亚细胞水平时间和空间上油脂合成代谢的双重调控机制,为高产油藻的基因工程育种提供了重要的理论基础和崭新的研究思路。

“我们前期的研究以微藻合成油脂的细胞机制为主,同时建立了对藻株进行高效筛选和遗传改造的特色技术平台,发明了不再依赖于细胞培养、对单个活体微藻细胞进行代谢产物分析的单细胞筛选技术体系。”徐健告诉记者,“团队正在与国家开发投资公司微藻生物科技中心的胡强团队合作,探索提高工业微藻固定二氧化碳和累积生物量效率的方法。”

探究碳源分配

徐健介绍了微藻制油的原理,微藻利用光合作用,将二氧化碳转化为微藻自身的生物质,然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂释放到细胞外,进行提炼加工,从而生产出生物柴油。

在一定条件下,微藻可大量累积油脂,从而生产生物柴油。然而其光合作用固定产物不仅以油脂形式存在,还以水溶性多糖或淀粉等其他多种碳存储物形式存在。

各类碳存储物合成所需前体都为葡萄糖和还原力等,因此,了解和调控碳前体到各种碳存储物之间的分配,对于采用代谢工程手段提高工业微藻的油脂产量有着重要意义。

于是,徐健团队与中科院水生生物研究所微藻生物技术与生物能源研发中心韩丹翔、胡强团队合作,研究甘油三酯和多糖等主要的能量存储物之间在产油过程中存在的相互关系。

科研人员在缺氮和含氮两种模式下,对微拟球藻进行长达14天培养,追踪了微拟球藻的脂类代谢物、单糖、多糖和这些代谢物相关基因的转录本的动态变化,考察了碳水化合物和甘油三酯之间的相互关系,构建了产油过程中的碳分配模型。

徐健指出:“从选种,育种,到提高微藻产油量,我们的研究还处于初期阶段,正在启动微藻病虫害的研究等,而这也是微藻生物能源产业链中的关键环节之一。”

为了联合企业力量,协力攻克全产业链中的关键理论和工程技术难题,单细胞研究中心与国家开发投资公司微藻生物科技中心正开展深入合作,充分发挥后者在工程技术和产业化研究领域的优势,开拓微藻能源的产业化之路。“微藻能源是投入能源产业的一粒星火,不久的将来必定形成燎原之势,让我们拭目以待。”徐健说。

《中国科学报》 (2014-12-29 第6版 进展)
 
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