微擬球藻是一種可利用海水或淡水、在室外大規(guī)模培養(yǎng)的工業(yè)微藻，具有生長速度快、二氧化碳耐受能力強(qiáng)、強(qiáng)勁積累油脂和高值不飽和脂肪酸等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)成為能源與經(jīng)濟(jì)微藻領(lǐng)域的研究模式藻種之一，也成為國內(nèi)外許多微藻固碳示范工程的優(yōu)先選擇。然而反向遺傳工程技術(shù)的匱乏從根本上阻礙了針對(duì)二氧化碳固定能力和產(chǎn)油效率等諸多工業(yè)性狀的遺傳改造。

單細(xì)胞中心博士后學(xué)者魏力帶領(lǐng)的研究小組在海洋微擬球藻（Nannochloropsis oceanica IMET1）中，基于RNA干擾技術(shù)，通過設(shè)計(jì)靶基因的反向重復(fù)序列，形成特異莖環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了碳酸酐酶和碳酸氫鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等碳代謝相關(guān)基因的高效、特異性敲低，基因沉默株構(gòu)建的成功率達(dá)到40%以上。通過重亞硫酸測(cè)序方法，發(fā)現(xiàn)在基因沉默株中，靶基因的特定區(qū)域展示出獨(dú)特的甲基化規(guī)律，從而揭示了靶基因沉默的分子機(jī)制。研究人員還證明該技術(shù)對(duì)于另一藻株N. oceanica CCMP1779也同樣高效，表明該技術(shù)具有通用性。

這是繼8月19日?qǐng)?bào)道微擬球藻基因組編輯技術(shù)以來，The Plant Journal再次以技術(shù)進(jìn)展（Technical Advance）的形式刊登青島能源所單細(xì)胞中心在微擬球藻遺傳工程方法學(xué)平臺(tái)的突破。靶向基因敲低技術(shù)和基因組編輯技術(shù)各有特色、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，因此兩個(gè)技術(shù)平臺(tái)的建立、聯(lián)用和業(yè)界共享將推動(dòng)工業(yè)固碳微藻合成生物學(xué)的發(fā)展，也將對(duì)能源微藻分子育種技術(shù)產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。

上述工作由青島能源所研究員徐健與水生所研究員胡晗華共同主持完成，得到了科技部、基金委和中科院含碳?xì)怏w利用等項(xiàng)目的前期支持。

生物柴油是一種環(huán)保型可再生能源，但由于原料嚴(yán)重不足制約了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。微藻生長繁殖快，油脂產(chǎn)率高，可利用非農(nóng)用地進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，作為生物柴油的原料具有諸多優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外培養(yǎng)產(chǎn)油微藻均采用分批培養(yǎng)模式，細(xì)胞生長和油脂積累分兩步先后完成，油脂積累時(shí)細(xì)胞生長受到嚴(yán)重抑制，從而不可避免地降低了油脂產(chǎn)率，成為微藻生物柴油研發(fā)中的一個(gè)技術(shù)難題。打破這一技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)微藻同步生長和產(chǎn)油，對(duì)于提高微藻產(chǎn)油效率，推動(dòng)微藻生物柴油的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要意義。

中國科學(xué)院武漢植物園植物生物技術(shù)學(xué)科組博士研究生溫小斌在研究員李夜光指導(dǎo)下，開展微藻高效產(chǎn)油模式研究，利用連續(xù)培養(yǎng)(continuous?culture)，通過控制氮源比輸入速率（specific?nitrate?input?rate），成功實(shí)現(xiàn)了小球藻同步生長與產(chǎn)油，建立了“一步法”?（one-step?production）產(chǎn)油模式。首先對(duì)一株具有應(yīng)用潛力的產(chǎn)油微藻-蛋白核小球藻Chlorella?pyrenoidosa?XQ-20044進(jìn)行了分批及氮源流加-分批培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該藻種能夠在適度的氮脅迫條件下積累油脂，且不以犧牲生長速率和生物質(zhì)干重為代價(jià)。進(jìn)一步采用連續(xù)培養(yǎng)方式，在恒定的溫度、光照強(qiáng)度、pH值、CO2供應(yīng)等條件下在柱式光反應(yīng)器中培養(yǎng)小球藻Chlorella?pyrenoidosa?XQ-20044。當(dāng)稀釋速率為0.48-1.44?d-1時(shí)，小球藻以0.48-1.44d-1的生長速率達(dá)到穩(wěn)定生長狀態(tài)（Steady-state），同時(shí)胞內(nèi)三?；视偷暮匡@著提高，即迅速生長的小球藻細(xì)胞亦可積累油脂，調(diào)控這一同步生長和油脂積累的關(guān)鍵因素是氮源（硝態(tài)氮）比輸入速率。在實(shí)驗(yàn)條件下，適合于C.?pyrenoidosa?XQ-20044同步生長與產(chǎn)油的硝酸鈉比輸入速率為0.78-4.56?mmol?g-1?DW?d-1，油脂產(chǎn)率最高達(dá)到144.93?mg?L-1d-1，與相同條件下分批培養(yǎng)相比，油脂產(chǎn)率提高了48%，細(xì)胞脂肪酸組成沒有顯著差異。這一研究結(jié)果展示了微藻同步生長與產(chǎn)油的可行性與巨大潛力，為提高微藻產(chǎn)油效率開辟了一條新的途徑。

該研究獲得國家自然科學(xué)基金和國家“863”項(xiàng)目支持。相關(guān)研究論文發(fā)表于Bioresource?Technology(doi:10.1016/j.biortech.2014.03.077).

詳細(xì)請(qǐng)?jiān)L問IHI等成功實(shí)現(xiàn)含有大量油分的生物燃料用藻類室外穩(wěn)定培養(yǎng)

IHI的目標(biāo)是將他們的名為“MOBURA”的復(fù)合藻類，以Gene & Gene Technology發(fā)現(xiàn)的高速繁殖型布朗葡萄藻（Botryococcus braunii）“榎本藻”為基礎(chǔ)，由Neo Morgan研究所進(jìn)行過改良的藻類。榎本藻的繁殖力為原有布朗葡萄藻的1000倍。IHI NeoG Algae開發(fā)出了繁殖能源僅利用太陽光、不遜色于其他藻類及雜菌等的培養(yǎng)方法。不過目前他們僅限于小規(guī)模的培養(yǎng)，真正的中試都已經(jīng)達(dá)到了幾萬個(gè)立方的級(jí)別了，可是高昂的成本使得目前的產(chǎn)油微藻研究的范圍還僅限于實(shí)驗(yàn)室。

中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊（實(shí)習(xí)生 胡少雄）近年來, 出于對(duì)能源安全、溫室氣體排放等多方面的考慮,世界各國紛紛加大國內(nèi)的生物液體燃料生產(chǎn)。近日，能源基金會(huì)中國（Energy Foundation）發(fā)布了題為《世界主要國家生物液體燃料產(chǎn)業(yè)政策》的研究報(bào)告，報(bào)告介紹了歐美等發(fā)達(dá)國家在發(fā)展生物液體燃料產(chǎn)業(yè)過程中的經(jīng)驗(yàn)。

? ? ? 微藻利用高鹽廢水這種模擬海洋環(huán)境，在光合作用下，吸收二氧化碳，實(shí)現(xiàn)了高度自養(yǎng)，繁殖速度非?？臁?br /> 這種被稱為微藻的生物不僅有吸碳作用，可以大量吸收工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳、氮氧化物等廢氣，而這些廢氣正是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素。還可以通過油脂提取和高效處理等技術(shù)，生產(chǎn)生物柴油、醫(yī)藥保健品原料和飼料等產(chǎn)品?！俺浴倍趸?，制出生物柴油，可謂一舉兩得。
目前世界上已知的微藻有幾千萬種，真正實(shí)現(xiàn)利用的微藻只有幾十種。實(shí)驗(yàn)室的工作人員反復(fù)試驗(yàn)，不斷測(cè)試不同的溫度及酸度水平下的各種藻類栽培技術(shù)，正在嘗試幾種不同的藻類，以找到油脂合作能力與生長速度兼顧的一種。

積極發(fā)展非糧生物燃料

從全球液體生物能源開發(fā)利用現(xiàn)狀看，以糧食生產(chǎn)生物乙醇和以油菜籽生產(chǎn)生物柴油發(fā)展規(guī)模最大。但隨著開發(fā)生物能源與糧食安全的關(guān)系成為國際爭(zhēng)議焦點(diǎn)。發(fā)展“非糧”原料生物燃料已成為世界范圍內(nèi)生物燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。許多國家都在尋找和發(fā)展新的非糧生物能源植物進(jìn)行生物能源開發(fā)，例如，利用薯類、甜高粱、植物纖維（秸稈等）等轉(zhuǎn)化乙醇，利用油料作物（油菜、蓖麻）、木本植物（小桐子、黃連木、麻瘋樹）和工程微藻等發(fā)展生物柴油。中國是世界第二大能源消費(fèi)國，同時(shí)中國面臨著人多地少的現(xiàn)狀，中國生物燃料長期穩(wěn)定的發(fā)展必須建立在糧食安全的基礎(chǔ)之上。因此中國應(yīng)嚴(yán)格依照“不與民爭(zhēng)糧、不與糧爭(zhēng)地”的基本要求，積極開發(fā)利用邊際土地，發(fā)展非糧原料的生物質(zhì)能生產(chǎn)，如以木薯、甜高粱等為代表的糖類作物和以農(nóng)作物秸稈為代表的各類木質(zhì)纖維類生物質(zhì)作為生產(chǎn)生物乙醇的原料。探索非糧原料的選擇和培育，促進(jìn)非糧原料的轉(zhuǎn)化技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和長期發(fā)展。

纖維素乙醇和工程微藻生產(chǎn)生物柴油是未來趨勢(shì)

綜觀世界生物燃料主要生產(chǎn)國家，積極探索第二代生物燃料是產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)趨勢(shì)。未來燃料乙醇發(fā)展應(yīng)更多地轉(zhuǎn)向纖維素類生物原料，美國、巴西等生產(chǎn)大國都在研發(fā)纖維素乙醇的技術(shù)，并嘗試使之產(chǎn)業(yè)化。例如，美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）正在與相關(guān)企業(yè)合作開展纖維素酶的研究工作，NREL 于2011 年宣布，其與丹麥諾維信生物技術(shù)公司合作研發(fā)的纖維素酶制剖，已在實(shí)驗(yàn)室條件下降低成本至原來的1/30，為10-18 美分/加侖。但這與纖維素乙醇大規(guī)模商業(yè)化所要求的3-4 美分/加侖的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距。美國企業(yè)也正積極投資纖維素乙醇的研發(fā)和示范性生產(chǎn)，至少已有28家先進(jìn)生物燃料公司已開始或正在建設(shè)以纖維素為原料的燃料乙醇生產(chǎn)設(shè)施，美國能源部預(yù)測(cè)纖維素制造的燃料乙醇有望在2016 年左右實(shí)現(xiàn)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的突破，達(dá)到規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

中國是纖維素資源大國，據(jù)農(nóng)業(yè)部和林業(yè)部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前中國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量及林業(yè)廢棄物資源量可觀。如果纖維素生物乙醇技術(shù)獲得突破進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，則對(duì)突破中國生物燃料原料瓶頸將起到至關(guān)重要的作用。此外，“工程微藻法”生產(chǎn)生物柴油，為柴油生產(chǎn)開辟了一條新的技術(shù)途徑。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）通過現(xiàn)代生物技術(shù)建成“工程微藻”。利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油具有重要經(jīng)濟(jì)意義和生態(tài)意義：微藻生產(chǎn)能力高、用海水作為天然培養(yǎng)基可節(jié)約農(nóng)業(yè)資源；比陸生植物單產(chǎn)油脂高出幾十倍；生產(chǎn)的生物柴油不含硫，燃燒時(shí)不排放有毒害氣體，排入環(huán)境中也可被微生物降解，不污染環(huán)境，發(fā)展富含油質(zhì)的微藻或者“工程微藻”是生產(chǎn)生物柴油的一大趨勢(shì)。中國約有5000 萬畝可開墾的海岸灘涂和大量的內(nèi)陸水域可以發(fā)展工程藻類資源。若按美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出含油量超過60%的工程藻類，未來可提供制取數(shù)千萬噸的生物柴油原料（景永靜，2009）。因此在全球都重視第二代生物燃料開發(fā)的趨勢(shì)下，中國也應(yīng)積極研發(fā)第二代纖維素乙醇和開發(fā)工程微藻，使之成為中國生物燃料發(fā)展的重要方向。

布朗葡萄藻因可合成長鏈烴，且大部分分布在細(xì)胞外壁而易于提取等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是比產(chǎn)油微藻更接近石化原料的理想微藻。然而，該藻在傳統(tǒng)液體培養(yǎng)條件下生長極為緩慢。

針對(duì)布朗葡萄藻細(xì)胞易于聚集成簇的特點(diǎn)，近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所能源藻類資源團(tuán)隊(duì)利用貼壁培養(yǎng)方法，將該藻細(xì)胞接種于多孔介質(zhì)表面形成生物膜，在光照和富CO2環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)。結(jié)果表明，貼壁培養(yǎng)10天，細(xì)胞生物量產(chǎn)率可達(dá)5.5?gm-2d-1，總脂含量與純烴含量分別占細(xì)胞干重的42.6%與19.4%。在此基礎(chǔ)上，模擬室外高光，利用陣列插板式光反應(yīng)器進(jìn)行貼壁培養(yǎng)，單位占地生物產(chǎn)量率可達(dá)49.1?gm-2d-1（圖1），對(duì)可見光的平均光能利用效率達(dá)到14.9%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)液體培養(yǎng)效率。同時(shí)，通過缺氮誘導(dǎo)，總脂含量與純烴含量可分別提高到51.6%、34.3%（表1），而烴的構(gòu)架沒有明顯變化。

該研究結(jié)果表明，基于光能稀釋的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)并以生物膜形式貼壁培養(yǎng)將是解決布朗葡萄藻培養(yǎng)效率瓶頸的重要手段。

該研究得到了科技部科技支撐計(jì)劃、中科院太陽能行動(dòng)計(jì)劃等項(xiàng)目資助，相關(guān)成果發(fā)表在Bioresource Technology
(Cheng P., etc. The growth, lipid and hydrocarbon production of Botryococcus braunii with attached cultivation. Bioresour Technol, 2013,138:95-100)