中科院青島能源所微藻制油研究取得新進展

圖片來源：科學網

“從選種、育種，到提高微藻產油量，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。”

■本報記者 沈春蕾

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

從最初對微藻產油遺傳進化機制的研究到如今探究碳源的分配機制，單細胞研究中心主任徐健告訴《中國科學報》記者：“規模化實現微藻制油還需要走很長一段路。”今年，他帶領科研人員在該領域的研究道路上又向前邁進了一步。

攻關刻不容緩

當前，全球面臨著氣候變暖、能源危機等環境和生存問題，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，微藻于上世紀進入科學家的視野。通過研究，科學家發現了一種新技術：微藻通過吸收二氧化碳進行光合作用，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，微藻制油技術誕生了。

微藻是單細胞植物，個體較小，一般只有十幾微米。雖然是自然界最低等的自養釋氧植物，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。

就像一個由光能驅動的細胞工廠，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化為潛在的生物燃料、食物、飼料以及高價值的生物活性物質。

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

藻類對緩解人類面臨的糧食、能源、環境三大危機，有著巨大的潛力。微藻制油可以減少對石油的依賴，進而保證一個國家的能源安全。

今年6年，德國尤利希研究中心與亞琛工業大學化學石油工程、化學過程工程、機械過程工程和過程系統工程領域的4個部門合作，成立了新的研究中心，研發生產微藻航空生物燃料，并進行經濟性和環保性能的測試。該中心工作的目標是建設一個利用微藻生產生物煤油的試驗工廠。

揭示產油規律

在年初的報道中提及，徐健帶領團隊以微擬球藻為研究模式，揭示了微藻高產油性狀的遺傳基礎和進化規律。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生的呢？該核心問題一直缺乏系統性實驗證據的支持。

今年上半年，單細胞研究中心的科研人員聯合美國亞利桑那州立大學，運用高精度的轉錄組學和脂類組學分析手段，在3~48小時的6個不同時間點下，考察了微擬球藻缺氮誘導產油過程中轉錄組和脂類代謝組的動態變化規律，在國際上率先構建了野生油藻產油過程動態模型。

研究人員發現，在氮源缺乏時，藻細胞中甘油三酯含量大幅度提高，膜脂含量下降。在轉錄水平上，相關基因以及特定轉運蛋白的轉錄水平上調，推動碳流由碳水化合物、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、線粒體和胞質等不同細胞器的7個DGAT（甘油酰基轉移酶）基因，在缺氮時轉錄水平上調，和上游其他上調基因一起，促進大量甘油三酯的合成。

這項研究闡明了微藻亞細胞水平時間和空間上油脂合成代謝的雙重調控機制，為高產油藻的基因工程育種提供了重要的理論基礎和嶄新的研究思路。

“我們前期的研究以微藻合成油脂的細胞機制為主，同時建立了對藻株進行高效篩選和遺傳改造的特色技術平臺，發明了不再依賴于細胞培養、對單個活體微藻細胞進行代謝產物分析的單細胞篩選技術體系。”徐健告訴記者，“團隊正在與國家開發投資公司微藻生物科技中心的胡強團隊合作，探索提高工業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，將二氧化碳轉化為微藻自身的生物質，然后利用物理或化學方法把微藻細胞內的油脂釋放到細胞外，進行提煉加工，從而生產出生物柴油。

在一定條件下，微藻可大量累積油脂，從而生產生物柴油。然而其光合作用固定產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物形式存在。

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

于是，徐健團隊與中科院水生生物研究所微藻生物技術與生物能源研發中心韓丹翔、胡強團隊合作，研究甘油三酯和多糖等主要的能量存儲物之間在產油過程中存在的相互關系。

科研人員在缺氮和含氮兩種模式下，對微擬球藻進行長達14天培養，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基因的轉錄本的動態變化，考察了碳水化合物和甘油三酯之間的相互關系，構建了產油過程中的碳分配模型。

徐健指出：“從選種，育種，到提高微藻產油量，我們的研究還處于初期階段，正在啟動微藻病蟲害的研究等，而這也是微藻生物能源產業鏈中的關鍵環節之一。”

為了聯合企業力量，協力攻克全產業鏈中的關鍵理論和工程技術難題，單細胞研究中心與國家開發投資公司微藻生物科技中心正開展深入合作，充分發揮后者在工程技術和產業化研究領域的優勢，開拓微藻能源的產業化之路。“微藻能源是投入能源產業的一粒星火，不久的將來必定形成燎原之勢，讓我們拭目以待。”徐健說。