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“清华大学优秀博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（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很优秀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必备参考，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。
目录
目录
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
1.1.2全球磷资源的储备及消耗情况
1.1.3藻类生物质能源大规模生产对磷资源的需求
1.1.4降低磷资源消耗的途径
1.2研究现状
1.2.1藻细胞对磷的吸收及储存
1.2.2藻细胞利用磷生长的动力学模型
1.2.3单位磷实际生物质产量
1.2.4藻细胞利用内源磷生长的生理生化特性
1.3有待进一步研究的问题
1.4研究目的与内容
1.4.1研究目的
1.4.2研究内容
1.4.3技术路线
第2章藻细胞利用磷生长的基本特性
2.1材料与方法
2.1.1材料
2.1.2方法
2.2藻细胞的基本生长及氮磷吸收特性
2.2.1藻细胞的基本生长特性
2.2.2藻细胞的氮磷吸收利用特性
2.3藻细胞的氮磷含量及单位磷生物质产量的变化
2.3.1藻细胞的氮磷含量变化
2.3.2藻类单位磷生物质产量变化
2.4提高单位磷生物质产量的潜力及可行性分析
2.5本章小结
第3章不同微藻利用内源磷的生物质生产潜力
3.1材料与方法
3.1.1材料
3.1.2方法
3.2不同微藻利用内源磷的基本生长情况
3.2.1小球藻对外源磷的吸收特性及其生长情况
3.2.2栅藻对外源磷的吸收特性及其生长情况
3.2.3其他种属微藻对外源磷的吸收特性及其生长
情况
3.2.4不同微藻利用内源磷的生长特性总结
3.2.5不同微藻利用内源磷生长的动力学模型分析
3.2.6不同微藻的单位磷理论生物质产量对比
3.3不同微藻利用内源磷生长的油脂积累特性
3.3.1不同微藻利用内源磷生长的油脂积累情况
3.3.2不同微藻生产生物柴油的磷资源消耗对比
3.4高效利用磷资源的模式藻种选择
3.5本章小结
第4章培养条件对藻细胞利用内源磷生长的影响
4.1材料与方法
4.1.1材料
4.1.2方法
4.2初始总氮浓度对单位磷实际生物质产量的影响
4.2.1不同初始总氮浓度下藻细胞对溶解性氮磷的吸收
情况
4.2.2不同初始总氮浓度下藻细胞利用内源磷的生长
特性
4.2.3不同初始总氮浓度下单位磷实际生物质产量的
变化
4.2.4不同初始总氮浓度下藻细胞的油脂积累特性
4.3初始总磷浓度及光照强度对单位磷实际生物质产量的
影响
4.3.1不同初始总磷及光照强度下藻细胞对溶解性氮磷的
吸收情况
4.3.2不同初始总磷及光照强度下藻细胞利用内源磷的
生长特性
4.3.3不同初始总磷及光照强度下单位磷生物质产量的
变化
4.3.4不同初始总磷及光照强度下藻细胞的油脂积累
特性
4.4藻细胞利用内源磷生长影响因素综合分析
4.4.1藻细胞利用内源磷生长的综合模型
4.4.2实现高生物质产量及高油脂含量的培养策略
4.5本章小结
第5章藻细胞利用内源磷生长的生理生化特性变化
5.1材料与方法
5.1.1材料
5.1.2方法
5.2藻细胞对外源氮磷的吸收及其基本生长情况
5.2.1栅藻对外源氮磷的吸收情况
5.2.2栅藻利用内源磷的生长情况
5.2.3栅藻的内源磷含量及单位磷生物质产量的变化
5.3藻细胞利用内源磷生长的叶绿素含量及光合作用活性
变化
5.3.1栅藻利用内源磷生长的叶绿素含量变化
5.3.2栅藻利用内源磷生长的光合作用活性变化
5.4藻细胞利用内源磷生长的细胞形态结构及沉降性质变化
5.4.1栅藻利用内源磷生长的细胞形态变化
5.4.2栅藻利用内源磷生长的细胞重量及密度变化
5.4.3栅藻利用内源磷生长的沉降性能变化
5.5藻细胞利用内源磷生长的能源物质积累特性
5.5.1栅藻利用内源磷生长的油脂积累特性
5.5.2栅藻利用内源磷生长的油脂、蛋白质、糖类积累
特性
5.6本章小结
第6章结论与建议
6.1结论
6.2建议
参考文献
索引
在学期间发表的学术论文与研究成果
致谢
序言
导师序言
能源短缺和气候变化是21世纪人类社会面临的两大危机。近年来，世界范围内的人口快速增长和经济发展加剧了化石燃料的消耗。化石燃料是一种不可再生的非可持续能源，其剩余储量已十分有限。同时，化石燃料的大量使用导致大气中二氧化碳等温室气体浓度的升高，从而引发了“温室效应”等一系列全球性的气候变化问题。因此，开发利用可再生和环境友好型新能源，成为国际社会面临的重大课题。
在各类新能源中，藻类生物质能源因其独特的优势而被众多学者视作最具竞争力的化石燃料替代品之一。与太阳能、风能、核能、地热能、潮汐能等非生物质能源相比，藻类生物质可用于生产生物柴油、生物乙醇、航空燃油等多种液体燃料。这些燃料可被绝大多数当前的交通工具直接使用，是化石燃料最理想的替代品。与其他类型的生物质能源相比，藻类的生长速度更快，光合作用效率更高，油脂、蛋白质、可溶性多糖等的含量更高，其加工转化所得的产物也具备更高的热值。
由于上述优势，藻类生物质能源逐渐成为新能源领域的研究前沿和热点。虽然微藻生物质被认为是一种可再生且可持续的能源，但藻类生物质能源的生产过程将不可避免地消耗大量水资源，以及不可再生的磷资源等。这也是藻类生物质能源实现大规模应用的重要限制因素。本课题组以实现微藻生物质大规模可持续培养为目标，围绕藻类生物质生产与污水深度处理耦合技术、藻类培养液循环利用技术、藻类生长促进技术、微藻附着培养与氮磷深度去除技术、微藻溶解性有机物分泌及其控制等开展了较为系统的研究，并获得了较为丰富的成果。自2005年以来，从事该方向研究的博士、硕士研究生和博士后达12人，其中已毕业博士生3人（李鑫、于茵、巫寅虎）、硕士生4人（杨佳、朱树峰、Nora Graciela、Deantes Victor）、出站博士后1人（苏贞峰）。
前期实验发现，藻类在生长过程中能够过量吸收培养液中的磷，并将其储存于细胞中转化为细胞内源磷。促进藻细胞利用内源磷的生长是利用有限的磷资源生产更多藻类生物质的关键。巫寅虎的博士学位论文围绕这一问题开展了较为系统、深入的研究，并取得了具有理论意义和应用价值的创新性成果。
巫寅虎的博士学位论文系统考察了藻细胞利用磷生长的基本特性，并结合藻类生长动力学模型分析，提出了提高单位磷生物质产量的技术目标以及相应的藻种筛选标准； 从17株微藻中筛选出利用内源磷生长能力最强的栅藻LX1，进一步考察了培养条件对其利用内源磷生长的影响，掌握了其利用内源磷生长过程的生理生化特性变化。该论文取得的主要创新性成果如下：
（1） 通过实验研究和理论分析，提出了同时实现高生长速率和高单位磷生物质产量的藻种筛选标准，即藻种的最小细胞磷含量Q0应低于0.1%，并从17株能源微藻中筛选得到了满足该标准的藻种。该成果为选择适于大规模培养的藻种提供了重要的理论依据。
（2） 发现在利用内源磷生长的过程中，栅藻LX1的细胞种群密度达到稳定期后，其生物质干重仍然持续增长，并开始大量积累三酰甘油酯（TAGs），油脂中的TAGs含量在稳定期后期达到最大值。该成果对于优化藻类的培养策略具有重要的工程意义。
（3） 发现在高氮、高光照条件下，藻细胞可充分利用内源磷生长，单位磷生物质产量与油脂含量呈正相关，并且可同时获得高生物质生产速率及高油脂含量。该成果在一定程度上破解了藻细胞生长速率与油脂含量的矛盾。
（4） 综合以上成果，提出了微藻大规模培养过程中，同时保障微藻快速生长和提高TAGs积累的磷理论添加量计算方法。
该论文取得的成果可为藻类生物质能源的可持续生产提供重要的理论基础和工程指导。
胡洪营
清华大学环境学院
2016年7月
文摘
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，甚至各种极端环境，是一类多样性非常丰富的生物（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非常丰富，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（Triacylglycerols,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,1989）。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更高，因此其热解利用的难度更低，并且热解所得的产物具有更高的热值（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100%以上。…………
与太阳能、风能等其他新能源相比，藻类生物质能源最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。这包括了全球十亿辆汽车、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，全球的原油和天然气储量将分别在40年和64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，随着国际能源危机的加剧，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）。日本在1990年至2000年开展了“地球研究更新技术”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。
图1.2国内外与藻类生物质能源相关的科研项目
我国的相关研究起步较晚。2009年中国科学院与中国石油化工集团联合启动了“微藻生物柴油成套技术”项目； 2010年“微藻能源规模化制备的科学基础”作为“973”计划项目正式立项，计划于2015年实现藻类生物质能源工业化生产中关键科学问题的突破。
上述的研究项目均以实现藻类生物质能源的工业化生产作为最终目标。然而，实际上目前绝大多数的研究中藻类的培养规模仅为几升到几十立方米，这就意味着要实现工业化生产需要将目前的培养规模扩大成千上万倍（Williams et al.,2010）。这毫无疑问会带来大量的经济技术问题，同时，如此大规模的藻类培养对于各种不可再生资源的消耗也非常值得关注。
1.1.2全球磷资源的储备及消耗情况
磷是生物体必需的重要元素之一，能够用于合成DNA、三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate，ATP）、磷脂等生命活动所必需的重要细胞物质，并参与众多的新陈代谢反应。同时，其在人类社会的生产生活中也有非常广泛的应用： 在农业领域，磷是生产化学肥料和部分农药的重要原料； 在工业领域，磷可用于生产表面活性剂、阻燃剂等重要原材料。
人类社会活动所使用的磷，绝大部分来自磷矿石。由于在自然条件下磷矿石的形成过程非常缓慢，因此这是一种不可再生的重要战略资源。全球磷资源的储备情况本章中磷资源量按P2O5的质量计。如表1.1所示，其中磷矿石储量是指工业品位的矿石总量，是当前技术条件下能够较为经济地开发利用的资源总量； 基础储量是指磷矿石储量与一级矿区边界品位资源的总和； 而矿区边界品位总量则是前两者与次级矿区边界品位资源的总和，代表磷资源的储备总量。
表1.1全球磷资源的储备情况
磷资源储备总量/Gt
磷矿石储量
基础储量
矿区边界品位总量参 考 文 献
6.0
21.8
83.7
Van Vuuren et al.,2010
5.0
14.1
29.5
4.0
7.6
15.4
5.0
14.1
—
USGS,2008
5.7
16.1
29.5
Smil,2000
—
10.7
29.3
Herring et al.,1993
—
8.7
18.9
Krauss et al.,1984
—
6.0
21.8
Cathcart et al.,1984
8.0
22.0
30.0
Steen,1998
3.6
11.0
30.0
—
—
46.0
Brinck,1977
5.2
13.2
33.4
平均值
注： 本表修改自Van Vuuren et al.,2010。
从表1.1可知，虽然全球磷资源的储备总量较大，但是其中适于开发利用的磷矿石所占比例却不高。按照不同研究者的统计，磷矿石仅占磷资源总量的7.1%～26.7%。此外，磷资源在全球范围内的空间分布也极其不均匀，仅集中分布于中国、美国和非洲等少数国家和地区（Van Vuuren et al.,2010）。而部分磷资源极度匮乏的国家，例如日本，只能完全依靠进口。
由于磷资源的不可再生性，对其消耗的预测逐渐成为了一个研究热点。Van Vuuren等人（2010）在其研究中采用千年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment）的方法对1970年至2100年间全球范围内磷资源的消耗过程进行了模拟和预测。Van Vuuren等人将全球磷资源的总量划分为高、中、低三个等级，分别为83.7Gt、29.5Gt和15.4Gt，并采用四种不同的消耗模型进行了预测。研究结果表明，21世纪中叶，世界上众多国家和地区将面临严重的磷资源短缺危机，只能依靠进口维持磷资源的供应； 在最不利的情况下，到2100年全球40%～60%的磷资源将被耗尽； 而即使在最乐观的估计下，到2100年全球磷资源的消耗量也将达到总量的20%～35%（Van Vuuren et al.,2010）。值得注意的是，Van Vuuren等人考察的是磷资源储备总量的消耗情况，而只占其中较少比例的磷矿石将被更加迅速地消耗。
虽然中国是磷资源大国，资源的储备总量位居世界第二，仅次于摩洛哥，然而我国磷矿石的质量并不高，高品位矿（P2O5含量超过30%）仅占总量的8%，其余绝大多数是品位较低的中品位矿（P2O5含量为12%～30%）和贫矿（P2O5含量小于12%）（刘征 等,2005）。因此，在相同的磷矿产量下，我国用于开采和生产的费用将更高，利用的难度也更大。胡慧荣等（2007）研究指出，按照现有的磷矿石开采速度，我国磷资源储量仅够维持70年左右的使用，其中还包括了占资源储备总量90%以上的中低品位矿石。如果仅考虑高品位磷矿，我国的磷矿石储量仅能维持使用10～15年。
综合上述研究结果可知，全球范围内磷资源并不会在短期面临耗竭的风险，但是长期而言，磷资源的短缺将成为人类社会可持续发展的重要制约因素。
1.1.3藻类生物质能源大规模生产对磷资源的需求
通常情况下，藻细胞的磷含量为1%左右（Borchard et al.,1968），而在对磷进行超富集（luxury uptake）后，藻细胞的磷含量可高达近4%（Powell et al.,2009）。因此，藻类生物质的大规模生产将伴随着对磷资源的大量消耗。按照美国《能源独立与安全法案》的设想，在2022年之前生物柴油的年产量应达到109gal以上（de Gorter et al.,2009）。而以藻类生物质作为原材料进行生物柴油的生产，是现有生物柴油生产工艺中资源消耗量最小的（Chisti,2008; Schenk et al.,2008）。按照通常状态下藻类生物质中30%的油脂含量（Sheehan et al.,1998）、当前技术水平下70%的油脂提取效率（Lee et al.,2010）以及96%的油脂转化率（Antolin et al.,2002）计算，为了实现《能源独立与安全法案》的目标，藻类生物质的年产量将超过107t。如此巨大的生产规模，将不可避免地消耗大量的磷资源。
藻类生物质能源对于各类资源的消耗量是当前生命周期评价领域的研究热点之一。表1.2列出了藻类生物质能源对于多种重要资源的消耗量，包括土地资源、CO2、水资源以及氮磷资源。其中，对于土地资源的占用量较少，并且能够大量吸收CO2是藻类生物质能源的重要优势； 氮资源则可通过工业固氮不断从大气中获取，由于大气中氮的储量较大，因此并未被视作限制性资源； 然而，如前所述，磷资源却是一种不断流失的不可再生资源。
表1.2藻类生物质能源对各类资源的消耗
资源
种类
藻类生物质能源
产量/（108gal·y-1）
单位能源的资源
消耗/kg-1
资源总消耗量
参考文献
土地
10
1.39×10-4acre*
4.76×106acre
1.2%耕地面积
Pate et al.,2011
土地
70
1.89×10-5ha
4.5×106ha
2.5%耕地面积
Chisti,2007
CO2
10
10kg
3.5×108t
48%工业源排放量
Pate et al.,2011
水
1
3726kg
4.13×1013t
85.7%全美耗水量
Yang et al.,2011b
水
10
—
2.29×1013t
19%区域耗水量
Pate et al.,2011
氮
1
0.33kg
2.19×106t
16%全美氮消耗量
Yang et al.,2011b
氮
10
0.44kg
1.5×107t
107%全美氮消耗量
Pate et al.,2011
磷
1
0.71kg
4.73×106t
103%全美氮消耗量
Yang et al.,2011b
磷
10
0.062kg
2.1×106t
51%全美氮消耗量
Pate et al.,2011
* 1acre（英亩）=0.405ha（公顷）=4046.86m2。
Yang等（2011b）对藻类生物质能源大规模生产的资源消耗进行了生命周期评价。结果表明，利用藻类生物质每生产1kg生物柴油，将消耗0.71kg磷酸盐。而在《能源独立与安全法案》所预期的生产规模下，每年仅利用藻类生物质生产生物柴油的磷资源消耗量将达到4.73×106t，这将超过现有的全美年均磷消耗量（Yang et al.,2011b）。其他的研究者也报道了类似的结果。Pate等（2011）在其研究中将藻类生物燃料的年产量定为109gal，这相当于全美交通运输燃料年消耗量的15%。在这样的生产规模下，藻类生物质能源的磷资源消耗将达到全美磷消耗量的51%（Pate et al.,2011）。
上述生命周期评价结果表明，藻类生物质能源的大规模生产将大量消耗磷资源。虽然藻类培养占用的耕地面积较少，甚至可以利用一些不适于农作物种植的土地，并不会与农作物竞争农业用地（缪晓玲 等,2004），但是其对磷资源的消耗却是不可避免的。目前，世界范围内开采的磷矿石近80%用于生产各种农业磷肥（胡慧蓉 等,2007），而藻类生物质能源的大规模生产很有可能与农作物竞争磷资源（Pate et al.,2011）。因此，在保证产量及生产速度的前提下，有效降低对磷资源的消耗对于保障藻类生物质能源的可持续生产有重要意义。
1.1.4降低磷资源消耗的途径
藻类生物质能源的生产是一个复杂的过程，包括了藻类培养、藻类生物质收获、藻类生物质转化等一系列步骤。虽然磷资源仅在藻类培养中被直接消耗，但是藻类生物质的油脂含量、收获效率和转化效率等关键参数都将影响相同能源生产目标下的生物质需求量，从而对磷资源的消耗量产生重要的影响。
藻类生物质能源的生产流程如图1.3所示。整个生产流程可以分为四个步骤： （1）藻类培养，将磷资源转化为藻类生物质； （2）藻类生物质的收获及油脂提取； （3）生物质的转化过程，将油脂转化为生物柴油，而藻渣转化为生物燃气； （4）磷的回收利用，将藻渣转化过程中释放的磷回用于藻类培养。
图1.3微藻生物质能源的磷资源消耗分析
以上四个步骤分别对应四个关键参数： （1）单位磷生物质产量，即将磷资源转化为藻类生物质的效率； （2）油脂含量，即藻类生物质中可用于生物柴油生产的油脂含量； （3）生物质的收获及转化效率，即藻类生物质的收获效率与利用生物质生产能源的效率的乘积； （4）磷的回用效率，即磷资源回用于藻类培养的回收率。
目前从藻类生物质中回收磷的研究较少，缺乏可以参考的数据。Jena 等人（2010）尝试将藻类生物质热解后的水相副产物（aqueous coproduct）回用于藻类培养，但是并未给出生物质的转化效率及对磷的回收效率。并且，由于细胞壁的存在，藻细胞胞内物质的释放将需要消耗大量能量（Sialve et al.,2009），因此，仅以回收磷为目的的生物质转化过程很可能无法实现净产能。比较实际的做法是，将藻类生物质能源生产过程中从藻细胞内释放的磷回用于藻类培养,例如，将藻类生物质的厌氧消化液回用于藻类培养。但是，由于藻细胞具有较厚的细胞壁以及较高的蛋白质含量，其厌氧发酵过程的生物质转化效率并不会太高（Sialve et al.,2009），从而将导致磷的回收效率低下。此外，由于磷的回收过程将对藻类生物质进行复杂转化，最终得到的产物并不是单纯的氮磷营养盐，其中是否会含有抑制藻类生长的组分也仍然需要进一步研究。
由于磷末端回收的不确定性，因此在藻类生物质能源的生产过程中直接削减磷资源的消耗就显得十分必要。目前，藻类生物质的收获及转化工艺相对成熟，藻类生物质中油脂的提取效率可达70%以上（Lee et al.,2010），油脂的转化效率更是高达96%以上（Antolin et al.,2002）。因此，通过提升转化效率以降低磷资源的消耗，可操作空间非常有限。
通过提高油脂含量从而削减藻类生物质能源对磷资源的消耗量，这种方式的效果也是十分有限的。藻类生物质通常含有30%左右的总油脂（Sheehan et al.,1998），其油脂含量在不利的生长条件下往往能够得到提高，例如氮磷营养缺乏（Rodolfi et al.,2009）、高盐度（Azachi et al.,2002）或高光强条件下（Pruvost et al.,2008）。然而，这些提高油脂含量的方法往往会对藻类的生长产生抑制作用，降低生物质的总产量，最终反而降低了油脂的总产量（U.S. Department of Energy,2010; 胡洪营 等,2011）。并且，藻类生物质的总油脂中只有TAGs能够作为生物柴油的原材料，其在油脂中的含量波动较大，能够在8%~80%之间变化（Hu et al.,2008），这进一步降低了藻类油脂的有效含量。
与转化效率和油脂含量相比，单位磷的生物质产量能够在更大的范围内变化。这是由于藻细胞能够对培养液中的磷进行超富集，将大量的细胞外源磷吸收转化为存储于细胞内部的内源磷，使得细胞的内源磷含量远高于通常培养条件下1%左右的水平，从而导致较低的单位磷生物质产量； 而在培养液中的细胞外源磷耗尽的情况下，藻细胞也具备利用内源磷生长的能力，使得细胞磷含量下降至远低于1%，从而提高单位磷生物质产量。Powell等人（2009）在研究中发现，较高的外源磷浓度容易导致藻细胞对磷进行超富集，从而使得藻细胞的内源磷含量上升至约3.85%，对应的单位磷生物质产量仅为25.9kg·kg-1本书定义单位磷生物质/油脂/TAGs产量为每千克磷所产出的相应物质的质量。； 而在外源磷耗尽的磷饥饿状态下，藻细胞的内源磷含量下降至0.21%，对应的单位磷生物质产量高达476kg·kg-1，从而使得藻类生物质能源生产过程的磷资源消耗量仅为通常情况的20%左右。
综上所述，与提高转化效率和油脂含量相比，提高单位磷的生物质产量能够更加有效地降低藻类生物质能源的磷资源消耗。
1.2研究现状
1.2.1藻细胞对磷的吸收及储存
藻细胞对磷的吸收利用过程如图1.4所示。外源磷酸盐可通过自由扩散或主动运输穿过细胞膜，进入藻细胞（Borchard et al.,1968），再与二磷酸腺苷（Adenosine Diphosphate，ADP）反应生成三磷酸腺苷（ATP），参与到各种新陈代谢反应中。进入藻细胞的磷有两个主要的去向： 其一是合成
“清华大学优秀博士学位论文丛书”（以下简称“优博丛书”）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（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很优秀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必备参考，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。
目录
目录
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
1.1.2全球磷资源的储备及消耗情况
1.1.3藻类生物质能源大规模生产对磷资源的需求
1.1.4降低磷资源消耗的途径
1.2研究现状
1.2.1藻细胞对磷的吸收及储存
1.2.2藻细胞利用磷生长的动力学模型
1.2.3单位磷实际生物质产量
1.2.4藻细胞利用内源磷生长的生理生化特性
1.3有待进一步研究的问题
1.4研究目的与内容
1.4.1研究目的
1.4.2研究内容
1.4.3技术路线
第2章藻细胞利用磷生长的基本特性
2.1材料与方法
2.1.1材料
2.1.2方法
2.2藻细胞的基本生长及氮磷吸收特性
2.2.1藻细胞的基本生长特性
2.2.2藻细胞的氮磷吸收利用特性
2.3藻细胞的氮磷含量及单位磷生物质产量的变化
2.3.1藻细胞的氮磷含量变化
2.3.2藻类单位磷生物质产量变化
2.4提高单位磷生物质产量的潜力及可行性分析
2.5本章小结
第3章不同微藻利用内源磷的生物质生产潜力
3.1材料与方法
3.1.1材料
3.1.2方法
3.2不同微藻利用内源磷的基本生长情况
3.2.1小球藻对外源磷的吸收特性及其生长情况
3.2.2栅藻对外源磷的吸收特性及其生长情况
3.2.3其他种属微藻对外源磷的吸收特性及其生长
情况
3.2.4不同微藻利用内源磷的生长特性总结
3.2.5不同微藻利用内源磷生长的动力学模型分析
3.2.6不同微藻的单位磷理论生物质产量对比
3.3不同微藻利用内源磷生长的油脂积累特性
3.3.1不同微藻利用内源磷生长的油脂积累情况
3.3.2不同微藻生产生物柴油的磷资源消耗对比
3.4高效利用磷资源的模式藻种选择
3.5本章小结
第4章培养条件对藻细胞利用内源磷生长的影响
4.1材料与方法
4.1.1材料
4.1.2方法
4.2初始总氮浓度对单位磷实际生物质产量的影响
4.2.1不同初始总氮浓度下藻细胞对溶解性氮磷的吸收
情况
4.2.2不同初始总氮浓度下藻细胞利用内源磷的生长
特性
4.2.3不同初始总氮浓度下单位磷实际生物质产量的
变化
4.2.4不同初始总氮浓度下藻细胞的油脂积累特性
4.3初始总磷浓度及光照强度对单位磷实际生物质产量的
影响
4.3.1不同初始总磷及光照强度下藻细胞对溶解性氮磷的
吸收情况
4.3.2不同初始总磷及光照强度下藻细胞利用内源磷的
生长特性
4.3.3不同初始总磷及光照强度下单位磷生物质产量的
变化
4.3.4不同初始总磷及光照强度下藻细胞的油脂积累
特性
4.4藻细胞利用内源磷生长影响因素综合分析
4.4.1藻细胞利用内源磷生长的综合模型
4.4.2实现高生物质产量及高油脂含量的培养策略
4.5本章小结
第5章藻细胞利用内源磷生长的生理生化特性变化
5.1材料与方法
5.1.1材料
5.1.2方法
5.2藻细胞对外源氮磷的吸收及其基本生长情况
5.2.1栅藻对外源氮磷的吸收情况
5.2.2栅藻利用内源磷的生长情况
5.2.3栅藻的内源磷含量及单位磷生物质产量的变化
5.3藻细胞利用内源磷生长的叶绿素含量及光合作用活性
变化
5.3.1栅藻利用内源磷生长的叶绿素含量变化
5.3.2栅藻利用内源磷生长的光合作用活性变化
5.4藻细胞利用内源磷生长的细胞形态结构及沉降性质变化
5.4.1栅藻利用内源磷生长的细胞形态变化
5.4.2栅藻利用内源磷生长的细胞重量及密度变化
5.4.3栅藻利用内源磷生长的沉降性能变化
5.5藻细胞利用内源磷生长的能源物质积累特性
5.5.1栅藻利用内源磷生长的油脂积累特性
5.5.2栅藻利用内源磷生长的油脂、蛋白质、糖类积累
特性
5.6本章小结
第6章结论与建议
6.1结论
6.2建议
参考文献
索引
在学期间发表的学术论文与研究成果
致谢
序言
导师序言
能源短缺和气候变化是21世纪人类社会面临的两大危机。近年来，世界范围内的人口快速增长和经济发展加剧了化石燃料的消耗。化石燃料是一种不可再生的非可持续能源，其剩余储量已十分有限。同时，化石燃料的大量使用导致大气中二氧化碳等温室气体浓度的升高，从而引发了“温室效应”等一系列全球性的气候变化问题。因此，开发利用可再生和环境友好型新能源，成为国际社会面临的重大课题。
在各类新能源中，藻类生物质能源因其独特的优势而被众多学者视作最具竞争力的化石燃料替代品之一。与太阳能、风能、核能、地热能、潮汐能等非生物质能源相比，藻类生物质可用于生产生物柴油、生物乙醇、航空燃油等多种液体燃料。这些燃料可被绝大多数当前的交通工具直接使用，是化石燃料最理想的替代品。与其他类型的生物质能源相比，藻类的生长速度更快，光合作用效率更高，油脂、蛋白质、可溶性多糖等的含量更高，其加工转化所得的产物也具备更高的热值。
由于上述优势，藻类生物质能源逐渐成为新能源领域的研究前沿和热点。虽然微藻生物质被认为是一种可再生且可持续的能源，但藻类生物质能源的生产过程将不可避免地消耗大量水资源，以及不可再生的磷资源等。这也是藻类生物质能源实现大规模应用的重要限制因素。本课题组以实现微藻生物质大规模可持续培养为目标，围绕藻类生物质生产与污水深度处理耦合技术、藻类培养液循环利用技术、藻类生长促进技术、微藻附着培养与氮磷深度去除技术、微藻溶解性有机物分泌及其控制等开展了较为系统的研究，并获得了较为丰富的成果。自2005年以来，从事该方向研究的博士、硕士研究生和博士后达12人，其中已毕业博士生3人（李鑫、于茵、巫寅虎）、硕士生4人（杨佳、朱树峰、Nora Graciela、Deantes Victor）、出站博士后1人（苏贞峰）。
前期实验发现，藻类在生长过程中能够过量吸收培养液中的磷，并将其储存于细胞中转化为细胞内源磷。促进藻细胞利用内源磷的生长是利用有限的磷资源生产更多藻类生物质的关键。巫寅虎的博士学位论文围绕这一问题开展了较为系统、深入的研究，并取得了具有理论意义和应用价值的创新性成果。
巫寅虎的博士学位论文系统考察了藻细胞利用磷生长的基本特性，并结合藻类生长动力学模型分析，提出了提高单位磷生物质产量的技术目标以及相应的藻种筛选标准； 从17株微藻中筛选出利用内源磷生长能力最强的栅藻LX1，进一步考察了培养条件对其利用内源磷生长的影响，掌握了其利用内源磷生长过程的生理生化特性变化。该论文取得的主要创新性成果如下：
（1） 通过实验研究和理论分析，提出了同时实现高生长速率和高单位磷生物质产量的藻种筛选标准，即藻种的最小细胞磷含量Q0应低于0.1%，并从17株能源微藻中筛选得到了满足该标准的藻种。该成果为选择适于大规模培养的藻种提供了重要的理论依据。
（2） 发现在利用内源磷生长的过程中，栅藻LX1的细胞种群密度达到稳定期后，其生物质干重仍然持续增长，并开始大量积累三酰甘油酯（TAGs），油脂中的TAGs含量在稳定期后期达到最大值。该成果对于优化藻类的培养策略具有重要的工程意义。
（3） 发现在高氮、高光照条件下，藻细胞可充分利用内源磷生长，单位磷生物质产量与油脂含量呈正相关，并且可同时获得高生物质生产速率及高油脂含量。该成果在一定程度上破解了藻细胞生长速率与油脂含量的矛盾。
（4） 综合以上成果，提出了微藻大规模培养过程中，同时保障微藻快速生长和提高TAGs积累的磷理论添加量计算方法。
该论文取得的成果可为藻类生物质能源的可持续生产提供重要的理论基础和工程指导。
胡洪营
清华大学环境学院
2016年7月
文摘
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，甚至各种极端环境，是一类多样性非常丰富的生物（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非常丰富，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（Triacylglycerols,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,1989）。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更高，因此其热解利用的难度更低，并且热解所得的产物具有更高的热值（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100%以上。…………
与太阳能、风能等其他新能源相比，藻类生物质能源最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。这包括了全球十亿辆汽车、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，全球的原油和天然气储量将分别在40年和64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，随着国际能源危机的加剧，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）。日本在1990年至2000年开展了“地球研究更新技术”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。
图1.2国内外与藻类生物质能源相关的科研项目
我国的相关研究起步较晚。2009年中国科学院与中国石油化工集团联合启动了“微藻生物柴油成套技术”项目； 2010年“微藻能源规模化制备的科学基础”作为“973”计划项目正式立项，计划于2015年实现藻类生物质能源工业化生产中关键科学问题的突破。
上述的研究项目均以实现藻类生物质能源的工业化生产作为最终目标。然而，实际上目前绝大多数的研究中藻类的培养规模仅为几升到几十立方米，这就意味着要实现工业化生产需要将目前的培养规模扩大成千上万倍（Williams et al.,2010）。这毫无疑问会带来大量的经济技术问题，同时，如此大规模的藻类培养对于各种不可再生资源的消耗也非常值得关注。
1.1.2全球磷资源的储备及消耗情况
磷是生物体必需的重要元素之一，能够用于合成DNA、三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate，ATP）、磷脂等生命活动所必需的重要细胞物质，并参与众多的新陈代谢反应。同时，其在人类社会的生产生活中也有非常广泛的应用： 在农业领域，磷是生产化学肥料和部分农药的重要原料； 在工业领域，磷可用于生产表面活性剂、阻燃剂等重要原材料。
人类社会活动所使用的磷，绝大部分来自磷矿石。由于在自然条件下磷矿石的形成过程非常缓慢，因此这是一种不可再生的重要战略资源。全球磷资源的储备情况本章中磷资源量按P2O5的质量计。如表1.1所示，其中磷矿石储量是指工业品位的矿石总量，是当前技术条件下能够较为经济地开发利用的资源总量； 基础储量是指磷矿石储量与一级矿区边界品位资源的总和； 而矿区边界品位总量则是前两者与次级矿区边界品位资源的总和，代表磷资源的储备总量。
表1.1全球磷资源的储备情况
磷资源储备总量/Gt
磷矿石储量
基础储量
矿区边界品位总量参 考 文 献
6.0
21.8
83.7
Van Vuuren et al.,2010
5.0
14.1
29.5
4.0
7.6
15.4
5.0
14.1
—
USGS,2008
5.7
16.1
29.5
Smil,2000
—
10.7
29.3
Herring et al.,1993
—
8.7
18.9
Krauss et al.,1984
—
6.0
21.8
Cathcart et al.,1984
8.0
22.0
30.0
Steen,1998
3.6
11.0
30.0
—
—
46.0
Brinck,1977
5.2
13.2
33.4
平均值
注： 本表修改自Van Vuuren et al.,2010。
从表1.1可知，虽然全球磷资源的储备总量较大，但是其中适于开发利用的磷矿石所占比例却不高。按照不同研究者的统计，磷矿石仅占磷资源总量的7.1%～26.7%。此外，磷资源在全球范围内的空间分布也极其不均匀，仅集中分布于中国、美国和非洲等少数国家和地区（Van Vuuren et al.,2010）。而部分磷资源极度匮乏的国家，例如日本，只能完全依靠进口。
由于磷资源的不可再生性，对其消耗的预测逐渐成为了一个研究热点。Van Vuuren等人（2010）在其研究中采用千年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment）的方法对1970年至2100年间全球范围内磷资源的消耗过程进行了模拟和预测。Van Vuuren等人将全球磷资源的总量划分为高、中、低三个等级，分别为83.7Gt、29.5Gt和15.4Gt，并采用四种不同的消耗模型进行了预测。研究结果表明，21世纪中叶，世界上众多国家和地区将面临严重的磷资源短缺危机，只能依靠进口维持磷资源的供应； 在最不利的情况下，到2100年全球40%～60%的磷资源将被耗尽； 而即使在最乐观的估计下，到2100年全球磷资源的消耗量也将达到总量的20%～35%（Van Vuuren et al.,2010）。值得注意的是，Van Vuuren等人考察的是磷资源储备总量的消耗情况，而只占其中较少比例的磷矿石将被更加迅速地消耗。
虽然中国是磷资源大国，资源的储备总量位居世界第二，仅次于摩洛哥，然而我国磷矿石的质量并不高，高品位矿（P2O5含量超过30%）仅占总量的8%，其余绝大多数是品位较低的中品位矿（P2O5含量为12%～30%）和贫矿（P2O5含量小于12%）（刘征 等,2005）。因此，在相同的磷矿产量下，我国用于开采和生产的费用将更高，利用的难度也更大。胡慧荣等（2007）研究指出，按照现有的磷矿石开采速度，我国磷资源储量仅够维持70年左右的使用，其中还包括了占资源储备总量90%以上的中低品位矿石。如果仅考虑高品位磷矿，我国的磷矿石储量仅能维持使用10～15年。
综合上述研究结果可知，全球范围内磷资源并不会在短期面临耗竭的风险，但是长期而言，磷资源的短缺将成为人类社会可持续发展的重要制约因素。
1.1.3藻类生物质能源大规模生产对磷资源的需求
通常情况下，藻细胞的磷含量为1%左右（Borchard et al.,1968），而在对磷进行超富集（luxury uptake）后，藻细胞的磷含量可高达近4%（Powell et al.,2009）。因此，藻类生物质的大规模生产将伴随着对磷资源的大量消耗。按照美国《能源独立与安全法案》的设想，在2022年之前生物柴油的年产量应达到109gal以上（de Gorter et al.,2009）。而以藻类生物质作为原材料进行生物柴油的生产，是现有生物柴油生产工艺中资源消耗量最小的（Chisti,2008; Schenk et al.,2008）。按照通常状态下藻类生物质中30%的油脂含量（Sheehan et al.,1998）、当前技术水平下70%的油脂提取效率（Lee et al.,2010）以及96%的油脂转化率（Antolin et al.,2002）计算，为了实现《能源独立与安全法案》的目标，藻类生物质的年产量将超过107t。如此巨大的生产规模，将不可避免地消耗大量的磷资源。
藻类生物质能源对于各类资源的消耗量是当前生命周期评价领域的研究热点之一。表1.2列出了藻类生物质能源对于多种重要资源的消耗量，包括土地资源、CO2、水资源以及氮磷资源。其中，对于土地资源的占用量较少，并且能够大量吸收CO2是藻类生物质能源的重要优势； 氮资源则可通过工业固氮不断从大气中获取，由于大气中氮的储量较大，因此并未被视作限制性资源； 然而，如前所述，磷资源却是一种不断流失的不可再生资源。
表1.2藻类生物质能源对各类资源的消耗
资源
种类
藻类生物质能源
产量/（108gal·y-1）
单位能源的资源
消耗/kg-1
资源总消耗量
参考文献
土地
10
1.39×10-4acre*
4.76×106acre
1.2%耕地面积
Pate et al.,2011
土地
70
1.89×10-5ha
4.5×106ha
2.5%耕地面积
Chisti,2007
CO2
10
10kg
3.5×108t
48%工业源排放量
Pate et al.,2011
水
1
3726kg
4.13×1013t
85.7%全美耗水量
Yang et al.,2011b
水
10
—
2.29×1013t
19%区域耗水量
Pate et al.,2011
氮
1
0.33kg
2.19×106t
16%全美氮消耗量
Yang et al.,2011b
氮
10
0.44kg
1.5×107t
107%全美氮消耗量
Pate et al.,2011
磷
1
0.71kg
4.73×106t
103%全美氮消耗量
Yang et al.,2011b
磷
10
0.062kg
2.1×106t
51%全美氮消耗量
Pate et al.,2011
* 1acre（英亩）=0.405ha（公顷）=4046.86m2。
Yang等（2011b）对藻类生物质能源大规模生产的资源消耗进行了生命周期评价。结果表明，利用藻类生物质每生产1kg生物柴油，将消耗0.71kg磷酸盐。而在《能源独立与安全法案》所预期的生产规模下，每年仅利用藻类生物质生产生物柴油的磷资源消耗量将达到4.73×106t，这将超过现有的全美年均磷消耗量（Yang et al.,2011b）。其他的研究者也报道了类似的结果。Pate等（2011）在其研究中将藻类生物燃料的年产量定为109gal，这相当于全美交通运输燃料年消耗量的15%。在这样的生产规模下，藻类生物质能源的磷资源消耗将达到全美磷消耗量的51%（Pate et al.,2011）。
上述生命周期评价结果表明，藻类生物质能源的大规模生产将大量消耗磷资源。虽然藻类培养占用的耕地面积较少，甚至可以利用一些不适于农作物种植的土地，并不会与农作物竞争农业用地（缪晓玲 等,2004），但是其对磷资源的消耗却是不可避免的。目前，世界范围内开采的磷矿石近80%用于生产各种农业磷肥（胡慧蓉 等,2007），而藻类生物质能源的大规模生产很有可能与农作物竞争磷资源（Pate et al.,2011）。因此，在保证产量及生产速度的前提下，有效降低对磷资源的消耗对于保障藻类生物质能源的可持续生产有重要意义。
1.1.4降低磷资源消耗的途径
藻类生物质能源的生产是一个复杂的过程，包括了藻类培养、藻类生物质收获、藻类生物质转化等一系列步骤。虽然磷资源仅在藻类培养中被直接消耗，但是藻类生物质的油脂含量、收获效率和转化效率等关键参数都将影响相同能源生产目标下的生物质需求量，从而对磷资源的消耗量产生重要的影响。
藻类生物质能源的生产流程如图1.3所示。整个生产流程可以分为四个步骤： （1）藻类培养，将磷资源转化为藻类生物质； （2）藻类生物质的收获及油脂提取； （3）生物质的转化过程，将油脂转化为生物柴油，而藻渣转化为生物燃气； （4）磷的回收利用，将藻渣转化过程中释放的磷回用于藻类培养。
图1.3微藻生物质能源的磷资源消耗分析
以上四个步骤分别对应四个关键参数： （1）单位磷生物质产量，即将磷资源转化为藻类生物质的效率； （2）油脂含量，即藻类生物质中可用于生物柴油生产的油脂含量； （3）生物质的收获及转化效率，即藻类生物质的收获效率与利用生物质生产能源的效率的乘积； （4）磷的回用效率，即磷资源回用于藻类培养的回收率。
目前从藻类生物质中回收磷的研究较少，缺乏可以参考的数据。Jena 等人（2010）尝试将藻类生物质热解后的水相副产物（aqueous coproduct）回用于藻类培养，但是并未给出生物质的转化效率及对磷的回收效率。并且，由于细胞壁的存在，藻细胞胞内物质的释放将需要消耗大量能量（Sialve et al.,2009），因此，仅以回收磷为目的的生物质转化过程很可能无法实现净产能。比较实际的做法是，将藻类生物质能源生产过程中从藻细胞内释放的磷回用于藻类培养,例如，将藻类生物质的厌氧消化液回用于藻类培养。但是，由于藻细胞具有较厚的细胞壁以及较高的蛋白质含量，其厌氧发酵过程的生物质转化效率并不会太高（Sialve et al.,2009），从而将导致磷的回收效率低下。此外，由于磷的回收过程将对藻类生物质进行复杂转化，最终得到的产物并不是单纯的氮磷营养盐，其中是否会含有抑制藻类生长的组分也仍然需要进一步研究。
由于磷末端回收的不确定性，因此在藻类生物质能源的生产过程中直接削减磷资源的消耗就显得十分必要。目前，藻类生物质的收获及转化工艺相对成熟，藻类生物质中油脂的提取效率可达70%以上（Lee et al.,2010），油脂的转化效率更是高达96%以上（Antolin et al.,2002）。因此，通过提升转化效率以降低磷资源的消耗，可操作空间非常有限。
通过提高油脂含量从而削减藻类生物质能源对磷资源的消耗量，这种方式的效果也是十分有限的。藻类生物质通常含有30%左右的总油脂（Sheehan et al.,1998），其油脂含量在不利的生长条件下往往能够得到提高，例如氮磷营养缺乏（Rodolfi et al.,2009）、高盐度（Azachi et al.,2002）或高光强条件下（Pruvost et al.,2008）。然而，这些提高油脂含量的方法往往会对藻类的生长产生抑制作用，降低生物质的总产量，最终反而降低了油脂的总产量（U.S. Department of Energy,2010; 胡洪营 等,2011）。并且，藻类生物质的总油脂中只有TAGs能够作为生物柴油的原材料，其在油脂中的含量波动较大，能够在8%~80%之间变化（Hu et al.,2008），这进一步降低了藻类油脂的有效含量。
与转化效率和油脂含量相比，单位磷的生物质产量能够在更大的范围内变化。这是由于藻细胞能够对培养液中的磷进行超富集，将大量的细胞外源磷吸收转化为存储于细胞内部的内源磷，使得细胞的内源磷含量远高于通常培养条件下1%左右的水平，从而导致较低的单位磷生物质产量； 而在培养液中的细胞外源磷耗尽的情况下，藻细胞也具备利用内源磷生长的能力，使得细胞磷含量下降至远低于1%，从而提高单位磷生物质产量。Powell等人（2009）在研究中发现，较高的外源磷浓度容易导致藻细胞对磷进行超富集，从而使得藻细胞的内源磷含量上升至约3.85%，对应的单位磷生物质产量仅为25.9kg·kg-1本书定义单位磷生物质/油脂/TAGs产量为每千克磷所产出的相应物质的质量。； 而在外源磷耗尽的磷饥饿状态下，藻细胞的内源磷含量下降至0.21%，对应的单位磷生物质产量高达476kg·kg-1，从而使得藻类生物质能源生产过程的磷资源消耗量仅为通常情况的20%左右。
综上所述，与提高转化效率和油脂含量相比，提高单位磷的生物质产量能够更加有效地降低藻类生物质能源的磷资源消耗。
1.2研究现状
1.2.1藻细胞对磷的吸收及储存
藻细胞对磷的吸收利用过程如图1.4所示。外源磷酸盐可通过自由扩散或主动运输穿过细胞膜，进入藻细胞（Borchard et al.,1968），再与二磷酸腺苷（Adenosine Diphosphate，ADP）反应生成三磷酸腺苷（ATP），参与到各种新陈代谢反应中。进入藻细胞的磷有两个主要的去向： 其一是合成
| ISBN | 9787302454328,7302454329 |
|---|---|
| 出版社 | 清华大学出版社 |
| 作者 | 巫寅虎 |
| 尺寸 | 16 |