FMT150在藻類生物質能源研究中的應用

開發藻類生物質能源是新能源戰略的重要議題，不僅可以生產新能源替代石油化石能源，還可以固定碳，因此對碳中和具有重要意義，目前世界上多國均已經開展相關研究。

FMT150是將光生物反應器技術與藻類生理監測技術結合起來的系統，集成了目前幾乎所有主要的藻類在線培養與生理監測技術，不僅可以精確控制溫度、光質、光強、培養周期等，還可同時在線監測溫度、PH值、溶解氧、光密度、葉綠素熒光等參數，本期摘選相關案例分享給各位讀者。

1 重組光合作用：一種在細胞內產生H₂的光系統I-氫化酶嵌合體

Andrey Kanygin等人（2020）選取萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）作為實驗對象，利用基因手段，將藻類氫化酶表達到光系統I的PsaC蛋白上，形成光系統I-氫化酶嵌合體，阻斷并改變光合電子傳遞鏈走向，使之產生更多的氫氣。

根據研究需要，作者將萊茵衣藻分為3個類型，分別是野生型（WT），缺乏內源性氫化酶的突變體（hydA），以及含有氫化酶表達的ΨH1，從下圖中可以看出，在6小時黑暗環境下，hydA型萊茵衣藻產生的氫氣幾乎可以忽略不計，ΨH1產生的氫氣約為WT的60%，這說明重組后的光系統I-氫化酶嵌合體*可以從供體Fd接受電子；在光照條件下最初的1小時WT產生氫氣的平均速率為28 ± 8 µmol H₂ h^-1 (mg Chl)^-1，之后很快降到可以忽略不計的水平，hydA沒有氫氣產生，ΨH1則在6小時內以25 ± 6 µmol H₂ h^-1 (mg Chl)^-1的速率持續產生氫氣。

在該實驗中，研究人員使用FMT150培養和控制藻類生長，并利用膜入口質譜儀（MIMS）檢測藻液中氫氣和氧氣在接受光照時的瞬間變化。

2 可持續生物烷烴氣體生產和可再生能源的低碳戰略

鑒于當前和今后嚴峻的能源危機和碳排放因素，Mohamed Amer和清華大學陳國強等人（2020）利用FMT150作為培養和反應容器，對工業菌株大腸桿菌（E. coli）、嗜鹽單胞菌（Halomonas）、集胞藻（Synechocystis）所產生的丙烷和丁烷氣進行研究，并構思出適用于發達和發展中國家可持續生物烷烴氣體生產和可再生能源的量產流程圖。

3 用于室外光生物反應器的微藻油生產開發

Norsker等人（2021）對微擬球藻屬（Nannochloropsis sp.）在內的10種藻類的微藻油產量進行中試規模研究和篩選，以總脂肪酸 (TFA) 濃度和體積TFA生產率作為重要的衡量指標，結果表明TFA 濃度范圍為5至40% DW，而TFA產率范圍為0至204 mg TFA L^-1 day^-1。

為了確定最小接種生物量密度，研究人員以FMT150作為反應容器，通過逐步提高光照和稀釋直到量子產額QY和稀釋率接近0為止，從下表可以看出相較于210 μmol photons m^?2 s^?1，300 μmol photons m^?2 s^?1 35 °C條件下其稀釋率和量子產額均明顯降低，因此得出后者為最大允許培養條件的結論。

部分參考文獻

1.Kanygin A, et al. 2020. Rewiring photosynthesis: a photosystem I-hydrogenase chimera that makes H2 in vivo. Energy & Environmental Science 13: 2903-2914.

2.Amer M, et al. 2020. Low Carbon Strategies for Sustainable Bio-alkane Gas Production and Renewable Energy. Energy & Environmental Science 13(6): 1818-1831.

3.Norsker NH, et al. 2021. Developing microalgal oil production for an outdoor photobioreactor. Journal of Applied Phycology. doi: 10.1007/S10811-021-02374-7.

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