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西湖春色归，春水绿于染。北宋文学家欧阳修或许不懂生物学，但他的这句诗描绘出了藻类在自然界的生长状态。
春暖花开，气温上升，水中的藻类大量繁殖，随着水流来回飘荡，一江春水就染上了绿色。
随着人们对藻类的深入研究和利用，藻类也逐渐成为了社会发展的重要贡献者，其画风也越来越 “硬核”，从田间地头、高原山川、深海湖泊来到实验室，住进了瓶瓶罐罐，利用各类原料生产出各类产品，涉及农业、医药、工业等多个领域。
生辉 SynBio 特别邀请到了大连理工大学生物工程学院迟占有教授，来分享他与微藻有关的研究。
图丨迟占有（来源：受访者）
迟占有于 2004 年获得华东理工大学化学工程博士学位，先后在美国华盛顿州立大学、艾奥瓦州立大学从事博士后研究，2014 年加入大连理工大学生命学院，研究方向有先进光生物反应器开发、海洋碳中和技术、海洋环境修复和水体生态净化，以及海洋微生物高密度发酵生产健康食品等。
“碳池” 策略提高二氧化碳利用率
微藻最早的应用领域是生物燃油，在上世纪 70 年代，美国就开始了相关研究。90 年代的一份研究报告指出，利用开放池系统的微藻生产生物燃油的价格大约在 160 美金一桶，随着技术的改进，预计成本能够降到 100 美金一桶。但当时的石油价格在 20-30 美金一桶，微藻生物燃油显然没有竞争力。
时间来到 2008 年左右，石油价格飙升至 140 美元左右一桶，人们重新关注到上述报告，相比而言，微藻生物燃油 100 美金一桶的价格着实诱人。
图丨微藻生产生物燃油过程（来源：受访者， DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.146445）
“但实际上这份报告估计得太过乐观，时至今日生物燃油价格仍然无法做到 100 美金一桶。” 迟占有告诉生辉 SynBio，“在整个微藻领域，研究者做了很多工作，但成本问题一直没有大的突破。 微藻的光合作用效率要比大豆高出许多，但是生产成本却比大豆贵，比如螺旋藻的成本大约是 2 万元一吨，大豆约为 2000 元一吨。”
优化生物合成线路提高生产效率是一种降低成本的方法，而迟占有课题组更多地从工程角度去解决成本问题，提出了 “充分利用自然资源” 这一思路。
“微藻生物质干重的 50% 都是碳元素，因此培养时需要供应大量二氧化碳。陆生植物可以通过叶片的气孔从空气里面捕获二氧化碳，但微藻生活在水中，无法做到这一点，培养时需要人工提供高浓度的二氧化碳。”
迟占有介绍道，“传统培养过程采用鼓泡通气的供碳方式，二氧化碳利用率一般不会超过 5%，通常情况下连 1% 都到不了， 此外二氧化碳的收集、浓缩、纯化、运输也都是成本。” 基于上述问题，他提出了 “碳池” 这一策略。
“在盐碱湖中生存的微藻，无需人工干预，其自身的生产效率就可以达到很高的水平，原因可能是盐碱湖中含有高浓度的碳酸氢钠，可以不断地为微藻供碳；一些淡水藻类在进化过程中，也进化出了碳浓缩机制，可以吸收水中的二氧化碳，将其转化为碳酸氢根，存储在细胞质中。”
分析之后，迟占有认为可以利用碳酸氢盐为微藻供碳， 简单来说，“碳池” 就像一个蓄水池，先将二氧化碳储存起来，以便随时可以使用，碳酸氢盐可以作为二氧化碳的载体，释放二氧化碳之后变成碳酸盐，碳酸盐还可以吸收二氧化碳变成碳酸氢盐，如此循环往复。
充分利用自然资源的漂浮式光反应器
除了供碳步骤，微藻的培养装置也是很重要的一环。
迟占有告诉生辉 SynBio，微藻与微生物发酵罐设计思路有所不同，后者经历了多年的发展，技术已经十分成熟，微生物可以利用有机碳如葡萄糖、淀粉等，进行高效的生物发酵，而且对于微生物来说，有机碳既可以作为碳源也可以作为能源，但是微藻培养的碳源和能源是分开的，碳源是二氧化碳或者碳酸氢盐，能源是光。
“人工光的成本非常高，如果用来生产低值的大宗产物，是不划算的，所以还是要考虑使用太阳光。” 因此迟占有团队开发了利用海洋波浪能的漂浮式光反应器。
图丨漂浮式光反应器示意图（来源：大连理工大学生物工程学院）
除了利用太阳光之外，这款反应器也充分利用了各类自然资源，“充分混合微藻也是提高生产效率的一种方法，海浪的起伏可以起到搅拌的作用， 如果使用火电，其消耗的能量要高于生产出的生物质蕴含的能量；在海上培养微藻的另一个优势就是便于培养温度的控制， 因为海水的温度是相对恒定的。”
“此外，藻类培养还可以与水产养殖业相结合， 例如双壳贝类主要的饵料就是微藻，再比如‘绿水养殖’就需要在水中种一些微藻，漂浮式光反应器在这些场景中具有优势，它可以直接原位投放微藻，保证藻种和饵料的鲜活。”
结合 “碳池” 策略，迟占有团队目前已经开发了多个适用于漂浮式光反应器的藻类品种。
迟占有还表示，提高藻类对二氧化碳的利用率，对于 “碳达峰、碳中和” 也具有重要意义， 据估计，减排 1 万吨的二氧化碳，培养藻类大概需要 1 平方公里的土地或者空间去实现，而土地资源是比较稀缺的，但海洋空间还没有被充分利用。
以饲料蛋白为例，目前中国的大豆蛋白 85% 以上依赖进口，如果想要实现进口替代，大概需要 6 亿亩的耕地，而中国的耕地红线是 18 亿亩，目前可用耕地面积仅比 18 亿亩多一点，显然无法再划分出 6 亿亩耕地种植大豆，因此利用海洋空间养殖微藻生产饲料蛋白是一个很好的替代方式，具有重大战略意义。
成本问题仍然限制微藻行业发展
微藻行业有很大的市场空间，根据 Credence Research 的数据，2018 年全球藻类产品市场价值 339 亿美元，预计到 2027 年将达到 565 亿美元，从 2019 年到 2027 年的复合年增长率为 6.0%。
在产业端，近五年来全球藻类初创公司如雨后春笋般出现，仅在 2021 年 12 月，澳大利亚藻类合成生物学和生物制造公司 Provectus Algae 在 Pre-A 轮融资中筹集了 1140 万美元，基于清华大学团队的微藻生物合成公司北京元育生物科技有限公司也完成了数千万元的 Pre-A 轮融资。
图丨微藻生产成本决定产品规模（来源：受访者）
但目前微藻行业发展仍然受制于成本（如图）， 类比大豆产业，大豆可以做食品、饲料、蛋白、燃油等不同附加值的产物，前提是成本足够低（2元每公斤）。迟占有告诉生辉 SynBio，目前生产成本最低的是螺旋藻，约为 20 元每公斤，主要应用是保健品，但市场规模较小，如果成本可以降到 10 元每公斤，便可以用于生产微藻饲料替代鱼粉饲料，含油微藻如果成本降到 2 元每公斤就可以用于生产生物燃油，随着成本的降低，其市场规模是不断扩大的。
“鱼粉的市场需求大约是每年 500 万吨，按照每吨 1 万元的价格计算，全球市场规模大约是 500 亿，实际上饲料行业对鱼粉蛋白的需求远远不止 500 万吨，只是因为全球海洋的捕捞量到了极限的情况下，只能产出 500 万吨的鱼粉，据我们估计，其真实需求至少有 1000 万吨，也就是至少有 1000 亿的市场。”
因此，迟占有认为，成本问题仍然是研发的重点，改变供碳方式、改进光生物反应器的设计、充分利用自然界中的免费能源、减少人力成本等等，都可以进一步降低微藻生产的成本。
“微藻最大的优势是可以直接利用二氧化碳和太阳光生产生物工程产品，而微生物发酵通常是以光合作用的产物（糖类）为原料，相当于绕了一个圈子，如果微藻成本问题能够解决，有望替代发酵方法生产各类生物工程产品。 ”
参考文献：
http://www.allpeptide.com/paper/6193.html
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