核诱变改良微藻减排燃煤烟气中CO2的机理研究

通过核辐射诱变筛检固碳性能优异的突变藻种，利用微藻光合生长高效捕集燃煤烟气中大量CO2，对于我国节能减排和低碳经济具有重要意义。由于电厂燃煤烟气流量很大、CO2浓度高达15%、含有SO2/NOX/超细粉尘等污染物，故野生型微藻一般难以实现大规模高效率地减排如此大量CO2，迫切需要对微藻进行种质创新以提高减排烟气CO2效率。本项目提出采用γ射线对小球藻等典型藻种进行核辐射诱变，筛检选育出固碳效率高、生长速率快、烟气耐受性强的藻种突变体，通过基因测序揭示诱变藻种固碳酶基因改良的微观机理。设计膜式光合生物反应器促进诱变藻种的高密度快速生长，通过优化调控促进诱变藻种固定大流量高浓度CO2的热动力学反应机制，揭示燃煤烟气中SO2/NOX/超细粉尘等多种污染物对诱变藻种固碳反应的影响控制原理。使诱变藻种适宜生长的CO2浓度提高到15%，并且使微藻固定燃煤烟气中CO2转化为生物质能的效率提高100%。

利用微藻生长捕集燃煤烟气CO2对于我国节能减排和低碳经济具有重要意义。野生型微藻难以大规模高效率地减排烟气CO2，迫切需要对微藻进行种质创新以提高减排烟气CO2效率。本项目首次采用钴60-γ射线对野生型小球藻进行核辐射诱变，筛检选育出高效固碳的小球藻突变体，并利用烟气高浓度CO2对小球藻进行梯度驯化，通过调控代谢通路和优化生长条件提高了生长固碳速率，使小球藻的生物质产量由1.1g/L显著提高到5.4g/L。基因测序表明：小球藻在高浓度15%CO2下碳酸酐酶几乎为零，CO2不再通过传统输运形式（CO2→HCO3-→CO2）穿过细胞壁，而是在高浓度渗透压下直接进入细胞内部供给光合作用；同时控速光合作用的Rubisco酶活性显著提高，催化光合作用有力促进了固定CO2反应。本项目采用紫外光辅助双氧水将烟气污染物中NO污染物变害为宝，氧化为NO3-为微藻固定CO2补充氮源提高了微藻生长固碳速率。分析了烟气粉尘及重金属对微藻生长过程的影响机理，发现微藻吸附重金属后导致外表面粗糙度增大，外表面积由0.10增大到0.92-1.98 m2/g，但是内孔表面积由0.44减小到0.18m2/g。开发了闪光式跑道池和平板光合养藻反应器，优化反应器结构和藻液流动条件强化了闪光效应，增设扰流件使传质系数提高4.7%并且混合时间下降30.2%，优化曝气器减少气泡生成时间使微藻生长固碳速率提高了29%。基于以上研究成果，本项目已发表22篇SCI和EI期刊论文，其中SCI论文21篇、EI论文1篇，申请公开发明专利4项，培养博士研究生6名(其中3名已毕业)和硕士研究生4名(其中3名已毕业)，参加国际学术会议5次(其中国外5次)。