【正文】 征方法；確定能源微藻細(xì)胞特性對不同采收、破壁、油脂提取及生物柴油制備方法與效率的影響規(guī)律；針對不同能源微藻細(xì)胞特征及油脂組成，建立采收、破壁、油脂提取與生物柴油制備系統(tǒng)的集 3 3 成與優(yōu)化方法。 2. 五年預(yù)期目標(biāo) （ 1）闡明優(yōu)良種（株）的選育原理；建立可 在戶外進(jìn)行 規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)的能源微藻藻種的綜合評價體系；建立適合于我國不同地域、不同季節(jié)以及不同CO2 氣源與氮磷廢水資源光自養(yǎng)培養(yǎng) 且 具有 我國 自主知識產(chǎn)權(quán)的能源微藻種（株）庫和共享信息平臺。 （ 2） 以 可規(guī)模化培養(yǎng)的 典型 能源微藻為對 象，闡明光合作用、固碳、油脂合成與積累的 主要 機(jī)制及其調(diào)控原理，建立能源微藻全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型；實(shí)現(xiàn)能源微藻光合、固碳油脂合成與積累網(wǎng)絡(luò)的改造，提高能源微藻光合、固碳和油脂積累效率；發(fā)掘 35 個關(guān)鍵調(diào)控因子，獲得 510 個生長快、高產(chǎn)油脂的轉(zhuǎn)基因株系。 （ 6）構(gòu)建微藻 能源 規(guī)?；?制備 系統(tǒng) 的 研究平臺 （生物柴油年生產(chǎn)能力達(dá)到10 噸級） ，建立 微藻 能源 規(guī)?；?制備 系統(tǒng) 的 集成與優(yōu)化方法 ，為我國微藻能源的產(chǎn)業(yè)化提供科學(xué)理論和技術(shù)基礎(chǔ)。制約微藻 能源 形 成規(guī)?；母驹蚴?，微藻細(xì)胞生物學(xué)規(guī)律的基本科學(xué)問題和規(guī)?；^程所涉及的培養(yǎng)與能源產(chǎn)品加工及系統(tǒng)集成優(yōu)化方面的工程科學(xué)問題，未得到深入系統(tǒng)的闡明。首先從戶外規(guī)模培養(yǎng)對藻種性能的要求出發(fā)，選育 出可在不同條件下規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻藻種（株），闡明能源微藻的 藻種 選育原理并建立綜合評價體系；然后以具有規(guī)?；囵B(yǎng)前景的能源微藻（如小球藻等）為對象，開展其代謝網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)生物學(xué)研究，闡明微藻細(xì)胞代謝規(guī)律，以期為通過環(huán)境條件調(diào)控及分子生物學(xué)改造等手段進(jìn)一步提高能源微藻的效率提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 5 5 圖 2 本項目的學(xué) 術(shù)思路 2．技術(shù)途徑 本項目所涉及的技術(shù)途徑如圖 3 所示。對于通過誘變篩選等方法所確定的可規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻藻種，其效率的進(jìn)一步提高，依賴于對其胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知與重構(gòu)。 本項目擬采 用系統(tǒng)生物學(xué)思 路 重構(gòu)可規(guī)模 化 培養(yǎng) 、且 全基因組序列 明晰 的能源微藻全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型， 通過干試驗(yàn)（ dry experiment，即模型計算與代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)）和濕實(shí)驗(yàn)（ wet experiment，即具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）相結(jié)合，從以往的假設(shè)驅(qū)動（ hypothesisdriven）研究模式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動（ datadriven）模式，從而可高效系統(tǒng)地研究 光合固碳、油脂合成 與 積累等能源微藻關(guān)鍵代謝途徑 及其變化規(guī)律 ， 為 甄別關(guān)鍵調(diào)控因子 并通過基因改造 顯著提高能源微藻 產(chǎn) 油率 奠定重要的理論基礎(chǔ)，也可為微藻規(guī)模化培養(yǎng)過程中的物質(zhì)與能量代謝調(diào)控提供理論指導(dǎo)。因此，能源微藻 代謝網(wǎng)絡(luò)對 外部 環(huán)境 及 光生物反應(yīng)器內(nèi)的流場 特性（特別 是光照方向的混合特性） 的應(yīng)答機(jī)制 極其復(fù)雜，使得目前的光生物反應(yīng)器設(shè)計及微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)工藝優(yōu)化放大仍以經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏理論指導(dǎo)。 從文獻(xiàn)報道看，目前還沒有濕藻→油脂→生物柴油工藝過程的報道。針對非油脂組分含水量高這一特點(diǎn)，對于活性成分含量低的，分別采用厭氧發(fā)酵、 水相熱解 、與煤混合形成水煤漿直接氣化等方法實(shí)現(xiàn)其能源化利用； 對于活性成分含量高的，則通過生物分離提取方法實(shí)現(xiàn)其高值化利用。 ４ . 取得重大突破的可行性分析 9 9 （ 1）具備了開展微藻 能源 研究的先進(jìn)技 術(shù)平臺。所針對的研究對象是微藻 能源 規(guī)模化 制備 過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，這些關(guān)鍵點(diǎn)的突破有助于為本項目的研究提供基 礎(chǔ)參數(shù)。擁有 7 個開展該領(lǐng)域相關(guān) 的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、 4 個國家級研究中心和 9 個國家重點(diǎn)學(xué)科，先后獲得 6 項國家技術(shù)發(fā)明及科技進(jìn)步獎 及國家自然科學(xué)獎 2 項 ，在國際上已經(jīng)取得一定影響；這支研究隊伍和我國微藻能源的產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)形成良好的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，通過基礎(chǔ)研究獲得的研究成果 將直接應(yīng)用于 產(chǎn)業(yè) 化技術(shù) 開發(fā)。 11 11 課題 1 能源微藻優(yōu)良藻種 ( 株 ) 選育原理與綜合評價體系 課題 2 能源微藻光合固碳和 油脂積累的代謝網(wǎng)絡(luò)及 系統(tǒng)生物學(xué)研究 課題 4 能源微藻 規(guī)?；? 光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的 環(huán)境 響應(yīng) 、優(yōu)化及放大原理 課題 3 基于光照方向混合及 光衰減特性 的光 生物反應(yīng)器 設(shè)計與放大 原理 課題 5 能源微藻采收、油脂提取 及生物柴油制備原理與方法 課題 6 非油脂組分資源化 利用優(yōu)化 及微藻 能源 規(guī)?；到y(tǒng)集成 關(guān)鍵科學(xué)問題 1 能源微藻胞內(nèi)代謝及 油脂合成與積累的 系統(tǒng)生物學(xué)機(jī)制 關(guān)鍵科學(xué)問題 2 能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng) 培養(yǎng)的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化 及環(huán)境調(diào)控規(guī)律 關(guān)鍵科學(xué)問題 3 微藻能源規(guī)?；?加工 及系統(tǒng) 集成 優(yōu)化原理 圖 4 各課題相互關(guān)系及各課題對解決科學(xué)問題的貢獻(xiàn) 12 12 四、年度計劃 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1. 藻種庫藻種篩選及野外藻種采集，構(gòu)建微藻篩選基礎(chǔ)庫；進(jìn)行富油細(xì)胞高通量篩選、高通量培養(yǎng)與快速系統(tǒng)評價的方法學(xué)研究，通過比較分析，確定項目統(tǒng)一的能源微藻評價體系；篩選和評價能源微藻。 3. 采用 CFD 技術(shù)，對氣 — 液 — 固三相的跑道池、園池進(jìn)行 CFD 大渦模擬，及能源微藻的閃光效應(yīng)、光譜特性研究 。 4. 發(fā)現(xiàn)并鑒定主要環(huán)境因子作用下的脂代謝標(biāo)志物 23 個，初步了解環(huán)境因子誘導(dǎo)微藻中脂類過量合成機(jī)制；初步建立能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)過程培養(yǎng)過程動力學(xué)模型；掌握 CO2基本傳遞過程。 7. 明確本課題各研究內(nèi)容的研究方案，完善技術(shù)路線。 6. 研究幾種采收方法對藻細(xì)胞采收效率的影響規(guī)律及其影響機(jī)制。 10. 建立高通量的分析系統(tǒng)對所選藻種包含的高值副產(chǎn)品進(jìn)行分析。 培養(yǎng)博士生 1 名，碩士生 23 名 。進(jìn)一步研究小球藻和微擬球藻的遺傳操作系統(tǒng)，獲得新型有自有知識產(chǎn)權(quán)的遺傳操作系統(tǒng)。結(jié)合CFD、 LDA 結(jié)果及閃光效應(yīng)，提出新型優(yōu)化光反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理，并通過自養(yǎng)培養(yǎng)對原反應(yīng)器進(jìn)行評價 。 7. 明確培養(yǎng)條件對高值產(chǎn)品在藻 15 15 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 特性研究；結(jié)合 CFD 計算、 LDA測試對光反應(yīng) 器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對原反應(yīng)器進(jìn)行評價 。 7. 研究培養(yǎng)條件對高值產(chǎn)品在藻細(xì)胞中含量的影響 。 11. 整合微藻生產(chǎn)油脂系統(tǒng)的各關(guān)鍵過程，并開發(fā)系統(tǒng)模型，進(jìn)行質(zhì)量平衡和能量平衡計算。 9. 獲得藻渣添加比例等對水煤漿固含率、流變性、穩(wěn)定性和霧化性能影響規(guī)律。 2. 以光能和 CO2等為限制性基質(zhì)開展藻細(xì)胞生理特性的化學(xué)計量學(xué)和動力學(xué)研究，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄物組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)，研究高光效突變體光合途徑的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制，循環(huán)光合磷酸化及光合放氧機(jī)理，并闡析光合電子傳遞、光化學(xué)與非光化學(xué)淬滅等生理過程的分子基礎(chǔ)；研究 CO2 加富對 CO2 固定效率的影響、固碳關(guān)聯(lián)酶與碳酸鹽系統(tǒng)變化，闡明碳固定、濃縮及利用分子機(jī)制及環(huán)境脅迫下的固碳過程的分子基礎(chǔ)。 2. 解析能源微藻高效光能轉(zhuǎn)化機(jī)制，闡明最優(yōu)光能利用與光合固碳關(guān)聯(lián)模式， 發(fā)現(xiàn)若干個可能與能源微藻光合固碳、生長生理、油脂合成和環(huán)境及營養(yǎng)條件響應(yīng)相關(guān)的調(diào)控基因 ，初步形成能源微藻影響光合固碳和油脂積累的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 。 17 17 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 規(guī)律 。 9. 全生命周期相關(guān)模型和軟件的設(shè)計 。 8. 初步完成藻渣與煤共氣化過程中氮、磷元素的遷移規(guī)律。 第 四 年 1. 對小球藻、三角褐指藻等優(yōu)良藻株進(jìn)行比較基因組學(xué)研究，通過基因組再測序并與參考序列比較，甄別可規(guī)模化培養(yǎng)的優(yōu)良能源微藻藻株及其改良藻株的遺傳差異，闡明優(yōu)良生產(chǎn)性狀遺傳基礎(chǔ)，為基因工程改造提供基礎(chǔ)。 4. 完成主要環(huán)境因子作用下的脂代謝標(biāo)志物 23 個的鑒定，全面 18 18 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 藻株應(yīng)用的可行性。 6. 研究能源微藻高效低成本、易放大轉(zhuǎn)化生物柴油工藝優(yōu)化原理。 10. 針對模型進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析的適應(yīng)性優(yōu)化；為生命周期分析提供基礎(chǔ)模型和數(shù)據(jù)庫，并 建立能源微藻規(guī)?；苽涞娜嬷芷诜治銎脚_ 。 7. 獲得藻渣加入比例對氣化性能影響規(guī)律。 11. 在 SCI 和 EI 期刊上發(fā)表論文2834； 申請專利 711 項 ； 培養(yǎng)23 名博士研究生和 68 名碩士研究生 。 3. 全面完成環(huán)境因子對能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的調(diào)控與響應(yīng)規(guī)律；完成能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程計量學(xué)、過程特征及動力學(xué)的研究；全面能源微藻培養(yǎng)體系CO2 吸收 規(guī)律及其與培養(yǎng)過程的耦合任務(wù)