【正文】 探索油脂及其他儲(chǔ)存性化合物合成機(jī)制及調(diào)控：包括微藻光合作用所獲取的能量及碳硫的分配；微藻中不同類油脂的合成途徑及增加油脂合成的策略；淀粉 等儲(chǔ)存性化合物合成機(jī)制及與油脂合成的關(guān)系；微藻細(xì)胞內(nèi)油脂和儲(chǔ)存性化合物的調(diào)控機(jī)制等；闡述培養(yǎng)條件及環(huán)境因素對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂合成的影響：包括營(yíng)養(yǎng)條件影響細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂合成的分子作用機(jī)理；微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中理化條件對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂合成的影響等。 10. 逐步馴化沼氣生產(chǎn)菌種對(duì)藻渣等營(yíng)養(yǎng)的利用，并對(duì)其培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化 。 5. 確定能源微藻不同油脂組成特征對(duì)甲酯化過程的影響規(guī)律并解析其機(jī)制 。 3. 提出基于微藻代謝的過程優(yōu)化控制方法，形成技術(shù)方案；開始進(jìn)行規(guī)模培養(yǎng)示范；并對(duì)優(yōu)化反應(yīng)器進(jìn)行逐級(jí)放大并通過自養(yǎng)培養(yǎng)驗(yàn)證，得到放大規(guī)律。 10. 建立能源微藻規(guī)?；苽涞娜嬷芷诜治銎脚_(tái) 。 6. 完成課題驗(yàn)收工作。 4. 采用恒化培養(yǎng)和同位素 13C 標(biāo)記等方法研究典型能源微藻（如小球藻等）不同環(huán)境條件 （光強(qiáng)與細(xì)胞密度、 CO2濃度與 pH、溫度、 N 等營(yíng)養(yǎng)物）下的光自養(yǎng) 培養(yǎng)過程以 及生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變（如異養(yǎng)轉(zhuǎn)光自養(yǎng)）時(shí)基因組、轉(zhuǎn)錄組和脂組等的差異和變化規(guī)律； 采用組學(xué)及 13C 標(biāo)記等手段，結(jié)合所構(gòu)建的微藻全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型，研究重要環(huán)境影響因子條件下的碳代謝和油脂累積的規(guī)律，闡析環(huán)境優(yōu)化及脅迫條件下的代謝過程特征和細(xì)胞與環(huán)境相互作用機(jī)制；采用恒化培養(yǎng)或批培養(yǎng)方法開展不同環(huán)境條件下的細(xì)胞宏觀代謝流研究，獲得細(xì)胞生長(zhǎng)與油脂累積過 程動(dòng)力學(xué)模型；研究既是碳源又是酸度平衡調(diào)節(jié)物的 CO2 的吸收規(guī)律及其與培養(yǎng)過程的耦合調(diào)控方法；采用恒化培養(yǎng)或批培養(yǎng)方法， 對(duì) 微藻 光自養(yǎng) 培養(yǎng)過程 的 在線參數(shù) （如 pH、溫度、 CO2濃度等）、在線生理參數(shù) （ 如 在線 CO2固定速率、 O2 釋放速率、細(xì)胞呼吸強(qiáng)度等）、離線參數(shù) （ 如細(xì)胞密度、油脂含量等 ） 進(jìn)行相關(guān)性分析，形成多尺度參數(shù)分析方法；在 重構(gòu)全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合宏觀代謝流多尺度分析方法，建立適于微藻細(xì)胞培養(yǎng)過程優(yōu)化的新方法；研究基于 微 藻細(xì)胞生理、光照方向混合及光衰減特性相結(jié)合的光自養(yǎng)培養(yǎng)過程放大方法，為規(guī)?；?源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程放大提供理論基礎(chǔ)。采用 PIV 和 LDA 等測(cè)試技術(shù)，進(jìn)行混合特性模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模擬方法的修正。 5. 確定高值產(chǎn)品的理化特性和可能的應(yīng)用市場(chǎng) 。 6. 初步完成獲取高值產(chǎn)品和油脂的分離技術(shù) 。 10. 在 SCI 和 EI 期刊上發(fā)表論文3446； 申請(qǐng)專利 914 項(xiàng) ； 培養(yǎng)12 名博士研究生和 1213 名碩士研究生 。 5. 研究油水共存條件下高效轉(zhuǎn)化微藻油脂合成生物柴油的作用1. 測(cè)試 24株優(yōu)良藻株的抗逆能力和戶外實(shí)際油脂得率 。 6. 研究用于微藻細(xì)胞壁的不同的生物催化反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)過程。 10. 發(fā)表 SCI 或 EI 收錄論文 13～ 18篇 ， 申請(qǐng)專利 24 項(xiàng)。 3. 計(jì)算獲得跑道池、園池中的湍動(dòng)能、上下混合、流場(chǎng)等混合 特性。緊緊圍繞微藻 生物能源 規(guī)模化 制備 過程中所面臨的困境，提出了 3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題及 6 個(gè)研究課題。 能源微 藻規(guī)?；?光自養(yǎng)培養(yǎng)過程 ， 面臨著 復(fù)雜 多變的外部環(huán)境 ，光生物反應(yīng)器內(nèi)的光分布具有時(shí)空非線性變化特性，且微藻 細(xì)胞之間 也存在著一定的 相互 作用。 第一個(gè)層 面主要以藻種選育及細(xì)胞本身基礎(chǔ)代謝規(guī)律與調(diào)控機(jī)制發(fā)現(xiàn)為主要研究?jī)?nèi)容 。 （ 2） 以 可規(guī)模化培養(yǎng)的 典型 能源微藻為對(duì) 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(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子，獲得 510 個(gè)生長(zhǎng)快、高產(chǎn)油脂的轉(zhuǎn)基因株系。 5 5 圖 2 本項(xiàng)目的學(xué) 術(shù)思路 2．技術(shù)途徑 本項(xiàng)目所涉及的技術(shù)途徑如圖 3 所示。 從文獻(xiàn)報(bào)道看，目前還沒有濕藻→油脂→生物柴油工藝過程的報(bào)道。擁有 7 個(gè)開展該領(lǐng)域相關(guān) 的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、 4 個(gè)國(guó)家級(jí)研究中心和 9 個(gè)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，先后獲得 6 項(xiàng)國(guó)家技術(shù)發(fā)明及科技進(jìn)步獎(jiǎng) 及國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng) 2 項(xiàng) ，在國(guó)際上已經(jīng)取得一定影響；這支研究隊(duì)伍和我國(guó)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)。 7. 明確本課題各研究?jī)?nèi)容的研究方案，完善技術(shù)路線。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(shí)產(chǎn)權(quán)的遺傳操作系統(tǒng)。 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(jì)算。 17 17 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 規(guī)律 。 4. 完成主要環(huán)境因子作用下的脂代謝標(biāo)志物 23 個(gè)的鑒定，全面 18 18 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 藻株應(yīng)用的可行性。 11. 在 SCI 和 EI 期刊上發(fā)表論文2834； 申請(qǐng)專利 711 項(xiàng) ； 培養(yǎng)23 名博士研究生和 68 名碩士研究生 。 21 21 一、研究?jī)?nèi)容 1. 采用組合流式細(xì)胞儀分選和高通量篩選或組合混合富集培養(yǎng)、細(xì)胞分選和高通量篩選等組合方法，從自然環(huán)境和已有藻種資源分離篩選出具有速生長(zhǎng)、高含油、適應(yīng)不同氣候、不同培養(yǎng)體系、不同 CO2氣源、耐低 pH、高效利用氮磷廢水等多樣化特征的優(yōu)良藻種。 5. 針對(duì)能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)過程中細(xì)胞特性的多樣化，引入細(xì)胞大小、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞膜組成、細(xì)胞膜電荷、細(xì)胞膜表面極性等參數(shù)，對(duì)能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)過程中細(xì)胞特性進(jìn)行表征，建立能源微藻細(xì)胞特性表征的方法；以此為依據(jù)，考察不同藻種、不同培養(yǎng)工藝等 情況 下微藻細(xì)胞特性的變化規(guī)律，為后續(xù)加工工藝的優(yōu)化與建立提供理論依據(jù)；研究 藻細(xì)胞密度、藻細(xì)胞形態(tài)及其易變性、大小、表面電荷等不同的物理特性 ，對(duì)各種方法的采收效率的影響規(guī)律及其機(jī)制，建立高效低成本、易放大采收工藝優(yōu)化方法；研究細(xì)胞膜強(qiáng)度 及 水含量，對(duì)各種方法破壁效率的影響規(guī)律，建立 高效低成本、易放大的破壁工藝優(yōu)化方法 ；研究油脂組成對(duì)各種方法提取效率的影響規(guī)律，建立 高效低成本、易放大的油脂提取工藝優(yōu)化方法 ；設(shè)計(jì)并構(gòu)建 油脂 到生物柴油的反應(yīng) /分離耦合過程，研究油水共存條件下高效轉(zhuǎn)化微藻油脂合成生物柴油的作用規(guī)律，包括三甘酯的轉(zhuǎn)化，單甘酯、二甘酯和甲酯的變化規(guī)律及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，研究生物柴油轉(zhuǎn)化過程中甘油的產(chǎn)生規(guī)律，達(dá)到甘油在線分離，實(shí)現(xiàn)生物柴油合成和甘油分離耦合的集成，為高效 、 低成本、易放大 的微藻 生物柴油 制備 工藝 的建立 奠定基礎(chǔ)。 3. 采用 CFD 多尺度模擬技術(shù)和多尺度離散化超級(jí)并行計(jì)算機(jī)群系統(tǒng)，對(duì)不同類型光生物反應(yīng)器（如敞開式跑道池及圓池、封閉式平板光生物反應(yīng)器及管道式光生物反應(yīng)器等）內(nèi)部氣 液 固三相體系的混合特性等進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得不同混合條件下的流體混合特性參數(shù)。 4. 全面完成關(guān)鍵環(huán)境因子作用下的脂代謝標(biāo)志物，揭示環(huán)境因子誘導(dǎo)微藻中脂類過量合成與響應(yīng)機(jī)制；給出能源微藻規(guī)模化光自養(yǎng)過程培養(yǎng)過程動(dòng)力學(xué)模型；闡明能源微藻培養(yǎng)體系 CO2吸收過程的放大規(guī)律；建立基于重構(gòu)全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型與多尺度分析方法相結(jié)合的能源微藻 20 20 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 究成果，編寫總結(jié)報(bào)告，進(jìn)行課題驗(yàn)收工作。 5. 建立采收、破壁、油脂提取與生物柴油制備系統(tǒng)的集成與優(yōu)化方法。 完成全生命周期相關(guān)模型和軟的設(shè)計(jì) 。 4. 基本完成環(huán)境因子對(duì)能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的調(diào)控與響應(yīng)規(guī)律研究；完成能源微藻培養(yǎng)體系CO2 吸收與培養(yǎng)過程耦合規(guī)律；基本完成能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程優(yōu)化方法；進(jìn)行室外微藻規(guī)?；囵B(yǎng)和中試論證。 5. 綜合考察藻種及培養(yǎng)工藝對(duì)微藻細(xì)胞特性變化的影響規(guī)律 。 9. 完成熱模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及取樣與測(cè)試平臺(tái)的改造、搭建與測(cè)試。 2. 完成 12種優(yōu)質(zhì)能源微藻的代謝網(wǎng)絡(luò)模型的重構(gòu)；發(fā)現(xiàn)若干個(gè)可能與能源微藻光合固碳相關(guān)的調(diào)控基因；建立和完善能源微藻的遺傳操作系統(tǒng)。 （ 2）研究?jī)?nèi)容重點(diǎn)突出，研究對(duì)象明確，目標(biāo)切實(shí)可行。 （ 2）新策略：基于微藻能量和物質(zhì)代謝 特征 的高效 光生物 反應(yīng)器設(shè)計(jì)及 培養(yǎng) 工藝 優(yōu)化 放大 微藻的 低成本、 大規(guī)模培養(yǎng)是 實(shí)現(xiàn) 微藻 能源產(chǎn)業(yè)化 的關(guān)鍵 環(huán)節(jié)。 本項(xiàng)目的具體學(xué)術(shù)思路：從胞內(nèi)代謝認(rèn)知、規(guī)模培養(yǎng)、能源產(chǎn)品加工及系統(tǒng)集成優(yōu)化三個(gè)層面進(jìn)行深入研究，如圖 2 所示。 （ 3）建立不同類型光生物反應(yīng)器的混合特性及光分布特性參數(shù)的 CFD 模擬方法；確定能源微藻在光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)的混合特性及光分布特性方面的敏感性參數(shù)；建立不同類型光生物反應(yīng)器的評(píng)價(jià)方法，確定適合于能源微藻規(guī)模培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器類型；建立基于光照方向混合及光衰減 特性的光生物反應(yīng)器優(yōu)化方法以及光生物反應(yīng)器的放大準(zhǔn)則。以微藻 能源 規(guī)