【正文】 通過(guò)分析微藻能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和運(yùn)輸、季節(jié)環(huán)境條件影響等過(guò)程中的能量平衡，從微藻能源生產(chǎn)過(guò)程中各單元能量的投入與產(chǎn)出、 CO2排放、廢水排放等角度綜合考慮，對(duì)微藻能源生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全生命周期分析，評(píng)價(jià)其過(guò)程經(jīng)濟(jì)性，為推進(jìn)微藻能源的規(guī)?；M(jìn)程奠定基礎(chǔ)。 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(guò)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(guò)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(kāi)展不同環(huán)境條件下的細(xì)胞宏觀(guān)代謝流研究，獲得細(xì)胞生長(zhǎng)與油脂累積過(guò) 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(guò)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(guò)程 的 在線(xiàn)參數(shù) （如 pH、溫度、 CO2濃度等）、在線(xiàn)生理參數(shù) （ 如 在線(xiàn) CO2固定速率、 O2 釋放速率、細(xì)胞呼吸強(qiáng)度等）、離線(xiàn)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(guān)代謝流多尺度分析方法，建立適于微藻細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)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(guò)程放大方法，為規(guī)?；?源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)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。結(jié)合公共基因組序列和代謝途徑數(shù)據(jù)庫(kù)，重構(gòu)全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型，甄別能源微藻光合固碳和油脂合成與積累的調(diào)控因子 。通過(guò)比較基因組學(xué)研究，解析可工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)藻種優(yōu)良株系優(yōu)良性狀的遺傳基礎(chǔ)。 6. 完成課題驗(yàn)收工作。 5. 確定高值產(chǎn)品的理化特性和可能的應(yīng)用市場(chǎng) 。 2. 構(gòu)建 57 株生長(zhǎng)快速、高效積累油脂的轉(zhuǎn)基因株系，轉(zhuǎn)基因株系至少要在戶(hù)外小試水平上提高10%以上。 2. 整合能源微藻光合固碳和油脂積累系統(tǒng)生物學(xué)研究全面開(kāi)展構(gòu)建高油脂合成、高光效的轉(zhuǎn)基因株系，探索能源微藻工程藻株應(yīng)用的可行性。 10. 建立能源微藻規(guī)?；苽涞娜嬷芷诜治銎脚_(tái) 。 6. 初步完成獲取高值產(chǎn)品和油脂的分離技術(shù) 。 9. 在熱態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展藻渣煤漿中氮、磷元素的遷移規(guī)律研究 。 5. 研究能源微藻的高效低成本、易放大采收、破壁及油脂提取工藝優(yōu)化原理 。 3. 提出基于微藻代謝的過(guò)程優(yōu)化控制方法，形成技術(shù)方案；開(kāi)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(guò)自養(yǎng)培養(yǎng)驗(yàn)證，得到放大規(guī)律。 10. 在 SCI 和 EI 期刊上發(fā)表論文3446； 申請(qǐng)專(zhuān)利 914 項(xiàng) ； 培養(yǎng)12 名博士研究生和 1213 名碩士研究生 。 7. 掌握藻渣與煤共氣化時(shí)對(duì)煤氣化動(dòng)力學(xué)的影響以及煤灰熔點(diǎn)影響，確定合適的氣化工藝條件。 8. 研究藻渣與煤共氣化時(shí)對(duì)煤氣化動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律；研究藻渣與煤共氣化過(guò)程中對(duì)煤灰熔點(diǎn)影響的規(guī)律；初步研究藻渣與煤共氣化過(guò)程中氮、磷元素的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律； 研究能源微藻非油脂組分的組成對(duì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣過(guò)程的影響規(guī)律 。 5. 確定能源微藻不同油脂組成特征對(duì)甲酯化過(guò)程的影響規(guī)律并解析其機(jī)制 。 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(hù)外實(shí)際油脂得率 。 16 16 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 1. 完善能源微藻庫(kù)的信息量，獲得可規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻種（如三角褐 指藻等）的遺傳純系，提高能源微藻種遺傳穩(wěn)定性和生產(chǎn)性能；測(cè)試優(yōu)良藻株抗逆性和戶(hù)外培養(yǎng)測(cè)試其粗油脂含量。 8. 改善藻渣煤漿的漿體性能，獲得適合于工業(yè)應(yīng)用的高濃度藻渣煤漿。 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 。 6. 研究用于微藻細(xì)胞壁的不同的生物催化反應(yīng)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。 6. 確定能源微藻細(xì)胞特性對(duì)不同破壁方法與效率的影響規(guī)律并解析其機(jī)制。 3. 計(jì)算獲得平板式、管道式光生物反應(yīng)器中的湍動(dòng)能、上下混合、流場(chǎng) 等混合特性；測(cè)試獲得跑道池、園池中的湍動(dòng)能、上下混合、流場(chǎng)等混合特性并與計(jì)算結(jié)果相對(duì)照以修正 CFD 計(jì)算。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(lèi)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. 發(fā)表 SCI 或 EI 收錄論文 13～ 18篇 ， 申請(qǐng)專(zhuān)利 24 項(xiàng)。 9. 探索藻渣 預(yù)處理改性方法，初步建立利用藻渣發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的平臺(tái)。 5. 對(duì)能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)過(guò)程中細(xì)胞特性進(jìn)行表征。 。 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。 研究 小球藻和微擬球藻的遺傳操作系統(tǒng)。課題 1 為課題 課題 3 及課題 4 提供優(yōu)良藻種及其表型；課題 2 為課題 4 的工藝優(yōu)化提供生物學(xué)基礎(chǔ)及可能的工程藻株、同時(shí)為課題 3 中有關(guān)光照方向的混合研究提供理論基礎(chǔ)；課題 3 不僅為課題 4 提供培養(yǎng)用光生物反應(yīng)器、同時(shí)為課題 4 中與光照相關(guān)的戶(hù)外規(guī)模培養(yǎng)工藝條件優(yōu)化及過(guò)程放大提供基礎(chǔ)；課題 4 在規(guī)模培養(yǎng)基礎(chǔ)上不僅為課題 5提供了原料而且為課題 2 進(jìn)一步實(shí)施基因改造提供實(shí)驗(yàn)反饋依據(jù)；通過(guò)課題 5的實(shí)施獲得本項(xiàng)目的 主要能源 產(chǎn)品生物柴油，其非油 脂組分在課題 6 中進(jìn)行資源化利用研究；課題 6 不僅對(duì)能源微藻加工系統(tǒng)進(jìn)行放大而且對(duì)課題 課題 4 及課題 5 進(jìn)行集成，同時(shí)構(gòu)建了微藻 能源 規(guī)?；?制備 系統(tǒng)。組織了國(guó)內(nèi)從事微藻能源研究的優(yōu)勢(shì)單位，主要研究人員在能源微藻 藻種 的選育、光合固碳及油脂代謝、光合生物全基因組模型構(gòu)建、光生物反應(yīng)器、微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)、細(xì)胞采收、油脂分離與轉(zhuǎn)化、過(guò)程耦合和集成、系統(tǒng)優(yōu)化等方面已經(jīng)具有豐富的研究積累，學(xué)科交叉特色鮮明。緊緊圍繞微藻 生物能源 規(guī)模化 制備 過(guò)程中所面臨的困境，提出了 3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及 6 個(gè)研究課題。 （ 2）基礎(chǔ)研究 、應(yīng)用基礎(chǔ)研究 與技術(shù)應(yīng)用密切結(jié)合的特色：微藻是一類(lèi)低等植物，通過(guò)對(duì)其生命過(guò)程的解析，從功能基因與蛋白、網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控、適應(yīng)等不同的角度進(jìn)行研 究，將促進(jìn)對(duì)微藻生命過(guò)程的理解、認(rèn)識(shí)與應(yīng)用；同時(shí)，在對(duì)微藻培養(yǎng)過(guò)程中的一些工程科學(xué)問(wèn)題的深入研究，也將進(jìn)一步促進(jìn)過(guò)程 工程 科學(xué)的進(jìn)步；以微藻加工后形成的 包括液體燃料 微藻 生物柴油在內(nèi)的系列產(chǎn)品 為研究對(duì)象，對(duì)其中的一些過(guò)程 工程 科學(xué)問(wèn)題的解決，將更直接地將科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)，項(xiàng)目本身的知識(shí)產(chǎn)出將直接貢獻(xiàn)給生物柴油、生物燃?xì)獾饶茉串a(chǎn)品的生產(chǎn)；此外，通過(guò)本項(xiàng)目所產(chǎn)生新的科學(xué)思想、技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)品體系，將直接貢獻(xiàn)給微藻 能源產(chǎn)業(yè)化 技術(shù)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究。首先對(duì)濕細(xì)胞進(jìn)行破壁，然后利用油水二相比重的差異實(shí)現(xiàn)油脂及非油脂組分的分離，以分離出的微藻油脂為原料利用固定化酶促轉(zhuǎn)化法實(shí)現(xiàn)生物柴油的綠色制備。 （ 3）新 方法 ： 以濕藻為原料的 高效低能耗微藻能源綠色制備方法 目前 利用 微藻制備生物能源的研究多以 干藻為原料，但 由于微藻細(xì)胞中水含量高（ 80%以上），干燥過(guò)程的能耗高、微藻胞內(nèi)活性成分損失多、加工過(guò)程效率低，顯著降低了微藻能源的經(jīng)濟(jì)效益。 能源微 藻規(guī)模化 光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)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(xiàn)性變化特性，且微藻 細(xì)胞之間 也存在著一定的 相互 作用。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的系統(tǒng)生物學(xué)研究證明，必須從 系統(tǒng)水平考察出發(fā) 細(xì)胞 特性， 才 能設(shè)計(jì) 出 最佳的代謝工程 策略 。 圖 3 本項(xiàng)目涉及到的技術(shù)途徑 3. 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)與特色 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) （ 1）新思路： 基于全基因組尺度認(rèn)知與重構(gòu)可規(guī)?；囵B(yǎng)能源微藻的代謝網(wǎng)絡(luò)， 從源頭上推進(jìn)微藻 能 源 規(guī)?；M(jìn)程 7 7 優(yōu)良藻種是微藻能源規(guī)模化制備的源頭。 第三個(gè)層面主要從藻細(xì)胞采收、油脂提取、生物柴油制備、非油脂 組 分綜合利用等能源 微藻 加工及培養(yǎng)與加工系統(tǒng)集成優(yōu)化角度，挖掘提高效率的原理和方法。 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 。 4 4 三、研究方案 1. 學(xué)術(shù)思路 微藻 能源 生產(chǎn)過(guò)程所涉及的技術(shù)，具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、技術(shù)面廣、不成熟、單元復(fù)雜等特點(diǎn)，其外在表象是成本高。 （ 5）建立不同能源微藻細(xì)胞特性的表