地球上的光合生物（植物、藻類等）通過光合作用每年固定約2400億噸的二氧化碳，同時為人類提供基礎的生活和生產原料。微藻通過光合作用將太陽能轉變成化學能存儲在細胞內并形成生物質，可作為食品、營養(yǎng)補充劑、水產餌料等，并可進一步加工成生物燃油。然而，目前微藻光合作用的光能轉化率約1%左右，遠低于理論轉化率12%。因此，提高微藻培養(yǎng)的光合作用能量轉化率，提高微藻產率，降低應用成本，是微藻產業(yè)發(fā)展的關鍵。
太陽能/藻細胞生物質的能量轉化率及其管理策略示意
一 光采集管理（Managing light collection）
?1 微藻培養(yǎng)地點選擇
全球的太陽能分布不均勻，在赤道附近平均太陽能最高（低緯度地區(qū)），兩極最低。此外，各地區(qū)的氣候及氣象情況（陰雨天多，臺風等）也顯著地的影響地面上獲得的太陽能。此外，還要結合當?shù)氐乃Y源，原材料、人力、基礎設施條件來確定微藻培養(yǎng)地點。
2 反應器方向和太陽光跟蹤系統(tǒng)
微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)的擺布方向顯著地影響太陽光的接受。一般而言，朝東-朝西擺放的光生物反應器捕獲的光能高于朝南-朝北擺放的反應器。同時，類似向日葵可跟蹤太陽位置的光反應器的光能捕獲量可提高40-100%（與水平面相比）。當然，此系統(tǒng)過強的光照也會抑制藻細胞的生長，產生光抑制現(xiàn)象。
二 光譜分布管理（Managing spectral distribution）
?1 光譜影響
用于光合作用的光波長為400-700nm。不同光譜的光對微藻生長及產物積累的影響具有重要影響。藍光可以提高小球藻葉綠素合成和微擬球藻的油脂合成。紅光能提高雨生紅球藻細胞生長，藍光可以提高藻細胞中蝦青素的合成。藍光條件培養(yǎng)小球藻2天顯著促進藻細胞增大，然后在紅光條件下促進小球藻細胞分裂，藻細胞產量提高了20%以上。
2 ?LED燈
LED人工光源具有特定光譜定制的優(yōu)點，在實驗室微藻培養(yǎng)中已經廣泛應用，但在大規(guī)模微藻培養(yǎng)中的應用受到成本的限制尚未大規(guī)模使用。假設電單價0.1$/kwh，光-電轉化效率40%，光-藻細胞（化學儲能）轉化效率13.5%，則1kg干藻的LED電耗微14$。
3 波長轉化材料
通過熒光和磷光材料將一種波長的光轉化成另外一種波長的光。實驗表明在北面使用轉光材料的光反應器中，雨生紅球藻在低密度培養(yǎng)時，藻細胞濃度提高了36%。
4 ?等離子體散射（Plasmonic scattering）
光照射到金屬納米顆粒產生的表面等離子能夠增強周圍的電磁場，有利于特定波長的光進行定向散射。如圖所示，等離子基板反射了35%紅光（光合作用利用高的光），使得其它波長的光透過基板進入光伏電池系統(tǒng)轉化成電能。
三 光分布管理（Managing light distribution）
1 藻細胞密度和光程
微藻培養(yǎng)的產率與藻細胞密度、光程、混合等相關，需要從這幾個方面進行綜合優(yōu)化。混合與藻細胞的光暗循環(huán)頻率相關，其影響藻細胞的生長。
2 光稀釋
使用球面結構反應器（如管式），改變布局方向，改變傾斜角度均可以實現(xiàn)戶外光強的稀釋，使得高光強變成中低光強等適合微藻生長的光強范圍內。同時，可以使得光傳遞材料使得外部的光強傳遞到藻液中進行重新分配和分布，提高光在藻液中的均勻性。
四 細胞光能利用管理（Managing cellular light utilization）
通過基因工程手段改造藻細胞的光合系統(tǒng)，從而提高光能轉化效率。
本文轉自：Nature ?Communications
