微藻的无限探索和可能的想象空间

发布者:bpadmin
发布时间:2020-08-31 15:08
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有成千上万种的微藻漂浮在世界的水道里,但只有很一小部分被人类归类或被研究。微藻给我们留下了一个具有无限探索可能性的想象空间。

几十年来,对于微藻最热门和最诱人的应用可能性集中在生物燃料上;从那以后,越来越多的人认为微藻是蛋白质的潜在替代品,也有人则认为它们可以取代塑料。最重要的是,微藻可以大量固碳,而且其固碳作用至关重要。它们吸收的二氧化碳和产生的氧气比世界上的热带雨林要多得多。因此,藻类才是真正的“地球之肺”。此外,它们恰好位于食物链的底部,从许多其他方面讲都算是重要的生命源泉,以至于被广泛用于动物饲料中的营养补剂。




从大地之肺,到有害滋扰

然而,微藻也有不那么友好的一面,会形成壮观但毒性极强的水华现象。这一过程往往是由于过度肥料渗入水系统、气候变化和高污染水平的结果。例如,在过去的几个夏天里,中国沿海的水华问题已经把黄海变成了绿色和蓝色,可能形成水产“死亡区”。在美国沿海也有许多类似的死区。如果需要提前预警水华将在哪里发生,像挪威的Dynaspace这样的公司正在训练AI算法,从多光谱卫星图像中检测潜在的水华问题。

抛开令人掩鼻的水华威胁不谈,微藻巨大的碳捕获能力引起了人们的极大兴趣。比如,随着许多城市寻求过滤空气污染的新方法,来自英国ecoLogicStudio的建筑师Marco Poletto和Claudia Pasquero一直在试图把利用其净化功能,使微藻变成城市中的“生物窗帘”。



随着工程技术的提高和政府对制造商施加压力要求他们减少排放,会有更多像这样奇妙的想法。例如,希腊工程师Vasilis Statos的创业公司Solmeyea与二氧化碳排放设备制造商合作,将工厂排放的废气输送到一个微型藻类养殖场。这不仅抵消了空气污染物,还加速了微藻的生长。创业公司Solmeyea通过自动化的微藻采集过程和独有的提纯工艺,计划将微藻产品作为食品着色剂、蛋白质、动物饲料、类胡萝卜素出售。


几十年后生物燃料迎来曙光?

像新创公司Solmeyea的商业想法,通常古怪但直观,可能改变世界,也可能面对投资者怀疑,继续举步维艰。去年在佛罗里达州的奥兰多举行的年度微藻峰会,明显受到了投资者冷遇,似乎是种反复出现的悲叹。微藻投资是一个警示故事,背后隐藏着更深层次的原因。20世纪70年代赎罪日战争后油价飙升,引发了行业一厢情愿的想法,导致数十亿美元流入了微藻。人们希望它们能成为生物燃料,让世界摆脱对化石燃料的依赖。然而,希望就仍只是希望,所以即使到了今天,微藻仍然无法在价格上与传统能源竞争。

石油巨头埃克森美孚(ExxonMobil)现在又一次加倍下注,正在与基因改造公司合作,目标是到2025年每天生产1万桶微藻生物燃料。埃克森美孚表示,单位面积的微藻可以生产比植物生物燃料更多的产量,目前每英亩每年约有1500加仑的燃料,这几乎是甘蔗或玉米的五倍。伯克利的能源生物科学研究所(EBI)则稍微谨慎一些;强调微藻生物燃料仍然需要长期研发,而且英国石油(BP)等能源公司也表示认同,更多地采取观望态度。

生物燃料的激增也定义了藻类养殖基础设施的性质,或好或坏。微藻在很大程度是利用开放式的池塘养殖。从地理上看,其中许多都分布在美国、中国、日本、加拿大和澳大利亚,而他们通常是需要补贴的帮助。


生物反应器固碳

在加拿大,值得关注的公司可能是Pond Technologies及其位于安大略省的Stelco Lake Erie Works钢铁厂的生物反应器项目。inVentiv资本管理公司(ICM)将为该项目的第一阶段和第二阶段分别提供500万美元和1100万美元。Pond Technologies表示,Stelco Lake钢铁厂的生物反应器项目完工后,预计将生产3500吨微藻,有望每年封存约6300吨二氧化碳。产自该设施的微藻产品可以作为高蛋白饲料用于动物养殖;或者,作为可再生的颜料原料;生物塑料则是另一个选择。目前Pond Technologies正在为这个项目调试它的第一个微藻生物反应器。

日本也出现一些生产微藻的基础设施,分别由Virent, Solazyme, Terravia, 和Euglena等公司运营。比如,Euglena公司便使用微藻从地热发电厂捕获碳。在欧洲,有奥地利的Ecoduna,德国的Phytolutions,意大利的Archimede Ricerche,以及比利时的Proviron。所有这些公司都使用薄塑料膜、平板或玻璃管进行微藻生产。玻璃管式生物反应器被西班牙的AlgaEnergy, Algasol和Fitoplancton Marino等公司使用,德国的Roquette和葡萄牙的A4F也使用类似生物反应器。


露天池塘 vs 生物反应器?

通常,关于是开放式的露天池塘还是建造生物反应器进行微藻生产的历来在业界争论不休。不论是生产微藻生物量还是为了满足人类摄入需求,这都是个问题。由于价格便宜,露天池塘通常是用来储存微藻生物量的,但很容易受到污染,而且也得不到同样高密度的微藻。生物反应器成本很高,但可以种植密度高得多的藻类,并且避免污染。

2019年生物燃料领域的一件大新闻是帝斯曼(DSM)和赢创工业(Evonik)的共同合资企业Veramaris在美国内布拉斯加州开设了一家耗资2亿美元的新工厂,生产具有知识产权而且下游工艺都受到专利保护的一种藻类,Schizochytrium。由于其发酵过程,产生的藻油不受海洋污染,一年365天都能保证独一无二的纯净质量。


用于鱼类养殖的蛋白质替代品

大规模的微藻生产活动对鱼类养殖行业很有诱惑力。大豆蛋白不能完美的满足该产业对蛋白质的需求;而且使用大豆等植物蛋白与正在枯竭的野生鱼类(如磷虾或凤尾鱼)混合而成的鱼饲料,从生态学上来说,要喂养他们如此庞大的养殖鱼群也是无法维持的。为了摆脱这种可见困境,同时要保持成本负担得起,又要充满营养并非易事,但微藻可能会扮演鱼类养殖业的“救世主”。水产养殖业需要新的和可持续的长链不饱和脂肪酸EPA和DHA的来源,这两种omega-3脂肪酸对三文鱼的营养健康非常重要,并同时提供给人类。Veramaris的生产能力相当于120万吨野生捕捞的鱼,将满足整个三文鱼养殖业年需求量的15%左右。这样可以帮助保护海洋的生物多样性,并减轻对海洋野生捕鱼的压力。

全球藻类原料的主要参与者荷兰食品和生物化学公司Corbion也走上了微藻这条路,已经与致力于开发可持续水产养殖饲料的BioMar达成了协议,使两家公司与挪威的三文鱼集团(Salmon Group)达成新式饲料合作伙伴关系。

这种合作伙伴关系将是未来许多水产养殖交易的模板。挪威三文鱼集团的目标是在保持鱼饲料质量、性能和鱼类福利的同时,减少鱼饲料的整体环境足迹。BioMar通过开发含以藻类为基础的高含量omega-3脂肪酸定制饲料来实现这一目标,不仅减少了碳足迹,并显著提高出鱼率和降低污染物。这标志着是微藻已成为解决鱼类养殖行业内外可持续性问题的重要组成部分。


沙漠中的微藻产业地

德克萨斯州以其巨大的养牛场规模而闻名,但它也是一个主要的微藻产业地。比如,位于奥斯汀的一家微藻初创公司iwi,专注于创造美味的微藻零食和富含omega-3的膳食补剂。这些产品可以取代更具环境问题的鳕鱼鱼肝油补剂。iwi的产品来自于德克萨斯州和亚利桑那州的设施中养殖的微绿球藻(Nannochloropsis)。这样做的好处是那里的沙漠中有大量的咸水,而咸水一般对农业耕作没有帮助,但却是藻类的理想之地。

同样靠近沙漠的以色列,也对微藻有着浓厚兴趣,不断涌现新的微藻种植技术,并拥有规模不算小的微藻产业群,比如像Algatech、Algalo和AlgaHealth等公司。当大多数老牌公司都专注于利用微藻生产虾青素时,以色列的微藻行业现在正将转向生产更有利可图的产品,褐藻素。根据最近的研究表明,褐藻素对健康有很大好处,可以限制肥胖、糖尿病和肿瘤的扩散,同时对大脑和心脏也有好处。

由于气候的原因,在以色列,户外露天养殖微藻的条件似乎很理想;然而,以色列新创公司Brevel则致力于设计全自动光生物反应器,以保证更好的气候控制和精确的生长条件。另外还有微藻生产商,Yemoja,建造了一条由垂直发光玻璃柱组成生产线,称为illis。每个垂直柱都被分配了一个特定的藻类种类,完全封闭并与其他单位隔离,防止任何交叉污染。Yemoja养殖的多糖硫酸盐紫球藻,在全球的需求量逐渐的增加。因其抗炎和抗氧化特性,这种紫球藻被应用在化妆品和生物医学领域。




蓬勃发展的市场

随着对可持续食品选择的需求达到临界点,似乎大流行加快了这种趋势,食品服务和零售领域的主要行业参与者越来越依赖其改善供应链来减少环境影响。微藻也许在这一过程中会扮演重要角色,虽然现在对藻类的应用依然颇具前瞻性,但是只要仔细观察一下就会发现越来越多以微藻为基础的产品。比如,以藻类为基础原料制作的螃蟹替代品,赢得了2019淡马锡基金“宜居奖”100万美元;还有以藻类提取物制成的植物激素,帮助细胞更快地生长,获得更高的产量;或是能清洁土壤的藻类产品,刺激细菌生长,清洁被油污染的土壤。

其实,仍有大量的应用场景可以依靠微藻来“攻克”,其中包括净水、蛋白质替代品、药物成分、化妆品、动物饲料替代品或营养补剂、可生物降解纺织品,以及生物可食用塑料。在微藻行业里,一个有趣的发展是对微藻进行基因工程改造,将其变成一个有用的“平台”。美国和欧洲的几个机构正致力于此,目标是让微藻可以直接口服,比如成为口服疫苗的载体。同样,这也是鱼类养殖的兴趣所在,因为养鱼场特别需要接种口服疫苗和低成本疫苗。不过,要实现这一目标还有很长的路要走。

根据Credence Research发布的报告《2018-2026年全球藻类产品市场增长、未来前景和竞争分析》,在2017年时,全球藻类产品市场价值约326亿美元,预计2018-2026年复合年均增长率为5.8%。大约有十几个藻类物种是众所周知的,拥有进入市场的现有监管途径和日常使用案例;仍有许多其他藻类物种还未经学术界的研究和测试。更多的藻类可能漂浮在海洋中的某个地方,或沉睡在某个实验室的冷柜里,但从更积极的一面来看,走向未知是一个很好的地方。

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