联合国的第一次人类环境会议以来,环境问题越来越受到世界的关注。

文章作者:管理一号 | 2019-06-05
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6月5日是“国际环境日”,“低碳日子”当然是今日的主题,不过,除了呼吁人们在日常日子中减排,科学家们还做了千亿国际的测验,比方,让一种微藻逆向进化,吃掉CO2!

(图片来历:veer图库)

CO2:环境改变的重要推手

自1972年6月5日联合国的第一次人类环境会议以来,环境问题越来越遭到国际的重视。

北极圈永久冻土的不断融化,骨瘦嶙峋的北极熊,行将消失的马尔代夫,逐步酸化的海洋……这些环境恶化的开始表象都隐藏着难以估计的结果,而在全球环境改变中二氧化碳(CO2)扮演着无足轻重的人物。

近来,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)莫纳罗亚气象台的传感器监测到一个惊人数据,大气中的CO2浓度现已到达415.26 ppm,远远高于工业革命前的280 ppm。美国国家航空航天局(NASA)数据也显现大气中的CO2含量自工业革命以来发生了明显的进步。

作为首要的温室气体,CO2含量的激增将导致全球气候改变和海洋酸化等重大环境和社会问题。因而,怎么削减大气中CO2含量成为了操控环境恶化的要点之一。

图片来历:NASA(https://climate.nasa.gov/evidence/)

微藻:阳光下的“吃”碳主力

在自然界中,CO2的耗费首要经过光合作用完结。但是,受土地面积的约束,树木等陆生高等植物只能缓慢吸收大气中的CO2,其消纳CO2的总量远远低于人类出产活动的排放量。NASA卫星数据显现,尽管曩昔二十年地球美化面积继续添加,但是全球气候变暖的脚步却没有变缓。 

年平均叶面积指数趋势(10-2m2 / m2 / 10年)(图片来历:Nature)

小常识:地球上绿叶的丰度以阔叶植物的单侧叶面积和针叶植物总针叶面积的二分之一来衡量。年平均绿叶丰度/植被面积代表年平均叶面积指数。绿变(棕色)代表某一地址在数年内的年平均绿叶面积在计算上明显添加(削减)。如上图,全球1/3的植被面积变的更绿了,而5%的植被面积变灰了,这意味着每十年叶面积净添加2.3%。

微藻是一类陈旧的,在陆地、海洋广泛散布的最低等植物,其光合利费用远远超越平等分量的大型高等植物。它可以直接使用阳光和水将CO2转变成营养品(如人体不行短少的EPA、DHA,维生素,抗氧化剂,色素等食物添加剂)或许生物燃料(如柴油)。

尽管微藻个别形状细小,但是以微藻为代表的海洋浮游植物每年耗费的CO2占全球CO2固定量的40%,是名副其实的地球固碳“主力军”。研讨标明,每吨微藻生物约可固定2吨CO2,且微藻培育进程可对点源排放的CO2(如火电厂、水泥厂等排放的工业废气)进行使用。

微藻的形状 (图片来历:www.bioindustry.cn)

微藻固碳示意图 (图片来历:中科院青岛生物动力与进程研讨所单细胞中心)

反转进化的时钟 吃掉千亿国际CO2

微藻的化石可以追溯到几十亿年前的前寒武纪时期。那时候的地球大气首要成分是CO2,氧气含量极低(还缺乏现在氧水平的1‰)。微藻的存在为前期的地球供给了动力和氧气。

跟着年代的变迁,地球大气中的CO2浓度直线下降,而为了习惯当时低CO2的环境,微藻进化出了一套碳浓缩机制(CCM),简略来讲,便是一种进步部分CO2的办法。

CCM机制图 (图片来历:中科院青岛生物动力与进程研讨所单细胞中心)

光合作用中的固碳进程首要经过卡尔文循环(光合碳循环)完结。在微藻中存在一种蛋白酶,即RuBisCO。在光合作用进程中,RuBisCO可以将CO2固定入卡尔文循环中并终究转换为有机物(三碳糖)。经过CCM,CO2分子可以千亿国际的集合在RuBisCO周围,然后进步了RuBisCO活性位点周围CO2浓度,终究使微藻可以在低碳环境下进行光合作用。

这就发生一个风趣的疑问,假如咱们按捺或损坏微藻的CCM,是否会使微藻康复原始在高CO2环境下进行光合作用的才能?是否能吃掉千亿国际的CO2?

近期,青岛动力所单细胞中心和德国鲁尔大学(波鸿)的研讨人员们在微拟球藻(Nannochloropsis spp。)中证明了这个猜测。微拟球藻是一种单细胞藻类,具有成长速度快、CO2耐受才能强、海水淡水均可培育、遗传操作较完善等杰出长处,是一种优秀的生物柴油出产藻种。研讨人员发现,当经过基因工程手法大幅度降卑微拟球藻中一个与CCM相关之要害碳酸酐酶的活性(即按捺CCM)时,工程藻株在高CO2(5%浓度)环境下的生物质产值进步30%以上,而在空气浓度的CO2环境下则丧失了成长优势。

野生菌株和改造藻株在高CO2(5%浓度)环境下生物质产值(WT:野生菌株;M2和M4改造藻株)(图片来历:中科院青岛生物动力与进程研讨所单细胞中心)野生菌株和改造藻株在高CO2(5%浓度)环境下生物质产值(WT:野生菌株;M2和M4改造藻株)(图片来历:中科院青岛生物动力与进程研讨所单细胞中心)

也便是说,微拟球藻体内涵高浓度CO2下“吃”CO2的原始才能被从头激发了。康复原始才能的微拟球藻能更好地使用工业烟道气中高浓度的CO2,完结生物柴油和食用油脂的转化,并开释O2。因而,根据这一“逆进化”的思路改造现有的植物和藻类,将有助于高碳浓度下的CO2固定,然后为缓解温室效应供给一个新思路。(相关论文Knockdown of carbonate anhydrase elevates Nannochloropsis productivity at high CO2 level ,阅览请戳“阅览原文”)

微拟球藻逆进化调控机制图(图片来历:中科院青岛生物动力与进程研讨所单细胞中心)

 

 

未来:或成火星移民新期望

火星是除金星外间隔地球最近的行星,它是最有期望完结载人登陆的地外行星,因而作为人类未来移民的首选,火星很可能在未来成为人类的第二故土。火星大气中95%是CO2,氧气含量极低,关于火星大气的改造是人类登陆火星的条件。

(图片来历:NASA)

返祖的微藻,可以习惯较高浓度的CO2环境,一起出产氧气以及油脂,因而,或许可作为第一代火星移民,担负改造火星大气组成的重担。

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