胡強：引爆單細胞微藻的巨大能量

本刊記者 姜曉宏

藻類是所有植物中最古老的。它們大多生活在水中，可以是淡水、海水、半鹽水、工農業(yè)及生活廢水。在地球上幾乎所有的環(huán)境都能見到藻類。其中，微藻作為藻類中結構最為簡單的單細胞生物，在陸地和海洋中分布廣泛，它們在細胞中進行光合作用，在光催化作用下，將二氧化碳和水轉化為糖、蛋白質、脂肪等，這些有機化合物在食品、飼料、精細化工、液體燃料中均有廣泛應用。

目前世界上很多國家都看好微藻的開發(fā)前景，中國也不例外。2013年5月，國投微藻生物科技中心成立，承擔微藻生物能源研發(fā)及微藻生物制品產業(yè)化應用的相關工作。國家開發(fā)投資公司（以下簡稱“國投”）引進的“千人計劃”專家、世界藻類能源研究專家胡強博士，歸國擔任微藻生物科技中心主任。

“這個項目并不是某個單一科學技術問題的研究，而是集成基礎研究、應用研究、工程技術的系統性研發(fā)，然后是產業(yè)化。它不是線條出來的，不只生產出某一種產品。產物中我們國家最關注的是能源，但其它領域，像是食品、保健品、飼料、精細化工等，都可以利用微藻做很多東西。藻油就像煤和石油一樣是原料，可以做很多產品。”談到微藻生物能源項目，已經與微藻打了近三十年交道的胡強如數家珍。

歸國前，胡強任美國亞利桑那州立大學終身教授，藻類生物技術研究實驗室共同主任、亞利桑那州藻類創(chuàng)新技術中心共同主任，研究內容涵蓋藻類光合作用生理生化、細胞分子生物學、光生物反應器系統設計、大規(guī)模微藻培養(yǎng)、微藻生物柴油、航空汽油及高附加值生物化學品研發(fā)、利用微藻固定工業(yè)排放二氧化碳和廢水處理等領域，發(fā)表各類論文、專著80多篇。

胡強非?？粗卮舜挝⒃迳锬茉错椖浚且驗榇隧椖渴且試杜c中國科學院水生生物研究所（以下簡稱“中科院水生所”）建立戰(zhàn)略合作聯盟為基礎的。他深刻體會到微藻能源想要取得突破光靠企業(yè)的力量是遠遠不夠的。中科院水生所是我國淡水藻類最大的研究機構，在水生生物學、微藻生物技術、微藻環(huán)境治理等方面均有深入研究，在微藻領域具有權威性地位。整合企業(yè)與研究機構的力量，走“產研”結合的開發(fā)模式，是本項目有效實施的特有優(yōu)勢和必要保障。并且，胡強被中科院水生所聘為研究員，并擔任中科院水生所藻類生物技術與生物能源研發(fā)中心主任。“國投投入資金，中科院合作研發(fā)，加上我們團隊的先進技術，這種結合實屬難得?！?/p>

結緣微藻，負笈歸來

胡強很早就鐘情于藻類。從湖北大學生物學專業(yè)畢業(yè)后，對微生物十分感興趣的胡強選擇了微藻作為自己的研究對象，在中科院水生所攻讀水生生物學專業(yè)碩士。“那時候用微藻做動物蛋白質來源，有一個項目，當時我就做一些藻種篩選、大量培養(yǎng)的研究。”胡強回憶說自己當時偶然間看到了一本英文微藻專著，本來理所當然地以為是美國科學家寫作的他后來驚訝地發(fā)現，這本專著的作者竟然是一名以色列科學家！

“以色列那么小并且缺水的國家，竟然是做微藻研究最權威的地方。”研究生畢業(yè)之后，1991年，胡強給專著作者寫信，表達了自己希望去以色列做微藻研究的愿望。對方很快回復說歡迎你來，我們給你提供獎學金。

在以色列一晃就是5年，在本·古里安大學獲藻類生物技術專業(yè)博士學位后，胡強接到日本海洋生物技術研究所的邀請，前往日本做微藻研究。主要課題是開發(fā)一種利用微藻固定電廠廢氣中二氧化碳的技術，為溫室氣體的減排提供新思路。

“那個時候就像海綿一樣，拼命吸收新的東西。每次合作都是這樣，中國碩士畢業(yè)，想學新的東西，到了以色列；日本做項目剛好用我的技術，又到了日本，用微藻除掉二氧化碳；后來在日本做兩年半的博士后，美國亞利桑那州立大學，希望能用微藻處理廢水，把我從日本招過去?！本瓦@樣，胡強與地球上最古老的植物結下了不解之緣。

微藻廢水處理的項目之后，胡強開始著手藻油的研究?！霸瓉碜霾┦空撐模佑|到用微藻生產富含不飽和脂肪酸的藻油研究。”此時，胡強開始考慮是否可以用藻油作為能源，當時很少有人把這種想法付諸行動?！澳莻€時候比別人先行一步。大約2005年，微藻作為能源原材料的可行性探索日益受到重視。美國國防部出錢找到我們、風險投資也找到我們?！痹陔S后幾年，胡強及其團隊在美國建立了利用微藻生產能源的中試生產線，在此基礎上，胡強領導的實驗室成為了美國能源部國家級微藻能源研發(fā)基地。作為“美國藻類生物燃料技術藍圖”的主要規(guī)劃者之一，胡強多次獲得美國國防部、能源部、農業(yè)部以及工業(yè)界的研發(fā)資助，相關研究經費超過2000萬美元，近年來專注于開發(fā)利用富油微藻生產生物柴油和航空燃料的研發(fā)工作。

由于在微藻生物能源研究方面做出的杰出成績，2008年，胡強領導的微藻生物能源研究被美國時代雜志評為當年最有影響的50個發(fā)明之一。

遠古能源，再生替代

玉米乙醇是目前唯一達到商業(yè)化生產規(guī)模的液體生物燃料。但其在價格上仍然無法與汽油媲美，在美國達到商業(yè)化生產規(guī)模主要依靠美國政府的財政補貼。盡管科學家、企業(yè)界和政府決策者們都抱有美好的愿望，但就目前情況來看，在沒有財政補貼的情況下，玉米乙醇在價格上尚無法與汽油相抗衡。

與玉米大豆等生物能源相比，微藻生物能源生產率更高?！按蠖沟暮土渴欠N子的百分之十到二十，占整個生物體的比例更小。微藻含油量能達到干重的百分之三十到四十?！?/p>

微藻具有光合作用效率高、含油量高、生長周期短、單位面積產率高等特點。與其他油料作物相比，利用微藻大規(guī)模培養(yǎng)生產生物柴油所需占地面積最少，同時微藻培養(yǎng)可以利用灘涂地、荒廢地等非耕地，因此通過微藻大規(guī)模培養(yǎng)生產生物柴油不會導致世界糧食供應問題。

更重要的是，微藻生物能源順應我國新能源及低碳經濟發(fā)展的大趨勢，符合“不與人爭糧、不與糧爭地”的國家生物能源發(fā)展戰(zhàn)略。從所需用地面積占全球陸地可耕種面積角度看，利用微藻油脂作為原料生產的生物柴油是目前最有可能滿足世界運輸所需燃料的可再生能源。隨著人類社會資源短缺的壓力和環(huán)境問題日益突出，通過微藻轉化生產生物柴油、汽油與航空燃料等，部分替代化石能源，將是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。作為“第三代生物能源”的微藻生物能源，為解決能源短缺及環(huán)境惡化問題、尋求清潔的可再生能源提供了可實現的新途徑。

微藻雖小，能量巨大

“把煤從地下挖上來并燃燒，也就是把二氧化碳釋放出來了。而生產和應用藻油是先把二氧化碳吸收轉化成油，之后再燃燒產生二氧化碳。然后再進行生長、產油和燃燒的循環(huán)。這和把地下的煤挖上來是不一樣的。微藻生物能源是很好的循環(huán)經濟示范?！焙鷱娺@樣向記者解釋微藻生物能源和化石能源在生產和利用過程中的不同。

工業(yè)生產排放的二氧化碳被微藻吸收，轉化成生物燃料、生物制品或養(yǎng)殖飼料等。和高等植物相比，微藻利用陽光的效率更高，單位面積產量是高等植物的10倍以上。大規(guī)模微藻培養(yǎng)，每生產1噸微藻，可以利用二氧化碳大約1.8噸。燃油或燃煤電廠每年排放大量的二氧化碳，大規(guī)模微藻培養(yǎng)能夠吸收利用這些二氧化碳，通過它們的光合作用，將二氧化碳在一個細胞體內轉化成油脂、碳水化合物和蛋白質等。一個年產100萬噸微藻燃油的生產線，每年可利用近500萬噸二氧化碳?？梢哉f，微藻生物能源的大規(guī)模工業(yè)化生產，不僅可以有效緩解能源短缺問題，還有助于工業(yè)二氧化碳減排。

“藻類的生命力很強，給它一點營養(yǎng)，就可以拼命生長。它需要的太簡單了，水、陽光、二氧化碳和一些無機肥料?！焙鷱姴┦空劦?，幾年前青島海邊出現滸苔過度生長的例子，足以證明其生長速度之快?！跋裉脑孱愇廴疽彩且粯?，這并不是藻類的過錯，而是提醒我們水質受到污染，需要進行廢水處理?！?傳統污水處理方法主要分為物理處理法、化學處理法、物化處理法，均存在一定程度的缺陷。與傳統方法相比，利用微藻凈化污水，不僅能將工業(yè)生產排放的N、P等元素轉化為微藻生長的養(yǎng)料，還可以將微藻生物質用于生物柴油以及飼料、化肥等加工生產，為生產、生活污水綜合利用提供了新的思路。

新型農業(yè)，廣“種”微藻

總的來看，微藻資源的開發(fā)與應用為人類解決能源、健康、環(huán)境和糧食四大問題提供了一條全新而有效的模式。在能源領域，微藻有望成為繼糧食作物生物乙醇、纖維素生物乙醇和陸生作物生物柴油之后第三代生物質能源的原材料；在環(huán)境領域，微藻有大幅減排溫室氣體二氧化碳的潛力，并在處理生活、工業(yè)、農業(yè)污水等方面有廣闊的應用前景；在食品領域，微藻可為人類提供大量單細胞蛋白質、植物油脂、類胡蘿卜素和ω-3長鏈不飽和脂肪酸等食品或食品添加劑；作為營養(yǎng)飼料可以廣泛用于魚類、畜牧業(yè)養(yǎng)殖；在醫(yī)藥衛(wèi)生領域，微藻生物資源中存在新的抗生素、抗氧化劑、抗癌和抗病毒藥物。

除了以上幾個方面的作用，胡強還特別強調了微藻生產作為一種新型農業(yè)在中國城鎮(zhèn)化轉型過程中的作用。

“很多農民土地沒有了，除種地外又沒有其它技能，心里很難受。通過微藻生產，可以提供再就業(yè)的機會，可以把它看做一種新型農業(yè)，其實和種糧食、種蔬菜是一樣的。同時也是傳統農業(yè)一種新的發(fā)展方向，不僅生產微藻本身需要很多的勞動力，還可以為食品、飼料、保健品、精細化工等下游相關產業(yè)提供大量的就業(yè)機會。其次，微藻產業(yè)也可以改善人們的生活水平，除了高端的保健品之外，用微藻作為飼料養(yǎng)雞養(yǎng)魚，品質都會提高很多，利于改善人們的身體狀況。所以說微藻生產是一種可持續(xù)的綠色農業(yè)。”

微藻產業(yè)，待攻難關

“微藻生物能源生產有很多環(huán)節(jié)，有很多問題都有待解決。處于初步發(fā)展的一個產業(yè)，在國內現在合力的狀態(tài)下，相信很快可以趕上先進國家的研究水平?！痹诿绹鴱氖铝硕嗄晡⒃逖芯康暮鷱姡瑢τ趪段⒃迳锟萍贾行牡陌l(fā)展前景充滿信心。

胡強向記者介紹說，在微藻產油基礎研究方面，各國科學家主要集中在以下五個領域：優(yōu)良藻種的選育以及用基因工程方法改造；富油微藻培養(yǎng)條件的優(yōu)化以及油脂含量的提高；用于微藻大規(guī)模培養(yǎng)的光生物反應器的設計與優(yōu)化；微藻的收獲、干燥和藻油的提取技術；將藻油轉化為生物柴油和航空燃料的工藝和設備。

“最后一個環(huán)節(jié)可以借鑒現有的石化技術，其他方面則需要從頭開始?！痹阱噙x藻種方面，重點是產油高、生長能力強。“要皮實，能夠在不同環(huán)境中很好地自我調整?！痹趪段⒃迳锟萍贾行?，胡強正和同事們通過基因改造的方法，結合自然篩選，改良適宜工業(yè)化應用的藻種。

近十年來，國內外已發(fā)表了大量的關于藻油制備的研究文章與專著，整個領域的理論水平和技術水平不斷提高。但是，現有技術水平仍然不能支持大規(guī)模、批量化的富油微藻生產，特別是其中的核心技術——光生物反應器研制還很不成熟，導致微藻產油生產成本過高，商業(yè)化微藻產油還難以實現。

“必須要有合理、完整的產業(yè)鏈條，才能將好的藻種產業(yè)優(yōu)勢發(fā)揮出來?！焙鷱姀娬{說，光生物反應器設計不合理，微藻的潛力就很難完全轉化出來?！肮馍锓磻鞯难邪l(fā)是最重要的技術瓶頸，也是藻油生產的最主要成本所在。煤炭和石油就在那個地方，不需要我們自己生產，只要采集就好了。而生物能源是要從無到有，相當于我們在制造煤或者石油本身?！?/p>

光生物反應器的研發(fā)是國投微藻生物科技中心需要攻克的最大技術難題之一?！敖又褪窃鯓影盐⒃鍙乃锊墒粘鰜?，這個難度也是很大的。藻類拿出來之后，怎樣把細胞打破，把油拿出來；油拿出來，怎樣提取純化，又是一個課題?！彪m然是單細胞的簡單植物，但微藻的小細胞里卻有大學問。

為此，國投微藻生物科技中心從全球范圍引進了高水平研究團隊，核心團隊成員均具有豐富的藻類生物能源及相關領域的研究經驗，在胡強的帶領下進行研究工作。研究項目涉及藻類大規(guī)模培養(yǎng)生物技術、藻類培養(yǎng)中的污染物控制，以及利用微藻生產高附加值天然產物等方向，研究方向也是覆蓋了從上游藻種篩選、遺傳改良、基礎生物學研究，到大規(guī)模藻類培養(yǎng)，以至下游的藻類收獲和天然產物的提取等，其綜合研發(fā)實力居于國際一流水平?？梢哉f，國投有實力、也有能力幫助中國的微藻研究迅速追趕國際先進水平。

微藻之緣，傳承之志

作為國際頂尖的藻類生物技術專家，胡強的工作重點是微藻生物能源項目的相關研究。促使他放棄在美國舒適工作和生活環(huán)境的原因，除了非常珍惜此次國投進軍微藻產業(yè)的機會之外，幫助國內微藻科研人才的成長也是胡強決定回國的重要原因。

胡強認為人才培養(yǎng)比科研更重要。他說：“很多教授在國外呆了幾十年，帶了很多學生，會有獨到地培養(yǎng)學生做人、做學問的方法。要教會這些不是說訪問一兩天，做個報告就能達到了，是要在實驗室和學生一起做研究，只有這樣才能培養(yǎng)好學生。在這點上‘千人計劃’提供了很好的平臺，使國內的科研思路可以很好地和國外接軌。以前可能差別比較大，現在很多人回來，差距正在逐漸縮小?！?/p>

國投微藻生物科技中心集合了一批國內院所進行微生物研究和工程設計的青年學者，胡強希望能夠培養(yǎng)他們成為下一代的微藻研究接班人，傳承微藻開發(fā)利用之志。談到最注重對于學生哪方面能力的培養(yǎng)時，胡強強調“是創(chuàng)造性，獨立分析和思考問題的能力?！逼鸪鹾芏鄬W生不達標，經過半年到一年的培訓之后，都很好地適應了工作要求?！斑@給了我很大信心，不管你是做老師還是高級學者，只要耐心工作個一兩年，就可以看到學生的成長，應該能夠很快培養(yǎng)一批人起來?！?/p>

盡管自己經常工作到凌晨，工作強度非常大，胡強非常不鼓勵同事們在非必要的時候加班加點。在今年9月即將完工的中試基地工程建設中，專門為大家設計了乒乓球、羽毛球、健身房等服務設施，胡強對于人才的呵護由此可見一斑。

回望過去走過的科研之路，胡強給自己的關鍵詞是勤奮和執(zhí)著。不少“海歸”科學家適應了國外寬松的工作氛圍后，對于國內的高壓運轉狀態(tài)非常不適應，需要一段過渡期。胡強則似乎沒有這樣的時間段。

“因為在美國的時候工作節(jié)奏也很快?！焙芏嗳丝磥硭坪鹾苄疫\，專注的領域是熱門。但所謂的“幸運”與他的堅持密不可分。

“勤奮、執(zhí)著，不輕言放棄。在微藻這個領域里面，這么多年一路走來，執(zhí)著也好、勤奮也罷，其實都是對自身興趣的追求。幸運的是自己的興趣能夠跟國家社會的需求結合起來?，F在正好我的志向與國投的發(fā)展戰(zhàn)略、水生所的研究方向以及國家的需求結合了起來?！?/p>

國家戰(zhàn)略需求為基石，企業(yè)大力發(fā)展為平臺，科研機構研發(fā)為驅動，在未來的幾年內，微藻生物能源必將實現研發(fā)、技術、設備和工藝的全面創(chuàng)新。在推動微藻生物技術和生物能源產業(yè)化的征程上，胡強和他的伙伴們正前進在路上。單細胞微藻究竟會爆發(fā)出怎樣的巨大能量，讓我們拭目以待。