生 物 工 程 学 报 Chinese Journal of Biotechnology DOI: 10.13345/j.cjb.150311 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 October 25, 2015, 31(10): 1415 1436 2015 Chin J Biotech, All rights reserved 综 述 1415 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 杨 晓 秋 1, 吴 寅 嵩 2, 闫 金 定 1, 宋 海 刚 1, 范 建 华 2, 李 元 广 1 科 学 技 术 部 基 础 研 究 管 理 中 心, 北 京 100864 2 华 东 理 工 大 学 生 物 反 应 器 工 程 国 家 重 点 实 验 室, 上 海 200237 2 杨 晓 秋, 吴 寅 嵩, 闫 金 定, 等. 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势. 生 物 工 程 学 报, 2015, 31(10): 1415 1436. Yang XQ, Wu YS, Yan JD, et al. Trends of microalgal biotechnology: a view from bibliometrics. Chin J Biotech, 2015, 31(10): 1415 1436. 摘 要 : 微 藻 作 为 一 类 单 细 胞 光 合 生 物, 具 有 光 能 利 用 率 高 生 长 速 度 快 生 物 活 性 成 分 和 储 能 物 质 含 量 高 等 特 点, 在 食 品 饲 料 生 物 能 源 碳 减 排 和 废 水 处 理 等 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 本 文 系 统 查 阅 了 近 年 来 国 内 外 微 藻 领 域 发 表 的 相 关 文 献 和 专 利, 藉 此 对 微 藻 生 物 技 术 领 域 的 研 究 进 展 及 存 在 问 题 进 行 了 梳 理 和 分 析, 并 对 我 国 微 藻 生 物 技 术 的 科 技 布 局 重 要 成 果 及 发 展 瓶 颈 进 行 了 概 述, 最 后 对 微 藻 生 物 技 术 的 发 展 趋 势 予 以 展 望 关 键 词 : 微 藻, 生 物 技 术, 微 藻 能 源, 微 藻 固 碳, 废 水 处 理, 发 展 趋 势 Trends of microalgal biotechnology: a view from bibliometrics Xiaoqiu Yang 1, Yinsong Wu 2, Jinding Yan 1, Haigang Song 1, Jianhua Fan 2, and Yuanguang Li 2 1 Basic Research Management Center, Ministry of Science and Technology, Beijing 100864, China 2 State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China Abstract: Microalgae is a single-cell organism with the characteristics of high light energy utilization rate, fast growth rate, high-value bioactive components and high energy material content. Therefore, microalgae has broad application prospects in food, feed, bioenergy, carbon sequestration, wastewater treatment and other fields. In this article, the microalgae biotechnology development in recent years were fully consulted, through analysis from the literature and patent. The progress of microalgal biotechnology at home and abroad is compared and discussed. Furthermore, the project layout, important achievements and development bottlenecks of microalgae biotechnology in our country were also summarized. At last, future development directions of microalgae biotechnology were discussed. Received: July 6, 2015; Accepted: September 6, 2015 Corresponding author: Yuanguang Li. Tel/Fax: +86-21-64250964; E-mail: ygli@ecust.edu.cn
1416 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 Keywords: microalgae, biotechnology, microalgae energy, microalgae carbon biofixation, wastewater treatment, development tendency 微 藻 是 一 类 介 于 微 生 物 与 高 等 植 物 细 胞 之 间 的 单 细 胞 生 物, 可 以 进 行 光 合 作 用, 能 有 效 利 用 太 阳 能 将 水 CO 2 和 无 机 盐 转 化 为 有 机 物 [1] 微 藻 具 有 对 光 能 的 利 用 率 高 生 长 速 度 快 对 生 长 环 境 要 求 低 及 储 能 物 质 ( 油 脂 烃 ) 含 量 高 等 优 点, 被 公 认 为 最 具 发 展 潜 力 的 第 三 代 生 物 能 源 原 料 [2-3] 此 外, 微 藻 的 固 碳 效 率 是 植 物 的 10 倍 以 上, 可 解 决 CO 2 的 点 源 排 放 问 题, 是 国 内 外 生 物 固 碳 之 首 选 [4-5] ; 微 藻 生 长 过 程 需 要 大 量 的 N/P 等 营 养, 是 净 化 富 含 N/P 废 水 的 有 效 途 径 [6-7] ; 除 储 能 物 质 外, 微 藻 还 含 有 大 量 蛋 白 质 多 糖 色 素 多 不 饱 和 脂 肪 酸 等 生 物 活 性 成 分, 其 应 用 面 广 价 值 高 [8] 微 藻 生 长 所 需 要 的 阳 光 取 之 不 竭, 所 需 碳 源 正 是 人 类 亟 待 大 量 固 定 的 CO 2, 所 需 营 养 正 是 造 成 我 国 水 体 大 面 积 富 营 养 化 的 N/P, 而 利 用 微 藻 为 原 料 加 工 而 成 的 能 源 水 产 饵 料 及 饲 料 添 加 剂 营 养 补 充 剂 及 新 资 源 食 品 等 大 健 康 产 业 产 品 的 市 场 需 求 量 极 大 由 此 可 见, 微 藻 培 养 所 用 原 料 来 源 极 其 丰 富 且 多 为 严 重 污 染 环 境 的 废 物, 量 大 面 广, 而 微 藻 产 品 的 市 场 需 求 量 也 极 其 巨 大, 二 者 之 间 正 好 可 以 匹 配, 因 此 微 藻 生 物 技 术 这 一 战 略 性 新 兴 产 业 可 以 被 培 育 为 一 个 应 用 面 很 广 的 大 产 业, 其 发 展 趋 势 非 常 值 得 探 究 [9] 自 然 界 中 微 藻 的 种 类 数 以 万 计, 形 态 各 异, 细 胞 生 长 迅 速, 并 能 够 适 应 不 同 的 光 强 温 度 湿 度 和 营 养 生 境, 是 人 类 尚 未 充 分 开 发 利 用 的 重 要 生 物 资 源 但 是, 迄 今 为 止, 仅 有 少 数 几 种 微 藻 ( 如 螺 旋 藻 小 球 藻 盐 藻 及 雨 生 红 球 藻 等 ) 实 现 产 业 化 [10-12], 而 且 整 体 产 业 规 模 仍 然 较 小 [13], 全 球 微 藻 藻 粉 的 年 产 量 约 为 数 万 吨, 远 远 没 有 发 挥 微 藻 资 源 的 开 发 价 值 [14] 微 藻 生 物 技 术 是 以 微 藻 生 物 学 为 基 础, 利 用 生 物 学 和 工 程 学 原 理, 研 究 微 藻 藻 种 选 育 细 胞 培 养 及 其 装 备 采 收 及 水 的 循 环 利 用 与 处 理 藻 细 胞 的 深 加 工 及 其 应 用 等 的 生 物 技 术 我 国 微 藻 生 物 学 研 究 自 20 世 纪 50 年 代 开 始, 近 年 来 得 到 了 迅 猛 的 发 展 本 文 首 次 对 近 9 年 来 国 内 外 已 发 表 的 有 关 微 藻 方 面 的 论 文 及 专 利 进 行 系 统 梳 理 与 分 析, 藉 此 来 探 究 微 藻 生 物 技 术 的 发 展 趋 势, 为 该 领 域 的 科 技 工 作 者 的 研 究 方 向 把 握 及 相 关 政 府 部 门 的 决 策 提 供 参 考 1 论 文 数 据 来 源 及 分 析 本 文 以 Web of Science 的 SCI-Expanded 数 据 库 为 数 据 源 进 行 检 索, 选 择 主 题 词 为 microalgae, 时 间 跨 度 为 2006 年 1 月 1 日 至 2014 年 12 月 31 日 检 索 时 间 :2015 年 4 月 10 日 检 索 微 藻 主 题 词 的 相 关 研 究 文 献, 共 检 索 到 7 588 篇 文 献 主 要 从 以 下 几 个 方 面 予 以 分 析 1.1 年 度 分 布 分 析 2006 2014 年, 微 藻 相 关 研 究 论 文 发 表 量 总 体 呈 现 上 升 趋 势, 尤 其 是 2011 2013 年 增 长 显 著 ( 表 1, 图 1), 年 增 长 率 均 超 过 25% 2014 年 微 藻 领 域 相 关 研 究 论 文 发 表 量 较 2013 年 增 长 了 11%, 截 止 至 本 文 检 索 时 间, 数 据 库 中 2014 年 研 究 论 文 数 据 仍 在 持 续 更 新, 论 文 数 量 增 长 率 仍 有 可 能 进 一 步 提 高
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1417 1.2 国 家 或 地 区 分 布 分 析 2006 2014 年 期 间, 共 有 超 过 100 个 国 家 或 地 区 发 表 了 有 关 微 藻 方 面 研 究 的 论 文, 其 中 有 24 个 国 家 或 地 区 发 文 量 超 过 100 篇 美 国 发 表 了 1 479 篇 论 文, 占 总 发 文 量 的 近 20%, 排 名 位 居 第 一 紧 随 其 后 的 依 次 是 中 国 西 班 牙 法 国 澳 大 利 亚 从 论 文 的 平 均 被 引 频 次 来 看, 发 文 量 前 十 的 国 家 中, 德 国 最 高, 平 均 被 引 频 次 为 16.17 次, 其 次 为 美 国 和 澳 大 利 亚, 平 均 被 引 频 次 超 过 15 次 中 国 韩 国 和 日 本 的 论 文 平 均 被 引 频 次 相 对 较 低, 说 明 我 国 微 藻 领 域 发 表 论 文 的 质 量 还 有 待 提 高 2011 年 以 来 我 国 在 微 藻 领 域 的 发 文 量 增 长 迅 速, 发 文 量 仅 次 于 美 国, 远 远 高 于 其 他 国 家 或 地 区 ( 图 2), 这 与 近 年 来 中 美 等 国 家 在 微 藻 生 物 技 术 领 域 的 大 量 投 入 是 密 不 可 分 的 1.3 主 要 研 究 机 构 分 布 分 析 发 表 论 文 的 主 要 研 究 机 构 结 果 表 明, 发 文 量 大 于 100 篇 的 共 有 6 个 机 构, 由 高 到 低 依 次 是 法 国 科 学 研 究 中 心 中 国 科 学 院 法 国 发 展 研 究 所 美 国 加 州 大 学 西 班 牙 国 家 科 学 研 究 理 事 会 和 美 国 能 源 部 其 中, 法 国 科 学 研 究 中 心 发 表 论 文 数 量 最 多, 为 316 篇 ; 美 国 能 源 部 论 文 平 均 被 引 频 次 最 高, 为 33.98 表 1 SCI-Expanded 数 据 库 检 索 到 的 每 年 以 microalgae 为 主 题 词 的 论 文 数 量 Table 1 The annual quantity of published papers searched from SCI-Expanded database with the topic word microalgae Years 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Quantity of published papers 340 372 474 554 639 897 1 127 1 512 1 673 图 1 SCI-Expanded 数 据 库 检 索 到 的 以 microalgae 为 主 题 词 的 论 文 数 量 及 年 增 长 率 变 化 Fig. 1 The annual quantity and growth rate of published papers searched from SCI-Expanded database with the topic word microalgae. cjb@im.ac.cn
1418 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 表 2 2006 2014 年 微 藻 领 域 研 究 发 文 量 位 居 前 20 位 的 国 家 或 地 区 Table 2 The published papers information of top 20 counties/regions in 2006 2014 No. Country/region Published papers Proportion in total published papers (%) Total number of Average number of 1 USA 1 479 19.49 23 290 15.75 64 2 China 1 030 13.57 9 709 9.43 40 3 Spain 550 7.25 6 992 12.71 36 4 France 496 6.54 7 280 14.68 38 5 Australian 421 5.55 6 570 15.61 40 6 Germany 406 5.35 6 563 16.17 38 7 South Korea 370 4.88 2 850 7.70 25 8 Indian 321 4.23 3 757 11.70 31 9 Japan 303 3.99 2 098 6.92 22 10 Italy 294 3.88 4 268 14.52 28 11 Brazil 277 3.65 2 176 7.86 24 12 UK 272 3.59 4 241 15.59 30 13 Canada 258 3.40 3 166 12.27 27 14 Portugal 240 3.16 4 144 17.14 26 15 Netherlands 207 2.73 3 384 16.35 30 16 Mexico 189 2.49 1 644 8.70 22 17 Taiwan, China 188 2.48 2 895 15.40 27 18 Belgium 148 1.95 1 960 13.24 24 19 Malaysia 133 1.75 1 523 11.45 21 20 Turkey 128 1.69 2 097 16.38 24 H-index 图 2 2006 2014 年 主 要 国 家 或 地 区 微 藻 领 域 论 文 发 表 情 况 Fig. 2 Annual quantity of published papers of main counties/regions in 2006 2014.
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1419 表 3 2006 2014 年 微 藻 领 域 研 究 发 文 量 位 居 前 10 位 的 机 构 Table 3 Top 10 microalgae research institution in published papers quantity in 2006 2014 No. Research institution Quantity of published papers Total number of Average number of 1 Centre National de la Recherche Scientifique 316 3 890 12.31 31 2 Chinese Academy of Sciences 301 2 783 9.25 22 3 Institut De Recherche Pour Le Developpement (Ird) H-index 141 1 408 9.99 18 4 University of California System 139 2 420 17.41 24 5 Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC) 122 2 307 18.91 25 6 United States Department of Energy (DOE) 109 3 704 33.98 26 7 Ifremer 98 1 074 10.96 17 8 Wageningen University Research Center 95 1 590 16.74 21 9 Russian Academy of Sciences 91 575 6.32 13 10 University of Nantes Angers Le Mans 83 776 9.35 15 表 4 2006 2014 年 微 藻 领 域 研 究 发 文 量 位 居 前 10 位 的 国 内 机 构 Table 4 Top 10 domestic microalgae research institutions in published papers quantity in 2006 2014 No. Research institution Quantity of published papers Total number of Average number of 1 Chinese Academy of Sciences 301 2 783 9.25 22 2 Ocean University of China 71 357 5.03 12 H-index 3 University of Chinese academy of sciences 67 302 4.51 10 4 Zhejiang University 49 476 9.71 10 5 Tsinghua University 46 917 19.93 17 6 Jinan University 43 198 4.60 7 7 South China University of Technology 37 677 18.30 14 8 Xiamen University 34 234 6.88 10 9 University of Hong Kong 27 677 25.07 13 10 Chinese Academy of Fishery Sciences 23 79 3.43 5 中 国 科 学 院 发 表 论 文 301 篇, 仅 次 于 法 国 科 学 研 究 中 心, 位 居 第 二 中 国 科 学 院 包 括 的 研 究 单 位 较 多, 主 要 有 青 岛 生 物 能 源 与 过 程 研 究 所 海 洋 研 究 所 大 连 化 学 物 理 研 究 所 武 汉 水 生 生 物 研 究 所 广 州 能 源 研 究 所 等 多 个 机 构, 但 论 文 的 平 均 被 引 频 次 和 H- 指 数 在 前 6 位 机 构 中 均 最 低 国 内 机 构 中, 在 微 藻 领 域 发 文 量 较 多 的 有 中 国 科 学 院 ( 含 中 国 科 学 院 大 学 ) 中 国 海 洋 大 学 浙 江 大 学 清 华 大 学 暨 南 大 学 和 香 港 大 学 等 其 中, 文 章 平 均 引 用 频 次 最 高 的 是 香 港 大 学 cjb@im.ac.cn
1420 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 1.4 主 要 研 究 方 向 2006 2014 年 微 藻 领 域 相 关 论 文 的 研 究 方 向 主 要 集 中 在 生 物 技 术 和 应 用 微 生 物 学 (Biotechnology & Applied Microbiology) 水 生 生 物 学 (Marine & Freshwater Biology) 能 源 与 燃 料 (Energy & Fuels) 环 境 科 学 与 生 态 学 (Environmental Science & Ecology) 以 及 农 学 (Agriculture) 等 ( 表 5) 分 析 2006 2014 年 微 藻 生 物 技 术 领 域 各 研 究 方 向 每 年 论 文 发 表 情 况, 发 现 生 物 技 术 和 应 用 微 生 物 学 能 源 与 燃 料 环 境 科 学 与 生 态 学 以 及 农 学 4 个 研 究 方 向 增 长 十 分 明 显 ( 图 3) 尤 其 是 能 源 与 燃 料 研 究 方 向,2006 年 仅 发 表 6 篇 论 文, 到 2014 年 则 增 长 到 452 篇, 这 也 说 明 了 近 年 来 微 藻 能 源 的 开 发 已 逐 渐 成 为 全 球 的 研 究 热 点 表 5 2006 2014 年 微 藻 领 域 主 要 研 究 方 向 研 究 论 文 分 布 情 况 Table 5 The distribution of microalgae research papers in main research direction in 2006 2014 No. Main research direction Numbers of published papers Proportion in total published papers (%) 1 Biotechnology & Applied Microbiology 2 378 31.34 2 Marine & Freshwater Biology 1 585 20.89 3 Energy & Fuels 1 484 19.56 4 Environmental Science & Ecology 1 295 17.07 5 Agriculture 1 048 13.81 6 Engineering 1 000 13.18 7 Chemistry 745 9.82 8 Plant Sciences 503 6.63 9 Biochemistry & Molecular Biology 450 5.93 10 Oceanography 411 5.416 图 3 2006 2014 年 微 藻 领 域 主 要 研 究 方 向 发 表 论 文 的 时 间 分 布 Fig. 3 Distribution of microalgae research papers in time in 2006 2014.
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1421 1.5 高 频 文 章 分 析 通 过 对 2006 2014 年 微 藻 领 域 相 关 论 文 的 研 究 发 现, 论 文 总 引 用 次 数 超 过 200 次 的 有 15 篇, 其 中 Rodolfi 等 2009 年 在 Biotechnology and Bioengineering 上 发 表 的 论 文 Microalgae for oil: strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a low-cost photobioreactor [31] 的 引 用 总 次 数 及 年 平 均 引 用 次 数 均 最 高 ( 表 6) 在 引 用 次 数 前 20 篇 的 研 究 论 文 中, 有 18 篇 论 文 与 微 藻 能 源 相 关, 研 究 内 容 包 括 高 产 油 藻 种 的 筛 选 微 藻 培 养 油 脂 提 取 全 生 命 周 期 分 析 及 油 脂 代 谢 调 控 等 ( 表 6) 由 此 可 见, 微 藻 能 源 是 近 年 来 微 藻 生 物 技 术 领 域 中 的 研 究 热 点 表 6 2006 2014 年 微 藻 生 物 技 术 领 域 引 用 次 数 前 20 的 研 究 论 文 Table 6 The information of top 20 microalgae research papers in in 2006 2014 No. Title of research papers References Journal name Year Total number of Annual on average Microalgae for oil: strain selection, 1 induction of lipid synthesis and outdoor Biotechnology and [31] mass cultivation in a low-cost Bioengineering 2009 631 90.14 photobioreactor Second generation biofuels: 2 high-efficiency microalgae for biodiesel [32] Bioenergy Research 2008 536 67 production 3 Life-cycle assessment of biodiesel Environmental Science [33] 2009 production from microalgae & Technology 373 53.29 4 5 6 7 Microalgae as a raw material for biofuels production Lipid productivity as a key characteristic for choosing algal species for biodiesel production Environmental life cycle comparison of algae to other bioenergy feedstocks Toxicity of nanoparticles of CuO, ZnO and TiO 2 to microalgae Pseudokirchneriella subcapitata [34] [35] [36] [37] Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology Journal of Applied Phycology Environmental Science & Technology Science of the Total Environment 2009 339 48.43 2009 323 46.14 2010 296 49.3 2009 293 41.86 8 Biofuels from microalgae [38] Biotechnology Progress 2008 277 34.62 9 10 11 Effects of nitrogen sources on cell growth and lipid Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth and lipid content of Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris for biodiesel production Biodiesel production by microalgal biotechnology [39] [40] Applied Microbiology and Biotechnology Chemical Engineering and Processing 2008 274 34.25 2009 231 33.00 [41] Applied Energy 2010 230 38.33 cjb@im.ac.cn
1422 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Effect of iron on growth and lipid accumulation in Chlorella A high throughput Nile red method for quantitative measurement of neutral lipids in microalgae Biosorption of lead from aqueous solutions by green algae Spirogyra species: Kinetics and equilibrium studies The potential of sustainable algal biofuel production using wastewater resource Biomass and lipid productivities of Chlorella vulgaris under autotrophic, heterotrophic and mixotrophic growth conditions Comparison of several methods for effective lipid extraction from microalgae Lipid accumulation and CO(2) utilization of Nannochloropsis oculata in response to CO(2) aeration Micro and macroalgal biomass: A renewable source for bioethanol The promise and challenges of microalgal-derived biofuels [42] [43] [44] [45] Bioresource Technology Microbiological Methods Journal of Hazardous Materials Bioresource Technology 2008 229 28.62 2009 220 31.43 2008 217 27.12 2011 215 43.00 [46] Biotechnology Letters 2009 196 28.00 [47] [48] [49] [50] Bioresource Technology Bioresource Technology Bioresource Technology Biofuels Bioproducts & Biorefining-biofpr 2010 194 32.33 2009 188 28.86 2011 182 36.40 2009 181 25.86 续 表 6 2 专 利 数 据 来 源 及 其 分 析 德 温 特 创 新 索 引 (Derwent innovations index, 缩 写 为 DII) 是 世 界 上 最 全 面 的 国 际 专 利 信 息 数 据 库, 收 录 来 自 全 球 40 多 个 专 利 机 构 ( 涵 盖 100 多 个 国 家 ) 的 1 000 多 万 条 基 本 发 明 专 利 采 用 德 温 特 创 新 索 引 数 据 库, 以 microalgae 为 主 题 词 进 行 检 索, 检 索 时 间 段 为 2006 2014 年 检 索 时 间 2015 年 4 月 10 日, 共 检 索 到 1 729 个 专 利 族 其 中, 有 2 989 条 专 利 公 开 年 为 2006 2014 年 2.1 专 利 公 开 年 分 布 从 专 利 的 公 开 年 份 数 据 来 看, 近 年 来 微 藻 领 域 相 关 专 利 数 量 增 长 较 快 ( 图 4) 考 虑 到 专 利 公 开 有 一 定 的 滞 后,2014 年 微 藻 相 关 专 利 数 量 仍 会 有 大 幅 增 加 图 4 2006 2014 年 微 藻 生 物 技 术 相 关 专 利 公 开 年 分 布 Fig. 4 Distribution of microalgae biotechnology patents in year in 2006 2014. 2.2 专 利 优 先 权 国 家 及 地 区 分 布 分 析 2006 2014 年 微 藻 领 域 相 关 专 利 的 优 先 权 国 家 或 地 区 分 布 ( 图 5), 中 国 专 利 数 量 最 多 为 1 093 项, 紧 随 其 后 的 是 韩 国 (468 项 ) 美
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1423 国 (445 项 ) 仅 中 美 韩 三 国 的 专 利 就 占 总 专 利 数 的 67%, 说 明 微 藻 生 物 技 术 的 开 发 和 知 识 产 权 保 护 在 这 3 个 国 家 较 为 重 视 2009 年 以 来, 我 国 微 藻 领 域 相 关 专 利 增 长 迅 速, 远 远 超 过 其 他 国 家 ( 图 6), 表 明 近 年 来 微 藻 相 关 产 品 及 技 术 开 发 在 我 国 企 业 界 和 学 术 界 受 到 重 视, 预 计 未 来 会 有 很 广 阔 的 市 场 开 发 前 景 2.3 专 利 分 类 代 码 分 布 2006 2014 年 微 藻 领 域 相 关 专 利 的 德 温 特 手 工 代 码 主 要 集 中 在 B04-F08A ( 藻 类 ) D05-A03 ( 发 酵 装 置 ) D05-H08 ( 细 胞 及 组 织 培 养 ) 和 D05-H02 ( 培 养 装 置 ) ( 表 7), 这 些 专 利 主 要 涵 盖 藻 种 培 养 工 艺 及 生 物 反 应 器 相 关 技 术, 说 明 开 发 高 效 的 培 养 工 艺 和 生 物 反 应 器 装 置 所 涉 及 的 相 关 技 术 均 是 目 前 微 藻 领 域 的 研 究 热 点 图 5 2006 2014 年 微 藻 生 物 技 术 相 关 专 利 优 先 权 国 家 及 地 区 分 布 Fig. 5 Distribution of patents in countries or regions in 2006 2014. 图 6 2006 2014 年 主 要 国 家 微 藻 相 关 专 利 公 开 年 分 布 Fig. 6 Distribution of patents of main countries or regions in 2006 2014. cjb@im.ac.cn
1424 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 表 7 2006 2014 年 微 藻 相 关 专 利 德 温 特 手 工 代 码 分 布 Table 7 Distribution of microalgae biotechnology patents in Derwent Manual Code Derwent manual code Fields of technology Quantity of patent family Proportion in total patent families (%) B04-F08A Algae 523 30.51 D05-A03 Fermentation apparatus [general] 414 24.15 D05-H08 Cell or tissue culture 384 22.40 D05-H02 Culture apparatus 253 14.76 A12-W11L (Immobilised) enzymes or microorganisms, microbiology (polymer use) 199 11.61 D05-C Chemicals by fermentation (biosynthesis) [others; general.] 175 10.21 B11-C06 Containers, packing, preserving apparatus, storage tanks, transporting apparatus [general] 160 9.34 B11-A04 Fermentation apparatus 157 9.16 3 主 要 技 术 的 文 献 及 专 利 分 析 3.1 研 究 的 主 要 微 藻 种 类 分 布 对 近 年 来 藻 类 生 物 技 术 研 究 领 域 涉 及 的 主 要 微 藻 种 类 进 行 检 索, 在 检 索 的 7 种 微 藻 种 类 中, 与 小 球 藻 Chlorella 相 关 的 论 文 数 量 最 多, 达 1 805 篇, 远 高 于 其 他 藻 类 ( 表 8) 同 时, 与 Chlorella 相 关 研 究 论 文 数 量 呈 逐 年 增 加 ( 图 7), 研 究 方 向 主 要 集 中 在 生 物 技 术 和 应 用 微 生 物 学 (Biotechnology & Applied Microbiology) 能 源 与 燃 料 (Energy & Fuels) 农 业 (Agriculture) 工 程 学 (Engineering) 以 及 环 境 科 学 与 生 态 学 (Environmental Science & Ecology) 等 几 个 方 向 2006 2014 年 衣 藻 Chlamydomonas 微 拟 球 藻 Nannochloropsis 三 角 褐 指 藻 Phaeodactylum 和 雨 生 红 球 藻 Haematococcus 相 关 研 究 论 文 数 量 均 呈 逐 年 上 升 趋 势, 但 螺 旋 藻 Spirulina 和 杜 氏 藻 Dunaliella 相 关 研 究 论 文 的 发 表 数 量 在 2014 年 有 所 下 降 由 此 可 见,Chlorella 是 目 前 微 藻 生 物 技 术 研 究 中 最 为 广 泛 的 微 藻 种 类 表 8 2006 2014 年 微 藻 生 物 技 术 领 域 主 要 微 藻 种 类 发 表 论 文 情 况 Table 8 Distribution of published papers in main microalgae species in 2006 2014 No. Topic words Quantity of published papers Total number of Average number of H-index 1 Microalgae & Chlorella 1 805 22 432 12.43 65 2 Microalgae & Chlamydomonas 792 11 607 14.66 54 3 Microalgae & Nannochloropsis 557 7 350 13.20 37 4 Microalgae & Dunaliella 416 5 829 14.01 37 5 Microalgae & Spirulina 495 7 780 15.89 41 6 Microalgae & Phaeodactylum 383 6 605 17.25 33 7 Microalgae & Haematococcus 220 3 090 14.05 27
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1425 域 涉 及 的 主 要 技 术 进 行 了 检 索, 包 括 藻 种 选 育 培 养 技 术 光 生 物 反 应 器 采 收 技 术 加 工 技 术 及 分 子 生 物 学 技 术 等 6 个 方 面 其 中 微 藻 培 养 技 术 相 关 研 究 论 文 数 量 最 多, 达 3 063 篇, 其 次 是 藻 种 ( 藻 株 ) 选 育 和 微 藻 加 工 技 术 ( 包 括 能 源 食 品 饲 料 加 工 技 术 等 ), 分 别 为 2 552 篇 和 1 159 篇 论 文 数 量 较 少 的 依 次 是 微 藻 采 收 图 7 2006 2014 年 小 球 藻 相 关 研 究 论 文 发 表 的 时 间 分 布 Fig. 7 Distribution of published Chlorella research papers in 2006 2014. 在 2006 2014 年 微 藻 生 物 技 术 领 域 相 关 专 利 中, 对 7 种 主 要 微 藻 种 类 进 行 检 索 ( 表 9), 结 果 显 示 小 球 藻 Chlorella 相 关 专 利 数 量 最 多, 其 次 是 螺 旋 藻 Spirulina 和 杜 氏 藻 Dunaliella, 这 3 种 藻 均 是 目 前 已 经 实 现 大 规 模 产 业 化 的 主 要 藻 种 有 174 个 专 利 族, 包 括 358 项 公 开 专 利 与 小 球 藻 Chlorella 相 关, 远 高 于 其 他 藻 种, 说 明 小 球 藻 Chlorella 是 目 前 微 藻 生 物 技 术 研 发 及 产 业 化 中 涉 及 最 多 的 藻 种, 这 与 研 究 论 文 分 析 的 结 果 相 一 致 3.2 微 藻 研 究 涉 及 主 要 技 术 方 向 的 分 布 对 SCI-Expanded 数 据 库 中 近 年 来 藻 类 领 技 术 微 藻 分 子 生 物 学 技 术 及 光 生 物 反 应 器 3 个 研 究 方 向 ( 表 10), 论 文 数 量 分 别 为 521 篇 616 篇 和 781 篇 不 同 技 术 研 究 情 况 仍 存 在 一 些 差 距, 这 与 各 技 术 所 在 领 域 的 发 展 现 状 和 研 究 难 度 密 切 相 关 比 较 6 个 主 要 技 术 方 向 研 究 论 文 逐 年 的 发 表 情 况, 增 长 最 快 的 为 微 藻 采 收 技 术, 由 2006 年 的 5 篇, 增 长 到 2014 年 的 159 篇 此 外, 增 长 较 快 的 还 有 光 生 物 反 应 器 及 微 藻 加 工 技 术 相 关 研 究 论 文, 这 些 技 术 早 期 研 究 较 少, 研 究 基 础 较 差, 随 着 近 年 来 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 等 战 略 性 新 兴 产 业 的 发 展 才 逐 渐 引 起 人 们 的 重 视, 进 而 成 为 全 球 的 研 究 热 点 ( 图 8) 中 美 目 前 是 微 藻 生 物 技 术 研 究 最 主 要 的 两 个 国 家, 比 较 两 国 在 6 个 主 要 技 术 研 究 方 向 的 论 文 发 表 情 况, 我 国 在 微 藻 采 收 及 加 工 技 术 上 表 9 2006 2014 年 微 藻 生 物 技 术 相 关 专 利 涉 及 主 要 藻 种 分 布 Table 9 Distribution of patents in main microalgae species in 2006 2014 No. Microalgae species Topic keywords Numbers of patent families Numbers of patents 1 Chlorella Microalgae & Chlorella 174 358 2 Spirulina Microalgae & Spirulina 67 161 3 Dunaliella Microalgae & Dunaliella 56 130 4 Nannochloropsis Microalgae & Nannochloropsis 52 85 5 Chlamydomonas Microalgae & Chlamydomonas 49 96 6 Haematococcus Microalgae & Haematococcus 41 96 7 Phaeodactylum Microalgae & Phaeodactylum 27 44 cjb@im.ac.cn
1426 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 表 10 2006 2014 年 微 藻 领 域 研 究 论 文 主 要 研 究 方 向 分 布 情 况 Table 10 Distribution of published papers in main research directions in 2006 2014 Research direction Microalgae strain selection Microalgae cultivation Microalgae collection Photobioreactor Microalgae processing Molecular biological technology Topic words Quantity of published papers Total number of Average number of H-index Microalgae and strains or species 2 552 28 507 11.17 59 Microalgae and culture or cultivation or phototrophic or heterotrophic or mixtrophic 3 063 34 407 11.23 69 Microalgae and harvest 521 7 229 13.88 39 Microalgae and bioreactor or photobioreactor Microalgae and biodiesel processing or bioenergy processing feed processing or food processing or oil extraction or extraction Microalgae and gene or genetic or molecular biology or transgenosis 781 11 323 14.50 46 1 159 17 922 15.46 57 616 6 719 10.91 38 图 8 2006 2014 年 每 年 主 要 微 藻 技 术 方 向 研 究 论 文 发 表 情 况 Fig. 8 Annual quantity of published papers of main research directions in 2006 2014. 的 研 究 与 美 国 差 距 较 大, 发 文 量 不 及 美 国 的 50% 但 是 我 国 在 微 藻 培 养 方 面 的 研 究 发 文 量 已 与 美 国 接 近, 这 与 我 国 微 藻 养 殖 行 业 发 展 较 早 产 品 已 广 泛 用 于 食 品 及 水 产 养 殖 等 行 业 微 藻 产 业 规 模 较 大 微 藻 培 养 技 术 研 究 较 早 等 因 素 有 关 对 德 温 特 创 新 索 引 中 6 个 主 要 技 术 方 向 相
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1427 关 的 专 利 进 行 检 索, 发 现 与 微 藻 培 养 技 术 相 关 的 专 利 最 多, 共 检 索 到 985 个 专 利 族, 远 高 于 其 他 技 术 其 次 是 光 生 物 反 应 器, 有 336 个 专 利 族 ( 图 9) 微 藻 高 效 培 养 工 艺 及 光 生 物 反 应 器 是 微 藻 培 养 的 核 心 技 术, 是 微 藻 生 物 技 术 产 业 化 过 程 中 最 关 键 的 环 节 3.3 微 藻 能 源 固 碳 及 废 水 处 理 研 究 的 分 布 近 年 来 由 于 全 球 能 源 及 环 境 问 题 的 日 益 严 重, 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 废 水 处 理 成 为 了 微 藻 生 物 技 术 领 域 主 要 的 研 究 热 点 [15-16] 对 SCI-Expanded 数 据 库 中 近 年 来 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 污 水 处 理 相 关 的 文 献 进 行 了 检 索 ( 表 11), 其 发 表 量 逐 年 递 增, 其 中, 微 藻 能 源 发 展 最 快 ( 图 10) 从 发 文 量 看, 中 美 在 微 藻 能 源 固 碳 及 污 水 处 理 3 个 研 究 方 向 较 其 他 国 家 和 地 区 均 处 于 领 先 地 位 但 无 论 是 发 文 量 还 是 论 文 的 影 响 力 我 国 与 美 国 仍 存 在 一 定 的 差 距 ( 表 12), 其 中 最 突 出 的 是 微 藻 固 碳 研 究 方 向, 发 文 量 仅 为 美 国 的 59.82%, 论 文 平 均 引 用 频 率 仅 为 美 国 的 39.71% 目 前, 中 国 科 学 院 在 微 藻 能 源 固 碳 及 污 水 处 理 3 个 方 向 研 究 论 文 的 发 表 量 均 高 于 国 内 外 其 他 研 究 机 构, 但 文 章 的 平 均 引 用 频 次 及 H- 指 数 与 国 际 上 其 他 研 究 机 构 还 有 差 距 ( 表 13) 微 藻 能 源 方 面, 发 文 量 前 五 位 的 机 构 中, 美 国 能 源 部 发 表 的 研 究 论 文 平 均 引 用 频 次 最 高, 得 益 于 美 国 能 源 部 在 微 藻 能 源 研 究 方 面 的 重 视 和 图 9 2006 2014 年 主 要 微 藻 技 术 方 向 的 专 利 分 布 Fig. 9 Distribution of patents in main microalgae technical direction in 2006 2014. 表 11 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 微 藻 污 水 处 理 相 关 的 文 献 检 索 关 键 词 Table 11 Topic words of microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment Research direction Microalgae energy Microalgae CO 2 fixation Microalgae wastewater treatment Topic words Microalgae and triacylglycerol or fuel or bioenergy or biofuel or biohydrogen or biodiesel or bioethanol or biohydrocarbon Microalgae and flue gas or carbon or CO 2 or carbon dioxide and sequestration or consolidation or fixation or conversion Microalgae and sewage or waste water or wastewater or waste or runoff or effluent and treat or treatment or disposal or purification cjb@im.ac.cn
1428 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 藻 污 水 处 理 领 域, 我 国 已 成 为 最 大 的 专 利 国, 均 占 相 关 技 术 研 究 领 域 专 利 总 数 的 37% 左 右 ( 图 12) 4 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 分 析 通 过 对 2006 2014 年 微 藻 生 物 技 术 研 究 论 文 和 专 利 数 量 的 统 计 和 分 析, 可 以 看 出, 当 前 图 10 2006 2014 年 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 废 水 处 理 研 究 相 关 论 文 发 表 的 时 间 分 布 Fig. 10 Distribution of microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment research papers in 2006 2014. 支 持, 以 及 美 国 国 内 很 多 研 究 机 构 的 参 与 微 藻 固 碳 方 面, 西 班 牙 国 家 科 学 研 究 理 事 会 所 发 表 研 究 论 文 的 平 均 引 用 频 次 最 高, 达 37.27; 其 次 是 美 国 加 州 大 学, 平 均 引 用 频 次 为 36.76 微 藻 污 水 处 理 方 面, 美 国 明 尼 苏 达 州 大 学 所 发 表 论 文 的 质 量 较 高, 平 均 引 用 频 次 25.48 对 德 温 特 创 新 索 引 中 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 污 水 处 理 相 关 的 专 利 进 行 检 索, 发 现 近 年 来 3 个 领 域 的 专 利 公 开 数 均 有 较 大 增 长 ( 图 11) 中 美 两 国 是 主 要 的 专 利 授 权 国, 在 微 藻 固 碳 及 微 微 藻 生 物 技 术 已 步 入 快 速 发 展 阶 段, 除 了 把 微 藻 开 发 成 传 统 意 义 上 的 新 食 品 原 料 功 能 食 品 外, 随 着 新 能 源 碳 减 排 和 环 保 等 方 面 的 迫 切 需 要, 微 藻 在 生 物 能 源 生 物 固 碳 富 含 N/P 废 水 动 物 饲 料 及 食 品 等 行 业 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 [17] 尤 其 是 在 生 物 能 源 与 固 碳 减 排 方 面, 微 藻 具 有 无 可 比 拟 的 独 特 优 势 [18-19] 与 其 他 能 源 特 别 是 生 物 质 能 源 相 比, 微 藻 能 源 的 生 物 质 来 源 不 具 有 既 得 性 ( 其 他 能 源 的 原 料 可 由 其 他 领 域 提 供, 如 纤 维 素 乙 醇 的 原 料 由 农 业 部 门 提 供 [20] ), 微 藻 能 源 加 工 所 用 的 原 料 能 源 微 藻 细 胞 必 须 自 行 利 用 阳 光 碳 源 及 N/P 等 培 养 而 获 得 ; 此 外, 能 源 微 藻 是 从 悬 浮 于 低 密 度 大 体 积 的 水 相 状 态 中 采 收 而 获 得 且 水 含 量 很 高 [21], 这 与 能 源 作 物 及 其 他 能 源 原 料 完 全 不 同 再 者, 表 12 2006 2014 年 中 美 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 废 水 处 理 相 关 研 究 论 文 发 表 情 况 比 较 Table 12 Microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment research papers of China and USA in 2006 2014 Research direction Countries Numbers of published papers Proportion in total published paper (%) Total number of Average number of H-index Microalgae energy Microalgae CO 2 fixation Microalgae wastewater treatment USA 739 27.90 15 010 20.31 60 China 438 16.54 6 024 13.75 36 USA 219 20.99 4 704 21.48 34 China 131 12.50 1 118 8.53 16 USA 414 19.08 7 042 17.01 40 China 324 14.93 3 388 10.46 28
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1429 表 13 2006 2014 年 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 污 水 处 理 发 文 量 位 居 前 五 位 的 机 构 Table 13 Top 5 microalgae research institution in published microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment research papers quantity in 2006 2014 Research direction Microalgae energy No. Research institution Quantity of published papers Total number of Average number of 1 Chinese Academy of Sciences 134 1 885 14.07 19 2 United States Department of Energy DOE H-index 82 3 428 41.80 24 3 University of California System 80 1 615 20.19 19 4 Korea Advanced Institute of Science Technology KAIST 51 309 6.06 10 5 National Cheng Kung University 50 1 098 21.96 15 1 Chinese Academy of Sciences 38 340 8.95 9 Microalgae CO 2 fixation Microalgae wastewater treatment 2 National Cheng Kung University 32 670 20.94 15 3 4 Centre National de la Recherche Scientifique CNRS Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC 25 428 17.12 10 22 820 37.27 14 5 University of California System 21 772 36.76 12 1 Chinese Academy of Sciences 81 720 8.89 12 2 Centre National de la Recherche Scientifique CNRS 52 412 7.92 11 3 University of Minnesota 33 841 25.48 14 4 University of California System 30 228 7.60 8 5 Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC 27 436 16.15 10 图 11 2006 2014 年 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 废 水 处 理 技 术 相 关 专 利 公 开 的 时 间 分 布 Fig. 11 Distribution of microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment technology patents in 2006 2014. 利 用 高 效 的 光 合 作 用 所 获 得 的 微 藻, 其 细 胞 的 化 学 组 分 非 常 复 杂 ( 大 规 模 光 自 养 培 养 的 微 藻 细 胞 中 油 脂 或 烃 类 含 量 一 般 不 超 过 40%, 其 余 为 蛋 白 质 多 糖 及 色 素 等 生 物 活 性 物 质 ), 这 既 为 人 类 提 供 了 多 种 营 养 物 质 和 储 能 物 质, 也 对 从 微 藻 细 胞 中 同 时 分 离 提 取 营 养 物 质 和 储 能 物 质 的 技 术 提 出 了 挑 战, 因 此 微 藻 能 源 的 生 产 过 程, 必 然 伴 随 着 大 量 基 于 营 养 及 生 物 活 性 的 生 物 制 品 的 生 产, 这 两 类 产 品 的 耦 合 是 国 内 外 微 藻 生 物 技 术 产 业 化 发 展 的 必 经 之 路 [22-23] 当 前 国 际 微 藻 生 物 技 术 产 业 化 发 展 势 头 迅 cjb@im.ac.cn
1430 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 猛, 以 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 为 例, 多 数 微 藻 能 源 公 司 和 研 究 机 构 纷 纷 转 向 开 发 耦 合 微 藻 能 源 碳 减 排 废 水 资 源 化 利 用 高 附 加 值 产 品 开 发 的 一 体 化 技 术, 在 追 求 高 产 的 同 时 均 采 用 了 多 联 产 策 略 以 缓 解 成 本 压 力, 并 大 力 推 进 成 果 转 化, 开 展 工 程 示 范 随 着 碳 减 排 的 迫 切 需 要, 微 藻 固 碳 技 术 将 得 到 各 界 的 纷 纷 关 注 例 如 美 国 政 府 将 发 布 由 美 国 环 境 保 护 署 拟 定 的 清 洁 能 源 计 划 [24], 阐 明 了 针 对 美 国 发 电 厂 的 环 保 条 例 及 法 规, 限 制 美 国 发 电 厂 的 碳 排 放 量, 并 要 求 到 2030 年 美 国 所 有 发 电 厂 的 碳 排 放 量 减 少 30%, 相 当 于 该 国 每 年 超 过 一 半 家 庭 的 碳 排 放 量, 这 一 法 规 的 出 台, 无 疑 将 推 动 微 藻 固 碳 技 术 的 发 展 和 应 用 此 外,2015 年 7 月, 美 国 能 源 部 又 资 助 了 6 项 关 于 微 藻 能 源 方 面 的 项 目, 总 资 助 金 额 高 达 1 800 万 美 元, 项 目 将 围 绕 微 藻 高 附 加 值 产 品 微 藻 固 碳 以 及 敌 害 生 物 防 治 等 方 面 展 开 重 点 研 究, 预 期 在 2019 年 把 微 藻 生 物 燃 料 的 成 本 降 低 图 12 2006 2014 年 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 污 水 处 理 相 关 专 利 优 先 权 国 家 及 地 区 分 布 Fig. 12 Distribution of microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment technology patents in countries or regions. 到 5 美 元 / 加 仑 [25] 随 着 实 现 低 碳 经 济 和 节 能 减 排 的 迫 切 需 要, 相 信 制 约 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 产 业 化 的 高 成 本 这 一 瓶 颈 问 题 必 将 逐 步 得 以 解 决 短 期 内 的 成 本 问 题 可 以 通 过 以 下 几 个 方 面 的 集 成 来 平 衡 : 1) 持 续 的 技 术 研 发 提 高 效 率 ;2) CO 2 废 气 富 含 N/P 废 水 等 废 物 资 源 化 以 节 省 原 辅 材 料 消 耗 成 本 ;3) 非 油 脂 组 分 的 低 成 本 综 合 利 用 ( 需 建 立 严 格 的 质 量 标 准 体 系, 研 究 开 发 相 应 的 后 处 理 技 术, 避 免 废 物 资 源 化 利 用 后 对 藻 体 综 合 利 用 所 引 起 的 负 面 效 应 ) 按 照 上 述 思 路, 在 适 合 于 能 源 微 藻 终 年 培 养 且 具 有 CO 2 资 源 及 廉 价 的 N/P 资 源 的 我 国 部 分 地 区 ( 如 我 国 云 南 等 地 ), 微 藻 能 源 及 微 藻 固 碳 有 望 在 2020 年 前 后 实 现 小
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1431 规 模 产 业 化 前 文 对 文 献 与 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 进 行 了 分 析, 下 面 两 部 分 将 对 我 国 的 情 况 进 行 简 单 介 绍 与 展 望 5 我 国 目 前 微 藻 生 物 技 术 的 科 技 布 局 重 要 成 果 及 发 展 瓶 颈 多 年 来, 在 预 见 到 微 藻 能 源 在 未 来 国 民 经 济 和 科 技 实 力 竞 争 中 的 地 位 后, 科 技 部 和 有 关 部 门 先 后 启 动 了 一 系 列 相 关 研 究 计 划, 为 该 研 究 领 域 关 键 技 术 的 突 破 奠 定 了 很 好 的 基 础 如 科 技 部 的 十 五 863 计 划 项 目 富 含 EPA DHA 等 营 养 物 质 的 海 洋 微 藻 开 发 技 术 (819-02-01) 重 大 基 础 研 究 前 期 研 究 专 项 微 绿 球 藻 Nannochloropsis sp. EPA 生 成 途 径 与 酶 系 表 达 生 态 调 控 研 究 (2005 2007), 十 一 五 863 计 划 项 目 (2007AA09Z400) 海 洋 微 藻 合 成 PUFA 关 键 酶 基 因 研 究 技 术 产 能 海 洋 微 藻 的 分 离 筛 选 和 高 效 培 养 (2008 2010) 重 点 项 目 CO 2 - 油 藻 - 生 物 柴 油 关 键 技 术 研 究 (2009 年 批 准 ) 十 一 五 科 技 支 撑 项 目 课 题 (2006BAD09A12) 海 洋 微 藻 高 效 培 养 工 程 化 技 术 集 成 与 示 范 (2006 2010) 等 ; 中 国 科 学 院 2008 年 启 动 的 太 阳 能 计 划 中 国 - 俄 罗 斯 科 学 院 国 际 合 作 项 目 海 洋 产 能 微 生 物 采 集 与 筛 选 (2008 2009) 等 十 二 五 期 间, 我 国 政 府 对 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 及 废 物 资 源 化 利 用 等 方 面 给 予 了 高 度 重 视 科 技 部 在 973 计 划 863 计 划 和 科 技 支 撑 计 划 中 从 不 同 角 度 对 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 及 废 物 资 源 化 利 用 予 以 大 力 支 持, 资 助 总 额 为 1.600 7 亿 元 人 民 币, 具 体 见 表 14 此 外, 中 国 石 化 国 家 海 洋 局 山 西 省 广 东 省 上 海 市 等 也 对 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 等 给 予 了 大 力 支 持 我 国 在 微 藻 生 物 技 术 领 域 如 种 质 资 源 和 大 规 模 培 养 技 术 等 方 面 具 有 较 好 的 研 究 工 作 基 础, 且 微 藻 产 业 初 具 规 模, 如 螺 旋 藻 Spirulina 产 量 居 世 界 第 一 [16] 近 年 来, 我 国 发 展 微 藻 生 物 技 术 的 最 大 推 动 力 来 自 于 保 障 国 家 能 源 和 资 源 战 略 安 全 的 迫 切 需 求, 即 在 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 方 面 予 以 了 大 量 关 注 面 向 全 世 界 掀 起 的 微 藻 能 源 及 微 藻 固 碳 开 发 热 潮, 为 了 提 升 相 关 技 术 的 原 始 创 新 能 力, 我 国 许 多 大 学 和 研 究 机 构 开 展 了 大 量 研 究 工 作, 在 微 藻 优 良 藻 种 的 选 育 ( 如 中 国 科 学 院 水 生 生 物 学 研 究 所 中 国 海 洋 大 学 中 国 科 学 院 海 洋 所 暨 南 大 学 厦 门 大 学 等 ) 代 谢 调 控 与 基 因 工 程 ( 如 中 国 科 学 院 青 岛 能 源 所 清 华 大 学 中 国 科 学 院 遗 传 与 发 育 生 物 学 研 究 所 中 国 科 学 院 水 生 生 物 学 研 究 所 华 南 理 工 大 学 中 国 科 学 院 海 洋 研 究 所 中 国 科 学 院 烟 台 海 岸 带 研 究 所 北 京 大 学 华 东 理 工 大 学 等 ) 微 藻 规 模 培 养 ( 如 华 东 理 工 大 学 中 国 科 学 院 过 程 工 程 研 究 所 新 奥 集 团 中 国 科 学 院 广 州 能 源 所 中 国 科 学 院 海 洋 研 究 所 中 国 科 学 院 青 岛 能 源 所 中 国 科 学 院 大 连 化 学 物 理 研 究 所 浙 江 大 学 等 ) 高 效 光 生 物 反 应 器 研 制 ( 如 华 东 理 工 大 学 中 国 科 学 院 过 程 工 程 研 究 所 中 国 科 学 院 青 岛 能 源 所 等 ) 藻 体 高 效 采 收 ( 如 中 国 科 学 院 过 程 工 程 研 究 所 中 国 科 学 院 天 津 工 业 生 物 技 术 研 究 所 等 ) 油 脂 提 取 与 生 物 柴 油 制 备 ( 如 北 京 化 工 大 学 中 国 科 学 院 广 州 能 源 所 上 海 交 通 大 学 等 ) 藻 体 其 他 成 分 综 合 利 用 ( 如 南 京 工 业 大 学 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 等 ) 等 方 面, 已 取 得 许 多 可 喜 结 果, 例 如 我 国 在 微 藻 cjb@im.ac.cn
1432 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 表 14 十 二 五 期 间 科 技 部 对 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 及 废 物 资 源 化 利 用 等 领 域 的 科 研 投 入 Table 14 R&D input by MOST in the field of microalgae energy and CO 2 fixation as well as waste resource utilization during 2011 2015 资 助 额 度 项 目 ( 课 题 ) 项 目 类 别 立 项 部 门 起 止 年 限 项 目 ( 课 题 ) 名 称 ( 万 元 ) 负 责 人 973 计 划 能 源 领 域 基 础 司 2805 2011 2015 微 藻 能 源 规 模 化 制 备 的 科 学 基 础 李 元 广 国 家 科 技 支 撑 计 划 农 村 司 4300 2012 2015 863 计 划 能 源 领 域 ( 固 碳 ) 高 新 司 998 2012 2015 973 计 划 基 础 司 444 2012 2016 能 源 微 藻 育 种 与 高 效 生 产 关 键 技 术 研 究 与 示 范 燃 煤 烟 气 CCUS 关 键 技 术 中 的 课 题 CO 2 生 物 转 化 应 用 技 术 高 效 绿 色 炼 油 技 术 的 化 学 和 工 程 基 础 中 的 课 题 微 藻 用 于 炼 油 过 程 NOx 减 排 的 工 程 基 础 吴 庆 余 程 军 荣 峻 峰 863 计 划 能 源 领 域 高 新 司 2690 2012 2016 新 型 能 源 藻 培 养 与 能 源 产 品 转 化 技 术 胥 维 昌 863 计 划 资 环 领 域 社 发 司 2321 2013 2016 利 用 微 藻 清 洁 制 备 生 物 燃 料 关 键 技 术 张 成 武 863 计 划 生 物 医 药 领 域 ( 固 碳 ) 社 发 司 2449 2014 2016 微 藻 生 物 固 碳 关 键 技 术 与 产 品 开 发 宋 立 荣 培 养 领 域 开 发 了 异 养 - 稀 释 - 光 诱 导 串 联 培 养 [26] [27] 异 养 细 胞 作 为 种 子 的 光 自 养 培 养 等 新 模 式, 在 光 生 物 反 应 器 研 制 方 面 获 得 敏 感 性 参 数 可 用 于 指 导 光 生 物 反 应 器 的 优 化 等 [28-30] 把 握 时 机, 加 大 发 展 力 度, 我 国 在 该 领 域 将 有 望 很 快 赶 超 国 际 先 进 水 平 众 所 周 知, 微 藻 大 规 模 开 发 利 用 的 首 要 问 题 是 要 解 决 微 藻 规 模 化 培 养 问 题 结 合 国 内 外 微 藻 生 物 技 术 发 展 现 状 及 我 国 国 情, 当 前 微 藻 生 物 技 术 产 业 化 在 技 术 层 面 主 要 在 以 下 几 个 方 面 需 要 集 中 攻 克 :1) 光 生 物 反 应 器 及 微 藻 培 养 工 艺 的 优 化 与 放 大 ;2) 微 藻 高 效 光 合 固 碳 和 生 长 代 谢 网 络 的 认 识 与 改 造 ;3) 碳 源 选 择 CO 2 的 高 效 吸 收 及 其 与 微 藻 光 自 养 培 养 过 程 的 耦 合 ;4) 微 藻 养 殖 用 水 的 循 环 利 用 及 处 理 ;5) 微 藻 光 自 养 培 养 过 程 敌 害 生 物 的 有 效 防 治 ;6) 微 藻 生 产 系 统 的 原 料 过 程 产 物 检 测 方 法 与 标 准 ;7) 微 藻 采 收, 色 素 蛋 白 油 脂 等 有 效 成 分 提 取 及 产 品 加 工 与 应 用 ;8) 集 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 高 附 加 值 产 品 一 体 化 技 术 的 集 成 优 化 与 示 范 其 中 如 何 开 发 高 效 低 成 本 的 大 规 模 培 养 技 术 及 系 统 建 立 适 合 于 我 国 国 情 的 微 藻 产 业 统 一 的 技 术 标 准 体 系 等, 则 是 当 前 促 进 我 国 微 藻 生 物 技 术 产 业 快 速 发 展 中 亟 待 解 决 的 瓶 颈 问 题 之 一 6 相 关 发 展 建 议 在 大 众 创 业 万 众 创 新, 科 技 驱 动 型 发 展 的 背 景 下, 缓 解 能 源 短 缺 压 力 发 展 低 碳 经 济 实 现 新 型 循 环 经 济, 保 护 环 境 与 改 善 生 态 解 决 三 农 问 题 建 设 节 约 型 社 会, 都 呼 唤 微 藻 生 物 技 术 这 一 战 略 性 新 兴 产 业 的 快 速 发 展 系 统 的 基 础 研 究 和 技 术 优 化 集 成 方 面 的 研 究 不 足, 导 致 了 成 本 高 效 率 低, 从 而 制 约 了 我 国 微 藻
杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1433 生 物 技 术 产 业 的 发 展 6.1 技 术 研 发 层 面 藻 种 方 面 : 继 续 开 展 新 的 藻 种 资 源, 特 别 是 具 工 业 应 用 性 状 高 附 加 值 产 品 联 产 性 状 的 特 色 藻 种 的 发 掘 及 筛 选 ; 加 大 现 代 生 物 技 术 进 行 微 藻 藻 种 的 改 良 与 构 建, 推 动 可 工 业 化 应 用 的 新 型 燃 料 分 子 合 成 与 固 碳 的 基 因 工 程 藻 株 的 构 建 生 物 质 规 模 化 获 得 方 面 : 建 立 低 成 本 高 密 度 低 能 耗 低 水 耗 的 微 藻 创 新 培 养 方 法 ; 发 展 低 成 本 易 放 大 少 维 护 和 高 光 效 的 微 藻 培 养 装 备 技 术 ; 建 立 基 于 富 含 N/P 废 水 CO 2 废 气 等 资 源 化 利 用 的 微 藻 培 养 技 术 体 系, 建 立 连 续 或 半 连 续 的 高 效 培 养 工 艺 ; 解 决 户 外 大 规 模 培 养 过 程 中 的 敌 害 生 物 防 治 问 题 产 业 技 术 模 式 方 面 : 突 出 微 藻 高 值 化 产 品 耦 联 及 与 碳 减 排 耦 联 的 微 藻 能 源 生 产 技 术 模 式 的 创 立 与 示 范 ; 加 强 微 藻 生 物 炼 制 技 术 的 研 发, 以 大 幅 降 低 微 藻 生 物 能 源 的 综 合 成 本, 促 进 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 产 业 的 形 成 6.2 政 策 方 面 十 二 五 期 间 科 技 部 在 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 方 面 相 继 布 置 了 包 括 973 支 撑 计 划 及 多 个 863 项 目, 但 项 目 支 持 较 分 散 且 部 分 关 键 技 术 的 研 究 内 容 重 叠, 不 利 于 真 正 实 现 重 大 创 新 关 键 突 破 与 系 统 集 成, 建 议 在 十 三 五 期 间 能 够 集 中 优 势 单 位 通 过 链 条 式 分 解, 以 微 藻 生 物 技 术 专 项 形 式 予 以 重 点 支 持 其 立 题 的 指 导 思 想 应 该 调 整 为 市 场 质 量 成 本, 围 绕 此 开 展 技 术 集 成 关 键 技 术 研 发 及 相 关 重 大 基 础 研 究 由 于 目 前 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 的 商 业 化 应 用 的 经 济 性 尚 无 市 场 竞 争 力, 因 此 应 加 强 支 持 以 关 键 单 元 技 术 突 破 与 单 元 技 术 中 试 放 大 为 核 心 的 研 究, 加 快 推 进 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 研 究 平 台 的 构 建 系 统 集 成 优 化 与 产 业 化 示 范 鼓 励 与 支 持 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 及 废 物 资 源 化 利 用 产 业 化 技 术 的 开 发 和 现 有 微 藻 生 物 技 术 产 业 相 结 合 ; 着 重 微 藻 高 值 化 产 品 生 产 技 术 的 研 发 中 试 与 产 业 化 应 用, 为 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 及 富 含 氮 / 磷 资 源 有 效 利 用 的 战 略 性 新 兴 产 业 的 形 成 奠 定 技 术 和 工 程 方 面 的 基 础 加 强 官 产 学 研 用 紧 密 结 合, 大 力 推 动 具 备 产 业 化 条 件 的 地 方 政 府 企 业 及 国 际 合 作, 同 时 要 大 力 支 持 微 藻 生 物 技 术 方 面 的 人 才 培 养, 特 别 是 工 程 方 面 人 才 亟 待 培 养 ; 尽 快 成 立 中 国 微 藻 产 业 联 盟 与 国 家 级 微 藻 生 物 技 术 工 程 研 究 中 心 及 微 藻 生 物 技 术 国 家 重 点 实 验 室, 聚 集 我 国 微 藻 生 物 技 术 领 域 的 核 心 力 量, 突 破 体 制 及 机 制 约 束, 实 现 真 正 的 优 势 力 量 整 合, 形 成 合 力, 结 合 我 国 的 资 源 特 点 尽 快 形 成 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 及 富 含 氮 / 磷 资 源 有 效 利 用 这 一 战 略 性 新 兴 产 业, 为 我 国 的 经 济 发 展 做 出 应 有 的 贡 献 目 前, 我 国 与 发 达 国 家 处 在 相 近 的 起 跑 线 上, 面 对 微 藻 生 物 技 术 大 发 展 的 极 好 机 遇, 我 国 应 全 局 性 战 略 性 地 选 择 重 大 科 技 方 向, 聚 焦 既 可 固 碳 产 油 又 能 高 产 蛋 白 色 素 等 高 附 加 值 的 全 能 藻 种, 发 挥 我 国 现 有 的 技 术 和 资 源 优 势, 在 微 藻 生 物 技 术 这 一 领 域 的 国 际 竞 争 中 取 得 领 先 地 位, 这 既 是 微 藻 生 物 技 术 本 身 发 展 的 迫 切 需 要, 也 是 我 国 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 及 富 含 氮 / 磷 资 源 有 效 利 用 这 一 战 略 性 新 兴 产 业 培 育 和 发 展 的 现 实 需 要, 同 时 也 是 对 我 国 大 健 康 产 业 发 展 的 一 种 有 力 支 撑 REFERENCES [1] Hu Q, Sommerfeld M, Jarvis E, et al. Microalgal cjb@im.ac.cn
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