探索和开发高效的二氧化碳捕捉技术将有利于全球生物圈二氧化碳减排，从而维持稳定的气候和生态。自养水生微生物——微藻被誉为最有潜力的碳捕捉物种。微藻应用于碳捕捉的物种优势体现在:生长速率高，生长能力强，生长环境广。本论文研究二氧化碳微生物减排工艺关键科学问题，重点探讨高浓度二氧化碳环境下微藻藻株选育及相关作用机制。　　本研究首先从已有高生物质积累速率的微藻库中，经连续培养，成功筛选了1株可以耐受高浓度二氧化碳的藻株，连续传代试验周期为136天。在高浓度二氧化碳胁迫压力下，该藻株包含耐受二氧化碳能力的遗传信息将逐代凸显。经18srDNA鉴定，BLAST比对GenBank数据库，选育藻株与Desmodesmus armatus序列同源性为99％。研究总结了一种耐受高浓度二氧化碳藻株的选育方法，该方法能有效从藻种库或水域环境中筛选目标藻株。针对工业废气中微藻不能处理的一氧化碳组分，借助宏基因测序方法以中国华南地区一处污水处理厂为例分析了利用一氧化碳的厌氧微生物菌群，总结可以利用一氧化碳的微生物资源信息。这些微生物的结构信息将有利于分析微生物的多样性并将其适用工业废气处理工艺。　　研究选育微藻在典型的微藻光反应装置:气袋光合反应装置和气升式光照反应系统中的生长情况。在气袋光合反应体系，不同气液比条件下，微藻生物质积累量24小时内随着气液比的增加而减少;而24小时至144小时，气液比越高的微藻，其生长速度越高。微藻在气液比10∶1和气液比20∶1时，其生长趋势和状态相似;其生长迟缓期为24小时，对数生长期从24小时持续至120小时，120小时至144小时间为稳定期。微藻在该气液比时，初始24小时生长速度虽然略低于低气液比环境，但延缓期明显缩短，在24小时至120小时对数生长期生长速度最快。综合考虑微藻生物量积累速率和工作体积，选定气袋培养装置在气液比为10∶1。研究了5中不同的水源环境（100％循环水添加氮源;100％循环水添加无机盐;100％循环水培养;75％循环水，25％新鲜水;50％循环水，50％新鲜水），微藻利用循环水的生长情况。在最初的72小时，不同水源环境的微藻浓度较为接近。在72小时至144小时，微藻生物质积累量从高到低依次为:100％循环水添加氮源;100％循环水添加无机盐;100％循环水培养;75％循环水，25％新鲜水;培养50％循环水，50％新鲜水。本研究重点选取氮，硫，磷，氯离子，考察微藻对这些离子的利用。在循环水利用时，氮，硫，磷，氯离子处于稳定配比;微藻培养液中Cl-，PO43-以及SO42-，消耗的比例将低于NO3-消耗比例。本研究推测，无机盐离子在供给微藻细胞营养的同时，也将维持微藻细胞微环境。连续开展6个批次实验，以研究选育微藻在气袋光合培养系统的稳定性。随着连续培养的进行，选育微藻生物质积累量和二氧化碳的固定量稳定，脂肪(C16∶0，C16∶1，C18∶0，C18∶1，C18∶2)分布较为稳定，葡萄糖的含量下降，蛋白质含量略微上升。微藻最高固碳速度在14天微藻浓度为4.7g/L时，其固碳效率可以达到0.57kg/m3/day。　　在气升式光照反应系统中，微藻生长的延缓期为24小时，其72小时生物量积累可以达到3.9g/L。微藻在连续通入高浓度二氧化碳时生长速率明显高于连续通入空气的样本，高浓度二氧化碳可以提高微藻生物质积累效率。考察在回收藻体的循环水中，选育微藻的生长情况。在最初的24小时，不同水源环境的微藻均处于迟缓期。在24小时至96小时，微藻浓度从高到低排列的水源环境依次为:50％循环水，50％新鲜水;培养100％循环水添加无机盐;75％循环水，25％新鲜水。研究推测微藻细胞微环境的代谢物质，在气升式光照反应系统能有效增强微藻细胞适应二氧化碳的能力。在高浓度二氧化碳下，微藻pH变化趋势较为接近，在最初5小时内pH值下降，随后下降趋势减缓，最终均稳定在7.0-7.33之间;虽然pH值调控处于非常微小的范围，pH微环境越高微藻浓度越高。而连续通入空气的对照样本，其pH值稳定上升，最终pH值稳定在10.8。当微藻pH值固定在6.5，微藻的生长积累量最低。研究推测，高浓度二氧化碳环境下，微藻细胞微环境的代谢物质可以实现其对pH环境的调控。　　研究借助代谢组学方法研究高浓度二氧化碳下响应的差异代谢分子及其作用机制。将选育藻株置于气升式光照反应系统中培养，通过与对照组比较，从432个分子中筛选出显著不同的37个差异代谢分子。这些分子参与了碳代谢，氨基酸代谢，脂肪酸代谢，辅酶和维生素代谢，能量代谢，物质转运，tRNA氨基酸生物合成，及二级代谢物的生物合成等。论文总结了差异代谢分子主要代谢路径包含:柠檬酸循环，光呼吸，氧化磷酸化途径和激酶，糖类代谢（磷酸戊糖途径，六碳糖代谢途径），脂类代谢（长链脂肪酸分子代谢，五碳结构单元合成），氨基酸代谢过程。分析了可能参与信号转导、营养元素同化和离子环境调控的相关分子。随着代谢组学研究的深入，有望借助添加目标代谢分子实现微藻细胞内微环境精密控制。　　论文分析藻株固碳过程最关键的步骤核心RubisCO，结合RubisCO的结构特征，分析了RubisCO催化过程中，酶L2催化单元分子与二氧化碳，镁离子，Rubp结合，活化，催化过程中的动力学参数，建立RubisCO催化动力学模型，借助此模型探讨RubisCO作用机理。总结RubisCO的催化细节，其主要信息包括:1、结合过程，酶L2催化单元分子结合其他配体分子后，其活性位点更易结合二氧化碳分子;即促进RubisCO活化过程。2、活化过程，酶L2催化单元分子的活化位点结合二氧化碳分子是酶催化过程的限速步骤。3、催化过程，RubisCO具有活性时，酶L2催化单元分子需要结合1个二氧化碳分子和2个镁离子。同时，酶L2催化单元分子2个Lys334位点均与二氧化碳分子结合，Rubp的结合位点仅结合1个分子时，其催化能力将提高3个数量级。因而，在自然选择进程中，大多数生物体都保留RubisCO多聚体结构，该特征结构可以促进酶分子和配体结合;激活酶分子催化构象;并提高其催化能力。