微藻資源綜合開發(fā)與應(yīng)用

吳志剛 趙璐 王煥月

摘 要：微藻生存能力強、分布區(qū)域廣、生長速度快、種類多，營養(yǎng)豐富，在食品行業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、生物質(zhì)能源領(lǐng)域、環(huán)保行業(yè)等均具有重要利用價值。該文以日照市為例，介紹了微藻的經(jīng)濟價值、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景，以期為微藻資源開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：微藻;資源開發(fā);應(yīng)用;日照市

中圖分類號 Q949.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）06-0035-03

1 微藻特征及利用價值

微藻是一類個體微小，在顯微鏡下才能辨別其形態(tài)的單細胞生物，有原核微藻和真核微藻兩大類。微藻是浮游植物，通常存在于淡水和海洋系統(tǒng)中，體內(nèi)含有葉綠體，可以進行光合作用。與高等植物不同的是，微藻沒有根莖葉組織構(gòu)造，適應(yīng)能力強，甚至在pH=11以上的水體環(huán)境中也能存活。近年來，南極地區(qū)微藻暴發(fā)，使得積雪表面出現(xiàn)了紅色“西瓜雪”或綠色“草地雪”，從而引發(fā)人們對微藻的廣泛關(guān)注，它的暴發(fā)加快了極地冰川的融化速度。且有學(xué)者認為，有毒微藻的超大規(guī)模暴發(fā)可能是地球生物5次大滅絕的重要殺手之一。但是微藻暴發(fā)也有積極意義。微藻營養(yǎng)豐富，是一些極地生物的重要食物，是極地生態(tài)環(huán)境中最低端、最基礎(chǔ)的一環(huán)。微藻通過光合作用吸收二氧化碳、釋放氧氣。幾十億年間，地球上的微藻也為其他生物貢獻了大量生命所需的氧氣資源[1]。

微藻可以通過光合作用完成固碳，再通過一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)將化合物轉(zhuǎn)化為油脂，最后利用物理和化學(xué)方法，將油脂轉(zhuǎn)運到細胞外。微藻的干細胞中含有70%以上的微藻油，人們可以對其進行提煉加工。微藻油作為亞臨界生物技術(shù)合成生物柴油的最佳原料，是理想的可再生資源。石油是不可再生資源，對石油資源的過度依賴導(dǎo)致石油價格不斷上升，利用微藻制造生物柴油有著廣闊的發(fā)展?jié)摿2]。微藻資源還可以廣泛應(yīng)用在治理環(huán)境、改善生態(tài)環(huán)境、飼料開發(fā)、化妝品研發(fā)等領(lǐng)域。除了脂類和甘油外，微藻內(nèi)還有超過15000種新型化合物被提取確定，比如抗氧化劑、低聚糖、活性肽、類胡蘿卜素、不飽和脂肪酸、多功能酶類和固醇等。

雖是單細胞生物，但除了能作為生物燃料外，微藻中還富含多糖、類胡蘿卜素、維生素、氨基酸等生物活性物質(zhì)，可以用于生物制藥、保健品、化妝品等行業(yè)[3]。在生物制藥行業(yè)，天然β-胡蘿卜素具有抑制腫瘤和升高白細胞等作用，可以輔助治療口腔潰瘍、多種皮膚病、萎縮性胃炎等疾病，效果明顯[4]。褐藻多糖（源自海洋棕色褐藻）對HIV（人體免疫缺陷病毒）有一定的抗病毒活性。在化妝品領(lǐng)域，微藻中的多糖具有良好的成膜性能，可減少皮膚表面的水分蒸發(fā)，可用于制備保濕產(chǎn)品。巖藻黃質(zhì)（源自海洋微藻）和蝦青素（源自雨生紅球藻）有很強的抗氧化活性，能夠清除自由基，防止脂質(zhì)氧化，起到祛斑、防皺和防衰老的功能。擬甲色球藻能夠合成具有紫外吸收作用的偽枝藻素和類菌胞素氨基酸，是制備防曬化妝品的良好原料。

2 藻類資源助力海洋經(jīng)濟發(fā)展

海洋是資源豐富的“聚寶盆”，日照市擁有豐富的海域資源，岸線、漁業(yè)、旅游、油氣、礦產(chǎn)、海洋能、航運業(yè)等資源豐富，“藍色”潛力得天獨厚，為日照經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供了堅實的資源保障。向海經(jīng)濟是開放的經(jīng)濟，產(chǎn)業(yè)是向海經(jīng)濟的核心內(nèi)容，建設(shè)海洋漁業(yè)、海洋運輸、海洋旅游等傳統(tǒng)海洋產(chǎn)業(yè)，挖掘培養(yǎng)海洋微藻新興產(chǎn)業(yè)，對“藍色海洋”經(jīng)濟建設(shè)具有突出的戰(zhàn)略意義。

2.1 微藻在生態(tài)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 藻類是一種光能自養(yǎng)型生物，適量生存，通過光合作用為其他好氧微生物提供氧氣，有利于污水處理，但如果水中的氮、磷過多，藻類大量繁殖，則會引起水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，如水華、赤潮等。近年來，沿海領(lǐng)域經(jīng)常遭遇藻類暴發(fā)，尤其是夏季，水溫升高，有利于微生物繁殖。日照臨海就經(jīng)常遭遇藻類過度繁殖，大面積生長覆蓋水體，影響水生生物生存環(huán)境。為積極應(yīng)對日照海水水位上漲后出現(xiàn)的新生環(huán)境問題，研究人員啟動微藻水華綜合治理資源化利用項目，通過將藻類轉(zhuǎn)化為有機肥資源，使微藻生物得到有效利用。

藍綠色藻類不僅能固碳還能固氮，作為生物肥料，它們能將大氣中碳和氮固定在土壤中供作物吸收利用，經(jīng)濟又環(huán)保。日照市設(shè)施蔬菜基地試驗表明，通過土壤灌溉和葉面噴施微藻液體肥，土壤理化性質(zhì)得到改善，蔬菜根系對水肥的吸收率增加，葉菜類平均增產(chǎn)15%～30%，蔬菜中的維生素、礦物質(zhì)、可溶性固形物含量顯著提高，使用微藻肥的蔬菜更耐儲運。微藻中的抗菌因子具有殺菌抑菌作用，可減少病害的發(fā)生，蔬菜產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)優(yōu)價，提高了經(jīng)濟效益，調(diào)動農(nóng)民使用微藻肥的積極性，有利于微藻肥的大范圍推廣。與此同時，化肥的使用量降低30%～40%，在化肥過度使用、土地資源污染日趨嚴重的當(dāng)下，社會效益和生態(tài)效益更加突出。

微藻體內(nèi)含有豐富的粗蛋白，可以用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的飼料添加劑和動物飼料。有關(guān)研究表明，微藻體內(nèi)含有光合色素（葉綠素、胡蘿卜素、葉黃素等），部分藻類含有豐富的對健康有利的各種脂肪酸成分，尤其是不飽和脂肪酸（PUFA）如花生四烯酸、二十二碳六烯酸（DHA），可用于動物飼料中。例如，豬飼料中添加微藻粉，能夠提高免疫力，改善豬的腸道健康[5];用于雞飼料中，能提高雞的產(chǎn)蛋率和營養(yǎng)成分。日照市應(yīng)用微藻工程實驗室研發(fā)的微藻雞飼料用于“DHA雞蛋”的生產(chǎn)，每枚雞蛋的售價是普通雞蛋的4倍，土雞蛋的2.5倍。日照市東臨黃海，是我國著名四大漁場之一，漁業(yè)是日照市的支柱產(chǎn)業(yè)，海水養(yǎng)殖、海珍品養(yǎng)殖等朝著精養(yǎng)、高效、集約化方向發(fā)展，優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)飼料市場巨大。微藻資源因富含蛋白質(zhì)、脂肪、多糖、維生素、抗氧化物質(zhì)、色素及微量元素等，在新型水產(chǎn)飼料資源開發(fā)中備受關(guān)注[6]。微藻新型水產(chǎn)飼料還可以有效緩解魚粉、魚油供應(yīng)不足的矛盾。例如，微擬球藻和小球藻蛋白質(zhì)含量高，氨基酸組分均衡，可以替代傳統(tǒng)魚粉、植物蛋白粉作為飼料中的蛋白源。雨生紅球藻中的蝦青素，小球藻中的角黃素，多種藻類的β-胡蘿卜素、藍藻葉黃素、玉米黃質(zhì)等，可以改善水產(chǎn)動物的肌肉顏色和體色，色澤鮮艷、健康狀態(tài)良好的水產(chǎn)品更受消費者青睞。彩虹鯛、錦鯉等觀賞魚類飼喂富含色素的微藻飼料，體色顯著提高，觀賞性增強。盡管微藻飼料還存在規(guī)模小、成本高、研發(fā)不足等問題，但其應(yīng)用價值和優(yōu)勢正逐步顯現(xiàn)，微藻新型飼料將在優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用，促進水產(chǎn)行業(yè)的良性發(fā)展。

2.2 微藻在食品創(chuàng)新中的應(yīng)用 微藻是一種很好的蛋白質(zhì)補充物質(zhì)，作為食物的歷史已有幾千年之久，小球藻商業(yè)化生產(chǎn)已有30多年的歷史[7]。在食品工業(yè)發(fā)達的美國，超過90%的嬰兒配方奶粉中都含有微藻物質(zhì)。21世紀以來，極大螺旋藻、鈍頂螺旋藻、鹽藻、雨生紅球藻等在我國逐步被批準為新資源食品。微藻具有蛋白質(zhì)、必需氨基酸、功能性多糖、礦物質(zhì)、維生素含量高的特性，杜氏鹽藻和雨生紅球藻分別是提取β-胡蘿卜素和天然蝦青素的重要原料，螺旋藻細胞壁纖維素易吸收。微藻中的多種活性物質(zhì)具有提高機體免疫力、抗氧化、延緩老化、預(yù)防疾病的功效。微藻既可以作為食品直接食用，也可利用其制品研發(fā)新風(fēng)味食品、功能性食品和食品添加劑等，中國科學(xué)院海洋研究所研制出多個系列的紅球藻蝦青素制品[8]，包括紅球藻干燥粉、破壁粉，水溶性蝦青素微囊粉，紅球藻蝦青素油，以及紅球藻或蝦青素衍生產(chǎn)品如營養(yǎng)片、沖劑、飲料、保健酒等。日照市水產(chǎn)品和果蔬、茶葉、花生等農(nóng)產(chǎn)品資源豐富，是我國著名的水產(chǎn)品加工基地之一，農(nóng)產(chǎn)品、食品生產(chǎn)加工企業(yè)眾多。但是大部分食品加工企業(yè)規(guī)模小、知名度低、特色不足、技術(shù)落后，正在尋找新的經(jīng)濟增長點。加大研發(fā)投入，深度開發(fā)微藻資源，生產(chǎn)新型微藻系列食品和功能食品等是一個不錯的選擇。特別是海洋特色食品、休閑旅游食品等具有地方特色和標志的產(chǎn)品，與旅游、海洋文化相結(jié)合，發(fā)展?jié)摿Υ?，市場前景好?/p>

2.3 微藻在環(huán)境保護中的應(yīng)用 微藻在全球生物圈固碳中至關(guān)重要，因其可以固定二氧化碳，生產(chǎn)出各種生物工程產(chǎn)品如可降解塑料、生物燃料等。研究表明，多種微藻可耐受高濃度碳酸氫鈉，由此證明了循環(huán)利用碳酸鹽吸收二氧化碳進行微藻培養(yǎng)的可行性，成功用于培養(yǎng)螺旋藻、小球藻、鹽生杜氏藻、金藻、超嗜鹽桿藻、膠球藻等，碳利用率高達96.7%。中國科學(xué)院水生生物研究所通過對螺旋藻種質(zhì)資源的深度挖掘，篩選出了以煙道氣為唯一碳源的螺旋藻藻種。利用鍋爐尾氣微藻養(yǎng)殖對發(fā)電廠煙氣進行回收再利用，可以改善空氣環(huán)境質(zhì)量，節(jié)能減排 [9]。河口地區(qū)污染退化性水域生態(tài)修復(fù)可以通過種植珊瑚礁來實現(xiàn)，但研究發(fā)現(xiàn)珊瑚礁的生長需要共生生物蟲黃藻。蟲黃藻是一種海洋藻類，其呼吸作用代謝出的二氧化碳通過酶的作用發(fā)展為碳酸鈣骨骼，從而促進珊瑚礁形成并茁壯成長。碳達峰、碳中和實行綠色低碳經(jīng)濟發(fā)展模式，微藻生物助力固碳、減碳技術(shù)已投入商業(yè)生產(chǎn)，如臺灣地區(qū)將微藻減碳處理技術(shù)用于發(fā)電廠。近年來。我國在綠色低碳前沿技術(shù)領(lǐng)域加大研究力度，并取得了顯著進展，如膜法捕集技術(shù)、二氧化碳捕集利用與封存、等離基元人工光合技術(shù)等。日照市是著名的海濱旅游城市，對環(huán)境保護和生態(tài)治理的需求更加迫切，發(fā)展微藻生物技術(shù)有助于實現(xiàn)“降碳”總目標，解決水污染防治、水資源生態(tài)環(huán)境修復(fù)、鋼鐵綠色發(fā)展等問題。

2.4 微藻在生物質(zhì)能源中的應(yīng)用 微擬球藻是一種廣泛分布于海水中的單細胞藻類，在一定條件下能將固定的太陽能與二氧化碳轉(zhuǎn)變成甘油三酯，具有生長迅速快，多不飽和脂肪酸、甘油三酯含量高的優(yōu)點。在缺氧脅迫下，微擬球藻的油脂合成量顯著提高。利用微擬球藻這一應(yīng)激反應(yīng)，建立缺氧脅迫下蛋白質(zhì)組動態(tài)數(shù)學(xué)模型，為油脂代謝工程提供了新的路徑和視角。美國科學(xué)家也進行了相關(guān)研究，其中通過降低另一種轉(zhuǎn)錄因子的表達使脂質(zhì)產(chǎn)量增加了1倍。工業(yè)產(chǎn)油微藻已受到國內(nèi)外的普遍重視。我國部分傳統(tǒng)能源企業(yè)開始轉(zhuǎn)型升級，轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，建立試驗基地，利用藻類生產(chǎn)生物燃料，如新奧能源控股公司的內(nèi)蒙古生物柴油商業(yè)工廠。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細胞中心對微擬球藻進行了研究，提高其合成油脂的能力，以期在生物燃料領(lǐng)域加以利用。以日照市為代表的沿海城市，藻類資源豐富，開發(fā)藻類資源生產(chǎn)生物燃料，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，將有助于海洋產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促進海洋經(jīng)濟更快更好地發(fā)展。

3 微藻資源應(yīng)用展望

微藻資源可以廣泛應(yīng)用在治理環(huán)境、飼料開發(fā)、生物質(zhì)產(chǎn)油、食品保健品等領(lǐng)域，但是要實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用還存在諸多障礙。微藻主要生活在淡水和海洋系統(tǒng)中，如何將其從自然環(huán)境中提取并擴大培養(yǎng)，需要科學(xué)的實驗手段和良好的實驗條件，這也是目前亟待解決的技術(shù)難題。此外，微藻的培養(yǎng)成本很高，與高等植物無需任何成本即可從空氣中獲取二氧化碳不同，傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)過程供碳成本過高，并造成生物反應(yīng)器開發(fā)和放大困難。

為了更好地挖掘和利用微藻資源，一要加大科研支持力度，增加微藻研發(fā)的基礎(chǔ)性投入，建設(shè)微藻種質(zhì)資源庫，種質(zhì)資源的多樣性是微藻產(chǎn)業(yè)的基石。做好藻種的采集、純化培養(yǎng)和生物特性及功能研究，挖掘具有應(yīng)用潛力和經(jīng)濟效益的藻種。二要加大產(chǎn)品的研發(fā)力度，有針對性地開發(fā)符合區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展方向的產(chǎn)品，建立健全激勵機制，以“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”為契機，鼓勵科研機構(gòu)、高校、企業(yè)等參與微藻產(chǎn)品的創(chuàng)新與開發(fā)。三要加大微藻產(chǎn)品宣傳力度，先示范再推廣。如微藻生物肥，普通種植戶對微藻肥比較陌生，從種植經(jīng)驗和風(fēng)險角度考慮更加信賴傳統(tǒng)的化學(xué)肥料，因此要選擇現(xiàn)代化的種植園區(qū)進行試驗，取得顯著經(jīng)濟效益后，通過示范作用再逐步推廣應(yīng)用，擴大規(guī)模。

隨著微藻資源綜合開發(fā)利用研究的不斷深入，微藻在生態(tài)保護、綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物能源開發(fā)、人類健康保障中的地位不斷加強，微藻產(chǎn)業(yè)優(yōu)越性日趨凸顯，各地政府和企業(yè)都十分重視微藻高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。微藻產(chǎn)業(yè)規(guī)?；⒓s化和智能化發(fā)展，對地方經(jīng)濟建設(shè)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和供給側(cè)改革都具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]Williams，Robyn.Microscopicalgaeproducehalftheoxygenwebreathe[D].The Science Show，2013.

[2]繆曉玲，吳慶余.微藻油脂制備生物柴油的研究[J].太陽能學(xué)報，2007（02）：219-222.

[3]王凌云，岑穎洲，李藥蘭.海藻的特殊功能及其在化妝品中的應(yīng)用[J].日用化學(xué)工業(yè)，2003，33（4）：258-260.

[4]祖廷勛，羅光宏，王丹霞，等.現(xiàn)代綠洲形式的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)一微藻產(chǎn)業(yè)[J].生產(chǎn)力研究，2012（3）189-191.

[5]張玲清，田宗祥.海藻飼料在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].國外畜牧學(xué)-豬與禽，2015（1）：46-48.

[6]吉紅，肖芬芬，邢君霞，等.微藻資源在水產(chǎn)飼料中應(yīng)用的研究進展[J].飼料工業(yè)，2020，41（12）：1-9.

[7]王慧嶺，張晉陽，羅建濤，等.微藻在食品領(lǐng)域的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（17）：44-47.

[8]劉建國.紅球藻蝦青素資源開發(fā)歷程與趨勢展望[J].海洋科學(xué)，2020，44（8）：130-146.

[9]楊蕾蕾，李婷，鄧菲，等.微生物與細胞資源的保存與發(fā)掘利用[J].中國科學(xué)院院刊，2019（12）：1379-1388.

（責(zé)編：徐世紅）