蓝藻在生态环境食品医药新能源等领域的研究进展

刘　阳，牟金明（吉林农业大学农学院，吉林长春　130000）



蓝藻在生态环境食品医药新能源等领域的研究进展

刘阳，*牟金明
（吉林农业大学农学院，吉林长春130000）

摘要：蓝藻又称蓝细菌，是一类进化历史悠久的原核微生物。近几年，蓝藻因其结构和功能的特殊性而成为科学研究的热点微生物。从生物固氮、生态环境、医药食品保健、新能源开发等方面对蓝藻的研究进展进行综述，为今后更深入的开发和利用蓝藻提供了参考。

关键词：蓝藻；生态环境；食品医药；新能源开发

蓝藻是一种单细胞自养型微生物，其细胞中含有叶绿素a、叶黄素和胡萝卜素以及藻胆素（藻红素、藻蓝素），细胞壁化学组成主要为肽聚糖，没有核膜和核仁，细胞中央含有核物质，通常呈网状，除核糖体外，不具有叶绿体、线粒体、高尔基体、内质网、大液泡等细胞器。蓝藻是地球上最古老的生物类群之一。1978—1980年间，一些学者发现了结构较为完整的丝状微化石，这些微化石中含有的蓝藻年龄为35亿年。由此可以看出，地球在距今35亿年前就已经出现了蓝藻。根据古生物学资料可知，在35亿～ 38亿年前蓝藻一直是生物圈里的主要物种。在距今约6亿～ 7亿年前动植物已适应地球环境之后，蓝藻时代结束，但蓝藻并未退出生物圈的大舞台[1]。本文主要总结了蓝藻在生态环境、食品医药及新能源等几大方面的研究应用现状。

1　蓝藻与生态环境

1.1蓝藻与水华

江河湖海等系统中的物质循环、能量流动都是处于相对稳定的动态平衡中。由于水体的富营养化，部分蓝藻等水生生物大量繁殖，在水面形成一层有腥臭味的蓝绿色浮沫，称为“水华”。这时水体会出现高溶解氧、高耗氧量，致使部分水生生物无法正常生长、发育、繁殖甚至死亡，在营腐生生物的分解作用下，这些死亡生物体内的有毒有害物质会释放到水中。当鱼类、贝类处于有毒水华区域内，摄食这些有毒生物，生物毒素可通过食物链或食物网在其体内积累，当其富集量超过人体可接受水平时，如果不慎被人食用，就会引起中毒，严重时可导致死亡。目前，确定有10余种水华现象引发毒素的毒性比眼镜蛇毒素高80倍。据统计，全球（每年）因食用被水华毒素污染的水产品中毒事件约300多起。在所有淡水藻类中，毒素最强、污染范围最广的为蓝藻，但并不是所有蓝藻都产毒，目前认为有毒的蓝藻主要是水华束丝藻、铜绿微囊藻、水华鱼腥藻等，这些种类蓝藻在夏秋季形成的水华中大量存在。它们死亡后将细胞内的毒素释放到周围水中，对人类健康和生物系统的稳定性造成极大威胁[2]。随着生物计算机技术的发展，利用蓝藻来制造生物芯片，通过检测水体中蓝藻特有的代谢产物来推测蓝藻的含量[3]，对预防和控制水华具有重要的指导意义。

1.2蓝藻与土壤肥力

蓝藻在新陈代谢类型上属于光能无机自养型，正常状况下几乎不从环境中吸收有机物来提供自身生长发育所需的能量物质，所以不能降解生物体的遗体、排泄物等来提高土壤肥力；但是部分蓝藻能够利用空气中的游离氮。科学家在20世纪80年代推算过，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大约有8×107t，而自然界每年通过生物固氮所提供的氮素则高达4×108t[4]。固氮蓝藻死亡后，其遗体被环境中的其他生物分解，细胞内存在的有机氮变成化合态氮，为土壤和水体增加了适量养分。在蓝藻规模上不足以引起水体和土壤污染的情况下，可以将蓝藻广泛用于农作物肥料的研制及应用中，这样可以减少人类对化学合成肥料的过度依赖，减少环境压力。研究表明，在水稻田中接种适宜生长的固氮蓝藻后，水稻长势良好，秧苗移植后返青快，分蘖能力强，稻谷产量提高7％～10％。

固氮蓝藻不仅能够提高土壤肥力，还能够修复盐碱地生态功能。固氮蓝藻修复盐碱土的机理主要是由于其具有很好的耐盐性和调节渗透压的能力。研究发现，陆生固氮蓝藻生长的土壤中其他微生物数量均有增加[5]。固氮蓝藻在盐碱地改良上不仅具有投入低的优点，而且能改变土壤的结构，使土壤的理化性质得到本质上的改善[6]。对于利用固氮蓝藻修复盐碱地生态功能的研究，还有很多工作要做。不仅要扩大固氮蓝藻的应用范围，使其不仅能有效地改良盐碱土，而且能改良干旱及半干旱地区的盐碱化草原及沙漠等。

1.3蓝藻与土壤、水体中重金属离子的处理

受人类活动日益影响，不少有毒重金属进入生物圈循环之中，造成了严重的环境污染和持久性危害。例如，汽车尾气中的铅经大气循环等过程进入生物圈中造成目前地表铅浓度显著提高，致使现在人体内铅的含量比原始人增加约100倍，严重损害了人体健康[7]。

目前，比较常用的重金属污染物处理主要采用物理化学方法，如化学沉淀法、离子交换法、活性炭吸附法等等，但是这些物理化学方法大都效率低、投资成本高、能耗高、金属回收率低，有的甚至造成二次污染[8]。较之于物理化学方法，生物处理法则避免了以上各种弊端，具有十分广阔的应用前景。据研究显示，蓝藻对铅、铜等重金属离子具有较高的吸附能力，起吸附作用的主要是外壁多糖[9]。在吸附过程中，蓝藻细胞壁上的官能团（如羧基、巯基、咪唑基、醛基、磷酸根等）与重金属离子之间通过静电作用力等结合形成有机物——金属化合物具有较高的稳定性，可阻止有毒重金属离子进入细胞。除了细胞壁上的残基基团起作用外，许多蓝藻还会向周围环境排泄分泌物多糖、糖醛酸等胞外多糖，这些复杂的大分子阴离子络合物形成的黏液也能络合一些重金属离子[10]。然而这也带来了一些负面作用，据报道，在中国除新疆、西藏外，其余各地均有螺旋藻生产养殖基地，但是由于螺旋藻吸收水域中的重金属离子，导致许多螺旋藻产品中重金属超标。因此，如何合理有效地利用蓝藻吸附能力将成为今后研究的热点。

2　蓝藻与食品医药

2.1蓝藻与医药

据有关研究报道，蓝藻含有多种抗病毒和抗菌活性成分。现已从蓝藻中分离出包括抗真菌、抗酶抑制剂、杀虫剂和免疫抑制剂等一系列天然活性物质[11]。蓝藻中的藻胆蛋白具有光敏效应，可开发成为光敏剂用于肿瘤的激光治疗；蓝藻含有不饱和脂肪酸DHA和EPA，可用于预防和治疗高血脂所致的动脉粥样硬化、冠心病和舒张血管，还能增强大脑记忆力，有“脑黄金”的美誉；另外，蓝藻中所含的胡萝卜素、类胡萝卜素都具有一定的预防和治疗心脑血管疾病的作用[12]。1997年从蓝藻中分离得到一种水溶性糖蛋白Cyanovirin，这种水溶性糖蛋白具有独特的抗病毒活性，能与病毒表面衣壳蛋白上的甘露寡糖结合，阻止病毒与宿主细胞表面的受体结合，干扰病毒的正常侵入及传播途径[13]。由于蓝藻特殊的生存环境和悠久的进化历史，其细胞中存在功能独特的活性成分。因此，随着人们对蓝藻的研究，有望从蓝藻中分离出抗菌抗病毒药物。

2.2蓝藻与人类食品、动物饲料

蓝藻中含有丰富的藻胆蛋白、多糖、藻毒素等，因此蓝藻的培养与利用也成为食品和动物饲料领域的热点，蓝藻的用途主要有提取天然色素、藻胆蛋白、多糖、藻毒素等。天然色素物质（如叶绿素、胡萝卜素、藻蓝素等）可分别通过相应的萃取方式提取出来，目前螺旋藻中的藻蓝素、类胡萝卜素作为天然色素已用于食品中并进行商业生产。蓝藻中含有藻胆蛋白，其含量可达细胞干质量的10％～20％[14]。经过生物处理后能得到很好的蛋白质资源且蛋白含量高，营养均衡，可替代豆饼等蛋白质产品，用作饲料行业的原料。

螺旋藻，因在显微镜下可见其形态为螺旋状而得名。螺旋藻因其营养均衡全面，1987年被联合国粮农组织推荐为21世纪人类最理想的保健食品。螺旋藻中含有的维生素B族，尤其是VB12含量特别丰富，在治疗心血管系统疾病及再生障碍性贫血方面有着很重要的作用；螺旋藻多糖具有显著的抗辐射、抗突变、增强机体免疫等功能，可作为保健食品的重要功能成分[15]；螺旋藻中丰富的β-胡萝卜素可以增强身体的抵抗力、降低癌症发病率，具有较高的商业价值；螺旋藻中γ-亚麻酸含量在天然食物中较丰富；螺旋藻中还含有铁、锌、铜、钙等微量、半微量矿物质元素，其本身也易于被人体消化吸收，长期食用可以改善人体生理机能[16-18]。

3　蓝藻与新能源

在化石能源日益匮乏的今天，生物质能源的重要性逐渐凸显，成为排在煤、石油、天然气之后的第四大重要能源。与此同时，蓝藻暴发日益频繁的环境问题也亟待解决。蓝藻沼气发酵、蓝藻制氢等技术既可以满足能源需求，也可以缓解环境压力，成为现在研究的热点。

3.1蓝藻产沼气

利用蓝藻和猪粪共同发酵产生沼气，沼气可以直接作为燃料或用来发电，发酵后的残渣直接输入农田沤肥[19]。由于不含纤维素，蓝藻很容易降解。研究发现，发酵时猪粪与蓝藻干物质质量比例为3∶7，蓝藻发酵液的浓度为2.9％时，沼气产量最高[20]。蓝藻与污泥混合厌氧发酵也可产沼气。在发酵前对其进行一定的物理化学处理，促使其细胞壁破裂，可以加速蓝藻的厌氧发酵过程，从而缩短发酵时间，提高沼气产量。

3.2蓝藻产氢气

蓝藻也可以用于生物制氢。可用于生物制氢的微生物包括光合细菌、蓝藻和绿藻等，其中蓝藻制氢是最理想的生物制氢方式之一，因为蓝藻能够直接光解水放氢，将太阳能转化为氢能；而且蓝藻生长营养需求低，只需光、空气、水和简单的无机盐即可。蓝藻制氢作为一种有前途的生物制氢方式，多年来一直受到人们的重视。蓝藻的产氢机制是以太阳能为能源、以水为原料，通过光合作用及相关酶系将水分解为氢气和氧气。蓝藻中参与放氢生理过程的酶主要有固氮酶、吸氢酶和可逆氢酶3种。不同的蓝藻含有不同的产氢酶系，其中固氮酶除了催化固氮外还可以催化氢的产生，吸氢酶可以氧化固氮酶放出的氢，可逆氢酶既可以吸收氢也可以释放氢[21]。一些蓝藻含有异形细胞，异形细胞具有良好的保护机制，使固氮酶在氧气环境中不致失活，此过程中，正常细胞进行放氧光合作用，把合成的有机物转移到异形细胞，异形细胞为固氮酶提供电子和ATP，进而继续固氮产氢。光发酵和暗发酵耦合制氢技术，比单独使用一种方法制氢具有更多优势。将2种发酵方法结合在一起，相互交替、相互利用、相互补充，可提高氢气的产量。从目前来看，生物制氢技术仍存在不少尚待解决的问题，主要体现在高产氢藻株的筛选与构建、室外大规模高密度培养、光照下生物体持续稳定产氢速率等几个方面[22]。

4　展望

蓝藻在生物圈中作为一个古老而庞大的物种，无论如何人类都不会漠视它的作用。蓝藻细胞中各种天然物质可以在食品、医药、化妆品、纺织、石油等多种领域得到广泛应用，这些产业对生态环境压力小、破坏力小，不会超出环境的承受能力。蓝藻还可以为人类提供优质蛋白源，为解决全球饥饿问题和营养不良问题做出极大贡献。蓝藻作为生物肥源，其固氮作用也值得探索；蓝藻在土壤肥力改良和重金属污染处理中也起到很大作用。随着分子生物学、生命科学、生物信息学的发展以及相关学科的交叉研究，研究人员将逐步揭开蓝藻中所蕴含的宝贵信息，通过进一步的研究来应对人类与环境特别是现代农业和污染治理的迫切需求。

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Progress of the Research on Cyanobacteria in the Field of Ecological Environment Medicine Food and Health Care New Energy

LIU Yang，*MU Jinming
（Agricultural College，Jilin Agricultural University，Changchun，Jilin 130000，China）

Abstract：Blue-green algae known as Cyanobacteria is a kind of prokaryotic microorganisms of a long evolutionary history.In recent years，Cyanobacteria has became a hot spot of scientific research for its special structure and function.This article summarizes the research progress of Cyanobacteria from the aspects of biological nitrogen fixation，ecological environment，medicine，food and health care，new energy development，etc.to provide a reference for the future development and utilization of Cyanobacteria.

Key words：Cyanobacteria；ecological environment；medicine food and health；new energy

*通讯作者：牟金明（1962—），男，博士，副教授，研究方向为农田生态与作物种植规划。

作者简介：刘阳（1987—），女，硕士，研究方向为农田生态与作物种植规划。

收稿日期：2015-11-03

文章编号：1671-9646（2016）02a-0068-03

中图分类号：Q78

文献标志码：A

doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.02.020