微藻资源综合开发与应用

吴志刚 赵璐 王焕月

摘 要：微藻生存能力强、分布区域广、生长速度快、种类多，营养丰富，在食品行业、养殖业、种植业、医药行业、生物质能源领域、环保行业等均具有重要利用价值。该文以日照市为例，介绍了微藻的经济价值、应用现状及发展前景，以期为微藻资源开发提供参考。

关键词：微藻;资源开发;应用;日照市

中图分类号 Q949.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）06-0035-03

1 微藻特征及利用价值

微藻是一类个体微小，在显微镜下才能辨别其形态的单细胞生物，有原核微藻和真核微藻两大类。微藻是浮游植物，通常存在于淡水和海洋系统中，体内含有叶绿体，可以进行光合作用。与高等植物不同的是，微藻没有根茎叶组织构造，适应能力强，甚至在pH=11以上的水体环境中也能存活。近年来，南极地区微藻暴发，使得积雪表面出现了红色“西瓜雪”或绿色“草地雪”，从而引发人们对微藻的广泛关注，它的暴发加快了极地冰川的融化速度。且有学者认为，有毒微藻的超大规模暴发可能是地球生物5次大灭绝的重要杀手之一。但是微藻暴发也有积极意义。微藻营养丰富，是一些极地生物的重要食物，是极地生态环境中最低端、最基础的一环。微藻通过光合作用吸收二氧化碳、释放氧气。几十亿年间，地球上的微藻也为其他生物贡献了大量生命所需的氧气资源[1]。

微藻可以通过光合作用完成固碳，再通过一系列复杂的生化反应将化合物转化为油脂，最后利用物理和化学方法，将油脂转运到细胞外。微藻的干细胞中含有70%以上的微藻油，人们可以对其进行提炼加工。微藻油作为亚临界生物技术合成生物柴油的最佳原料，是理想的可再生资源。石油是不可再生资源，对石油资源的过度依赖导致石油价格不断上升，利用微藻制造生物柴油有着广阔的发展潜力[2]。微藻资源还可以广泛应用在治理环境、改善生态环境、饲料开发、化妆品研发等领域。除了脂类和甘油外，微藻内还有超过15000种新型化合物被提取确定，比如抗氧化剂、低聚糖、活性肽、类胡萝卜素、不饱和脂肪酸、多功能酶类和固醇等。

虽是单细胞生物，但除了能作为生物燃料外，微藻中还富含多糖、类胡萝卜素、维生素、氨基酸等生物活性物质，可以用于生物制药、保健品、化妆品等行业[3]。在生物制药行业，天然β-胡萝卜素具有抑制肿瘤和升高白细胞等作用，可以辅助治疗口腔溃疡、多种皮肤病、萎缩性胃炎等疾病，效果明显[4]。褐藻多糖（源自海洋棕色褐藻）对HIV（人体免疫缺陷病毒）有一定的抗病毒活性。在化妆品领域，微藻中的多糖具有良好的成膜性能，可减少皮肤表面的水分蒸发，可用于制备保湿产品。岩藻黄质（源自海洋微藻）和虾青素（源自雨生红球藻）有很强的抗氧化活性，能够清除自由基，防止脂质氧化，起到祛斑、防皱和防衰老的功能。拟甲色球藻能够合成具有紫外吸收作用的伪枝藻素和类菌胞素氨基酸，是制备防晒化妆品的良好原料。

2 藻类资源助力海洋经济发展

海洋是资源丰富的“聚宝盆”，日照市拥有丰富的海域资源，岸线、渔业、旅游、油气、矿产、海洋能、航运业等资源丰富，“蓝色”潜力得天独厚，为日照经济社会可持续发展提供了坚实的资源保障。向海经济是开放的经济，产业是向海经济的核心内容，建设海洋渔业、海洋运输、海洋旅游等传统海洋产业，挖掘培养海洋微藻新兴产业，对“蓝色海洋”经济建设具有突出的战略意义。

2.1 微藻在生态农业中的应用 藻类是一种光能自养型生物，适量生存，通过光合作用为其他好氧微生物提供氧气，有利于污水处理，但如果水中的氮、磷过多，藻类大量繁殖，则会引起水体的富营养化现象，如水华、赤潮等。近年来，沿海领域经常遭遇藻类暴发，尤其是夏季，水温升高，有利于微生物繁殖。日照临海就经常遭遇藻类过度繁殖，大面积生长覆盖水体，影响水生生物生存环境。为积极应对日照海水水位上涨后出现的新生环境问题，研究人员启动微藻水华综合治理资源化利用项目，通过将藻类转化为有机肥资源，使微藻生物得到有效利用。

蓝绿色藻类不仅能固碳还能固氮，作为生物肥料，它们能将大气中碳和氮固定在土壤中供作物吸收利用，经济又环保。日照市设施蔬菜基地试验表明，通过土壤灌溉和叶面喷施微藻液体肥，土壤理化性质得到改善，蔬菜根系对水肥的吸收率增加，叶菜类平均增产15%～30%，蔬菜中的维生素、矿物质、可溶性固形物含量显著提高，使用微藻肥的蔬菜更耐储运。微藻中的抗菌因子具有杀菌抑菌作用，可减少病害的发生，蔬菜产品优质优价，提高了经济效益，调动农民使用微藻肥的积极性，有利于微藻肥的大范围推广。与此同时，化肥的使用量降低30%～40%，在化肥过度使用、土地资源污染日趋严重的当下，社会效益和生态效益更加突出。

微藻体内含有丰富的粗蛋白，可以用于生产优质的饲料添加剂和动物饲料。有关研究表明，微藻体内含有光合色素（叶绿素、胡萝卜素、叶黄素等），部分藻类含有丰富的对健康有利的各种脂肪酸成分，尤其是不饱和脂肪酸（PUFA）如花生四烯酸、二十二碳六烯酸（DHA），可用于动物饲料中。例如，猪饲料中添加微藻粉，能够提高免疫力，改善猪的肠道健康[5];用于鸡饲料中，能提高雞的产蛋率和营养成分。日照市应用微藻工程实验室研发的微藻鸡饲料用于“DHA鸡蛋”的生产，每枚鸡蛋的售价是普通鸡蛋的4倍，土鸡蛋的2.5倍。日照市东临黄海，是我国著名四大渔场之一，渔业是日照市的支柱产业，海水养殖、海珍品养殖等朝着精养、高效、集约化方向发展，优质水产饲料市场巨大。微藻资源因富含蛋白质、脂肪、多糖、维生素、抗氧化物质、色素及微量元素等，在新型水产饲料资源开发中备受关注[6]。微藻新型水产饲料还可以有效缓解鱼粉、鱼油供应不足的矛盾。例如，微拟球藻和小球藻蛋白质含量高，氨基酸组分均衡，可以替代传统鱼粉、植物蛋白粉作为饲料中的蛋白源。雨生红球藻中的虾青素，小球藻中的角黄素，多种藻类的β-胡萝卜素、蓝藻叶黄素、玉米黄质等，可以改善水产动物的肌肉颜色和体色，色泽鲜艳、健康状态良好的水产品更受消费者青睐。彩虹鲷、锦鲤等观赏鱼类饲喂富含色素的微藻饲料，体色显著提高，观赏性增强。尽管微藻饲料还存在规模小、成本高、研发不足等问题，但其应用价值和优势正逐步显现，微藻新型饲料将在优质水产品生产中发挥重大作用，促进水产行业的良性发展。

2.2 微藻在食品创新中的应用 微藻是一种很好的蛋白质补充物质，作为食物的历史已有几千年之久，小球藻商业化生产已有30多年的历史[7]。在食品工业发达的美国，超过90%的婴儿配方奶粉中都含有微藻物质。21世纪以来，极大螺旋藻、钝顶螺旋藻、盐藻、雨生红球藻等在我国逐步被批准为新资源食品。微藻具有蛋白质、必需氨基酸、功能性多糖、矿物质、维生素含量高的特性，杜氏盐藻和雨生红球藻分别是提取β-胡萝卜素和天然虾青素的重要原料，螺旋藻细胞壁纤维素易吸收。微藻中的多种活性物质具有提高机体免疫力、抗氧化、延缓老化、预防疾病的功效。微藻既可以作为食品直接食用，也可利用其制品研发新风味食品、功能性食品和食品添加剂等，中国科学院海洋研究所研制出多个系列的红球藻虾青素制品[8]，包括红球藻干燥粉、破壁粉，水溶性虾青素微囊粉，红球藻虾青素油，以及红球藻或虾青素衍生产品如营养片、冲剂、饮料、保健酒等。日照市水产品和果蔬、茶叶、花生等农产品资源丰富，是我国著名的水产品加工基地之一，农产品、食品生产加工企业众多。但是大部分食品加工企业规模小、知名度低、特色不足、技术落后，正在寻找新的经济增长点。加大研发投入，深度开发微藻资源，生产新型微藻系列食品和功能食品等是一个不错的选择。特别是海洋特色食品、休闲旅游食品等具有地方特色和标志的产品，与旅游、海洋文化相结合，发展潜力大，市场前景好。

2.3 微藻在环境保护中的应用 微藻在全球生物圈固碳中至关重要，因其可以固定二氧化碳，生产出各种生物工程产品如可降解塑料、生物燃料等。研究表明，多种微藻可耐受高浓度碳酸氢钠，由此证明了循环利用碳酸盐吸收二氧化碳进行微藻培养的可行性，成功用于培养螺旋藻、小球藻、盐生杜氏藻、金藻、超嗜盐杆藻、胶球藻等，碳利用率高达96.7%。中国科学院水生生物研究所通过对螺旋藻种质资源的深度挖掘，筛选出了以烟道气为唯一碳源的螺旋藻藻种。利用锅炉尾气微藻养殖对发电厂烟气进行回收再利用，可以改善空气环境质量，节能减排 [9]。河口地区污染退化性水域生态修复可以通过种植珊瑚礁来实现，但研究发现珊瑚礁的生长需要共生生物虫黄藻。虫黄藻是一种海洋藻类，其呼吸作用代谢出的二氧化碳通过酶的作用发展为碳酸钙骨骼，从而促进珊瑚礁形成并茁壮成长。碳达峰、碳中和实行绿色低碳经济发展模式，微藻生物助力固碳、减碳技术已投入商业生产，如台湾地区将微藻减碳处理技术用于发电厂。近年来。我国在绿色低碳前沿技术领域加大研究力度，并取得了显著进展，如膜法捕集技术、二氧化碳捕集利用与封存、等离基元人工光合技术等。日照市是著名的海滨旅游城市，对环境保护和生态治理的需求更加迫切，发展微藻生物技术有助于实现“降碳”总目标，解决水污染防治、水资源生态环境修复、钢铁绿色发展等问题。

2.4 微藻在生物质能源中的应用 微拟球藻是一种广泛分布于海水中的单细胞藻类，在一定条件下能将固定的太阳能与二氧化碳转变成甘油三酯，具有生长迅速快，多不饱和脂肪酸、甘油三酯含量高的优点。在缺氧胁迫下，微拟球藻的油脂合成量显著提高。利用微拟球藻这一应激反应，建立缺氧胁迫下蛋白质组动态数学模型，为油脂代谢工程提供了新的路径和视角。美国科学家也进行了相关研究，其中通过降低另一种转录因子的表达使脂质产量增加了1倍。工业产油微藻已受到国内外的普遍重视。我国部分传统能源企业开始转型升级，转变产业结构，建立试验基地，利用藻类生产生物燃料，如新奥能源控股公司的内蒙古生物柴油商业工厂。中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心对微拟球藻进行了研究，提高其合成油脂的能力，以期在生物燃料领域加以利用。以日照市为代表的沿海城市，藻类资源丰富，开发藻类资源生产生物燃料，优化能源结构，将有助于海洋产业转型升级，促进海洋经济更快更好地发展。

3 微藻资源应用展望

微藻资源可以广泛应用在治理环境、饲料开发、生物质产油、食品保健品等领域，但是要实现大规模产业应用还存在诸多障碍。微藻主要生活在淡水和海洋系统中，如何将其从自然环境中提取并扩大培养，需要科学的实验手段和良好的实验条件，这也是目前亟待解决的技术难题。此外，微藻的培养成本很高，与高等植物无需任何成本即可从空气中获取二氧化碳不同，传统微藻培养过程供碳成本过高，并造成生物反应器开发和放大困难。

为了更好地挖掘和利用微藻资源，一要加大科研支持力度，增加微藻研发的基础性投入，建设微藻种质资源库，种质资源的多样性是微藻产业的基石。做好藻种的采集、纯化培养和生物特性及功能研究，挖掘具有应用潜力和经济效益的藻种。二要加大产品的研发力度，有针对性地开发符合区域经济发展方向的产品，建立健全激励机制，以“大众创业，万众创新”为契机，鼓励科研机构、高校、企业等参与微藻产品的创新与开发。三要加大微藻产品宣传力度，先示范再推广。如微藻生物肥，普通种植户对微藻肥比较陌生，从种植经验和风险角度考虑更加信赖传统的化学肥料，因此要选择现代化的种植园区进行试验，取得显著经济效益后，通过示范作用再逐步推广应用，扩大规模。

随着微藻资源综合开发利用研究的不断深入，微藻在生态保护、绿色农业生产、生物能源开发、人类健康保障中的地位不断加强，微藻产业优越性日趋凸显，各地政府和企业都十分重视微藻高新技术产业发展。微藻产业规模化、集约化和智能化发展，对地方经济建设、产业结构调整和供给侧改革都具有十分重要的意义。

参考文献

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[2]缪晓玲，吴庆余.微藻油脂制备生物柴油的研究[J].太陽能学报，2007（02）：219-222.

[3]王凌云，岑颖洲，李药兰.海藻的特殊功能及其在化妆品中的应用[J].日用化学工业，2003，33（4）：258-260.

[4]祖廷勋，罗光宏，王丹霞，等.现代绿洲形式的战略性新兴产业一微藻产业[J].生产力研究，2012（3）189-191.

[5]张玲清，田宗祥.海藻饲料在猪生产中的应用研究[J].国外畜牧学-猪与禽，2015（1）：46-48.

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[7]王慧岭，张晋阳，罗建涛，等.微藻在食品领域的应用[J].安徽农业科学，2018，46（17）：44-47.

[8]刘建国.红球藻虾青素资源开发历程与趋势展望[J].海洋科学，2020，44（8）：130-146.

[9]杨蕾蕾，李婷，邓菲，等.微生物与细胞资源的保存与发掘利用[J].中国科学院院刊，2019（12）：1379-1388.

（责编：徐世红）