海洋微藻生物技术的研究现状与进展.doc

海洋微藻生物技术的研究现状与进展王颖新 生技0811 0820212132摘要：微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养植物，细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素等，使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有很好的开发前景。本文简要综述了海洋微藻生物培养技术的研究现状，并对其应用前景进行了展望，现代高新技术为海洋微藻的研究开发利用和产业化提供了更广阔的前景。关键词：微藻、成分、培养技术、应用微藻是指一些微观的单细胞群体，是最低等的、自养的释氧植物。它是低等植物中种类繁多、分布极其广泛的一个类群。无论在海洋、淡水湖泊等水域，或在潮湿的土壤、树干等处，几乎在有光和潮湿的任何地方，微藻都能生存。海洋微藻是海洋生态系统中的主要初级生产者 ,种类多 ,繁殖快 ,在海洋生态系统的物质循环和能量流 动中起着极其重要的作用 。近几十年来 ,随着现代生物技术的应用 ,分离鉴定手段的提高 ,遗传工程 、基因工程等的迅猛发展 ,人类对海洋微藻的研究开发已进入一个崭新的时期 。由于海洋微藻营养丰富 ,富含微量元素和各类生物活性物质 ,而且易于人工繁殖 ,生长速度快 ,繁殖周期短 ,所以在医药、食品工业、环境监测、生物技术、可再生能源等方面具有广阔的应用前景 。1微藻中的多种成分微藻种类繁多，微藻细胞中含有：蛋白质、脂类、藻多糖、-胡萝卜素、多种无机元素（如Cu,Fe,Se,Mn,Zn等）等高价值的营养成分和化工原料。微藻的蛋白质含量很高，是单细胞蛋白(SCP)的一个重要来源。微藻所含的维生素A、维生素E、硫氨素、核黄素、吡多醇、维生素B12维生素C、生物素、肌醇、叶酸、泛酸钙和烟酸等增加了其作为SCP的价值。藻中类胡萝卜素含量较高，具有着色和营养的作用，可用来防治癌症、抗辐射、延缓衰老,增强机体免疫力等生理作用。化学合成均为反式的-胡萝卜素，对人体有致癌、致畸的作用,而顺式异构体在抗癌、抗心血管疾病功能比全反式异构体高，藻粉中-胡萝卜素含量高达14%。藻细胞中甘油含量较高，是优质的化妆品原料,也是化工、轻工和医药工业中用途极广的有机中间体。藻多糖复合物可作为免疫佐剂增强抗原性和机体免疫功能，明显抑制实体瘤S180起到抗肿瘤的作用.1.1色素从微藻中提取的色素主要有 2胡萝卜素 、虾青素和藻蓝素 。2胡萝卜素是 VA的前体 ,有抗氧化 、 抗突变 、抗衰老 、预防癌症 、增加免疫力等作用 。微藻中富含 2胡萝卜素 ,螺旋藻 ( S piru lina ) 中的 2胡 萝卜素含量是胡萝卜中的 10倍 ,而盐生杜氏藻 (D una liella sa lina )中的胡萝卜素含量可达其藻体干重的10 % 以上 ,最高可达 14 % ,胡萝卜素共有 6 个异构体 ,其中 2胡萝卜素约占 90 % 。目前 ,有许多国家 进行繁殖和开发利用盐藻的研究 ,对盐藻的开发应用已进入向生产化过渡的阶段 ,养殖盐藻有巨大的经济价值和独特优点 ,其中澳大利亚 、美国 、中国 、日本 、以色列等国家都已生产出 2 胡萝卜素产品 。美国食品及药物管理局 ( FDA )确认 2胡萝卜素为营养保健品 ,利用微藻生产 2胡萝卜素的研究已成为热门 课题 。虾青素属于类胡萝卜素 ,是微藻所含有的另一具有潜在价值的色素 。虾青素具有很强的抗氧化功能 ,能清除体内自由基 ,对紫外线引发的皮肤癌有很好的治疗效果 ,还能显著促进机体抗体的产生 。 雨生红球藻细胞内虾青素的含量很高 ,超过细胞干重的 2 % ,以红球藻生产虾 青素具有广阔的前 景 。藻蓝素亦称藻蓝蛋白 ,藻蓝蛋白是一种安全无毒 的色素蛋白 ,能促进血细胞再生 ,是一种理想的光敏剂 ,国外已用于癌症的光动态治疗 。藻蓝蛋白在螺旋藻中含量异常丰富 ,是天然蓝色素的巨大资源宝库 ,可取代合成色素用于仪器 、医药和化妆品工业 ;高 纯度的藻蓝蛋白是一种荧光分子探针 ,它与其他配体分子结合后 ,可以标记各种生物大分子 ,用于生物 分子试剂 。目前从螺旋藻中提取藻蓝蛋白已在日本进行商业化生产 。1.2 微藻多糖 微藻多糖是广泛存在于微藻体内的一种天然大分子物质 ,具有抗肿瘤 、抗病毒 、抗辐射损伤 、抗突 变 、抗衰老 、抗凝血 、降血脂及调节机体免疫能力等广泛的生理功能 。在环沟藻中有一种硫酸多糖 p 2KG03 ,有很好的体外抗脑心肌炎病毒 EMCV 的活性 。随着 p 2KG03 浓度提高 ,抗病毒作用增强 ,其 EC50为 26. 9g /m l,当 p 2KG03浓度达到 1000g /m l时 ,对宿主细胞也没有表现出细胞毒活性 。这是首次报道的具有抗 EMCV 病毒活性的海洋天然产物 。螺旋藻多糖是国内外海洋药物研究开发的热点 。钝顶螺旋藻多糖 ( PSP)是从钝顶螺旋藻中提取的一种水溶性多糖类化合物 ,研究发现PSP 对Vero 细胞 毒性极低 ,对单纯疱疹病毒HSV21无直接灭活作用 ,可干扰病毒向宿主细胞吸附,PSP抗病毒靶位在于 阻断病毒吸附和抑制感染细胞内病毒的复制及抑制HSV21糖蛋白gG基因的转录。1.3其它活性成分微藻生物活性物质的研究开发是微藻高技术产业发展的一个重要方面 。微藻中生物活性成分复 杂 ,除了目前研究较多的多不饱和脂肪酸 、色素 、微藻多糖外 ,在微藻中还发现了毒素 、抗生素 、甜菜碱 、 酶 、甾醇等活性物质 。利用海洋微藻细胞的螯合同化作用 ,可把硒 、锗 、锌等对人体有益的无机微量元素 转化成细胞内的有机螯合物 ,当无机形式转化为有机形式后 ,能使这些微量元素具有普遍的食用和保健价值。1989年 Gu stafa son从人工培养的鞘丝藻细胞提取物中分离出硫代 26 2脱 氧葡萄糖甘基二酰甘油 ( SQD G) , 它可以抑制 H IV 的复制 , 是一种新型抗 H IV 药物 。有毒岡比亚藻产生的刺尾鱼毒素 (m a ito toxin, M TX ) 有收缩大动脉 、强心作用及使培养神经细 胞释放去甲肾上腺素等神经梯质作用 。M TX的这些作用依赖于细胞外的钙离子 , M TX是最早发现的一 个钙通道活化剂。2 微藻的培养2.1光合自养微藻多为光合自养 ,自养微藻的大规模培养多采用开放式池和封闭式光合生物反应器系统进行培 养 。开放大池培养微藻是传统而又简单的微藻培养模式 ,也是目前较为成熟的一种微藻培养技术 。开放大池培养的优点是构建简单 、成本低廉及操作简便 ,但开放式培养过程受光照 、温度等自然环境影响 较大 ,并且易被真菌 、原生动物和其他藻种污染 ,同时水分蒸发严重 ,二氧化碳供给不足 ,这些因素都将 导致细胞培养密度偏低 ,使得采收成本较高 。能适应大池培养的微藻藻种必须是在极端环境下能快速 生长的藻种 ,然而能满足这些条件的藻种目前并不是太多 ,有许多尝试改进该系统 ,但还是只能用于螺 旋藻 、小球藻及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养 。封闭式光合生物反应器培养条件稳定 ,可无菌操作 ,易进行高密度培养 ,已成为今后的发展方向 。目前封闭式反应器有多种形式 ,如发酵罐式 、管式和板式等光生物反应器。研究结果表明 ,全封闭 、连续式培养进行了初步试验 , 与同体积开放式水槽相比 ,小球藻和新月菱形藻在封闭式光合反应器中的生长速度快 ,培养密度大 ,生产周期缩短 ,使用这种封闭式光合反应器可以在很大程度上提高微藻生产效率 。封闭式光合反应器可以动态地 、连续地培养微藻 ,微藻不易老化 ,营养价 值高 ,而且这种培养器封闭性好 ,隔断了与外界的直接接触 ,减少了敌害生物的危害 ,可进行长期培养 。许波等在平板式光生物反应器中对 Pa rietoch lo ris incisa 进行了放大培养 ,结果表明通气速率和培养 密度对藻体细胞的生长速度有直接的影响 ,并且其最适培养密度和细胞生物量产率随着通气率的增加 而增加 。当通气率从 700 m l /L 增加到 3000 m l /L 时 ,该微藻的最适培养密度从 0. 85 g /L 提高到了2. 51g /L ,其培养密度 、单位体积和单位面积的细胞生物量产率也分别达到了4. 65 g /L、0. 3 g / (L d)和 34.7 g / (m2d) 。光合生物反应器培养微藻技术成本较高 ,也存在一些限制因素 ,比如当微藻达到较高细 胞密度时 ,光的穿透性受到限制 ,内部细胞难以得到充分的光照 ; 还有水压增加使细胞受损 ,温度难控 制 ,反应器表面和传感器上的生物附着等问题。2.2异养培养一些藻类能利用有机物(葡萄糖 、醋酸盐等)作为唯一的碳源和能源进行异养生长 。与微藻的自养培养相比 ,异养培养技术起步较晚 ,但近几年来 ,异养培养微藻成为新的研究热点 。与自养培养方式相比,异养培养过程无需光照 ,具有较大的培养密度 ,底物的转化率高,能实现培养条件的自动化控制 ,可 降低采收和产物提纯等下游技术的成本,可以利用传统发酵设备生产高价值产品 ,因而具有更强的市场 竞争力。并不是所有微藻都能以有机碳源为底物进行异养生长,对微藻异养机理的研究还不够深入,对于那些只能自养,还没有发现其异养或者兼养现象的微藻 ,人们推测其可能是由于酶的缺陷 、通透性障碍和异养代谢能量不足所导致 。异养培养系统易被生长速度快的细菌污染,所以异养培养的整个过程 必须是严格的无菌化操作 ,培养条件的优化和在培养液中添加抗生素都能抑制细菌的污染 。美国的 M a rtek公司已建成150m3规模的工业化异养培养设备,生产富含DHA 的微藻饲料 。由于异养和光合自养条件的不同,会使微藻所含的化学成分发生变化,产生的活性物质含量降低,所以自养与异养相结合的兼养培养成为一种快速 、大量培养微藻的有效方法 。3微藻的综合应用及前景3.1医药工业天然-胡萝卜素具有抑制肿瘤、抗辐射和升高白细胞等作用，尤其对萎缩性胃炎、口腔溃疡、皮肤疾病和放化疗患者有着明显的辅助治疗效果。已开发出的产品有天然胡萝卜素口服液、冲剂、口含片、水分散型干粉等产品。近些年对不饱和脂肪酸（DHA、RHA）在婴儿食品和保健品中的使用都深受人们的欢迎。微藻胶体（ECP）有较强的抗肿瘤活性引起国内外专家的关注。3.2食品工业藻类的粗蛋白含量超过60%,生物学产量高于任何作物。藻类蛋白的生产正在迅速发展，小球藻、栅列藻、新月藻、螺旋藻己被用作蛋白质来源，小球藻、螺旋藻、杜氏盐藻还以粉剂、丸剂、提取物等形式投放保健品市场或用作食品添加剂。3.3环境监测微藻的生长状况能直接反映水质情况，判断空气中的毒性气体，打破常规气体样品的分析和检测，Naessens. M等人将小球藻固定在疏水膜上和膜电极相连制成生物反应器，反映空气甲醇蒸汽和四氯乙烯含量。Podola B等人改用调制荧光仪检测（PAM -2000）莱茵衣藻检测气体中的甲醇、甲醛。Chung P.废将水处理和单细胞蛋白（SCP）的生产结合，对沼气厌养发酵的猪粪废水进行处理，螺旋藻产量为5g /m2 /d。利用反应器挂膜技术可解决藻类和水的后续分离的问题。现在污水处理方法，大都依赖微生物的活动，处理后4种营养盐都达到国家排放标准。微藻生长脱氮除磷、难降解有机物、及Co、Mn、Hg等重金属离子。微藻还能吸收一定浓度NOx, SOx, H2S，在挪威、日本早已开始研究培养微藻进行环境保护3.4生物技术 微藻生长周期短、耐受性的基因是生物技术关注的热点，开发新型的微藻-生物反应器,利用藻类蛋白生产口服疫苗等，用活性物质制成干粉,口服。王义琴等人将防御素基因转入椭圆小球藻细胞内,生产昂贵的防御素已取得一定的成果，但仍有一个巨大的未知藻类待人们去开发。 3.5可再生资源的创造微藻能将二氧化碳转化为生物燃料、食品、饲料和高价值的生物活性物，而且这些光合微生物还可用于生物除污以及作为固氮生物肥料，好比日光驱动的细胞工厂。微藻能够提供不同类型的可再生生物燃料，包括用海藻生物质经厌氧消化后产生的甲烷、从微藻油脂中提取的生物柴油以及直接光生物合成的生物氢气。利用微藻做燃料的构想不自今日始，随着石油价格的节节上涨，这种想法目前越来越受到重视；而燃烧化石能源导致全球变暖给人们带来的新忧虑，使得微藻燃料具有了更重要的意义。2008年5月17日，中科院高技术局、生物局与中石化石油化工科学研究院联合组织召开了“微藻生物柴油技术研讨会”，并决定成立工作组，研究制定微藻生物柴油技术发展路线图，在中科院与中石化战略框架协议下，积极开展微藻生物柴油技术相关方面的合作。2008年6月，厦门大学生命科学学院进行开发利用可再生盐藻生物质能源的科研项目，提出以盐藻为原料生产生物柴油。该技术已进入推介合作实现产业化阶段。科研人员已经从国内外收集多种盐藻藻种（株），并对盐藻进行了系列诱变，分别获得了高产-胡萝卜素、耐高温、耐低温以及高脂含量的盐藻突变株。经过实验室研究及露天小规模试验，他们已经基本掌握了海水处理、海水露天养殖盐藻的工艺路线，并采用特异催化热解工艺生产生物柴油项目成果已申请盐藻优秀藻种和热解产能工艺技术等国家专利4项。参考文献：1. 吴庆余,章 冰。1993,藻类热解产烃与油气成因研究。南京大学学报第5卷,第2期。243-351页。2. 孙灵毅 ,王力勇 ,赵 强.3 种微藻兼养培养及营养成分的比较 J . 大连水产学院学报 , 2004 , 19 ( 2 ) : 146 - 149. 3. 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