重新認(rèn)識藻類

周云龍

藻類不僅在生物的進(jìn)化和水生態(tài)系統(tǒng)及水體里的物質(zhì)循環(huán)中有重要的作用，而且，不少藻類還被開發(fā)出了新用途。

藻類農(nóng)場和減排

當(dāng)前，能源緊張已經(jīng)是全世界所關(guān)注的一個突出問題。另一方面，抑制全球變暖，減少二氧化碳等溫室氣體的排放也刻不容緩。

但是，人們可能很少想到藻類和這兩者之間會有什么關(guān)系。

其實(shí)，藻類和能源的關(guān)系是非常密切的：一些生物量高的藻類(如巨藻、馬尾藻等海藻)可以在沼氣池中的微生物的作用下產(chǎn)生沼氣，這些沼氣既可以直接用來照明、做飯和取暖，也可以用來發(fā)電；還有些藻類可以產(chǎn)生氫氣，如原核藍(lán)藻中可以產(chǎn)生氫氣的種類包括柱狀魚腥藻、紅萍魚腥藻、螺旋藻、聚球藻、顫藻等。其中，柱狀魚腥藻具有異形胞，能光解水產(chǎn)生氫和氧，它的產(chǎn)氫量為30毫升/小時·升；有些真核藻類如綠藻門中的萊因哈德衣藻等也具有產(chǎn)氫能力。衣藻的產(chǎn)氫量可以達(dá)到理論值的15％。在國外，如德國還建立了“藻類農(nóng)場”來生產(chǎn)氫能。

不僅如此，有些藻類本身的含油量就很高，可以用來生產(chǎn)柴油?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可用來生產(chǎn)生物柴油的高含油量藻類有小球藻、叢粒藻等很多種，其中最引人關(guān)注的是清華大學(xué)吳慶余教授的研究，他已經(jīng)成功地采用發(fā)酵的方法生產(chǎn)出高脂肪含量的異養(yǎng)小球藻，再用有機(jī)溶劑從藻細(xì)胞中提取油脂，經(jīng)過甲脂化反應(yīng)就可以得到生物柴油。目前，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)基本達(dá)到工業(yè)化的生產(chǎn)規(guī)模，發(fā)酵罐可以達(dá)到750升的容積。科研小組正在進(jìn)一步研究解決生產(chǎn)原料的開發(fā)和生產(chǎn)成本的降低等問題。

此外，日本、美國等國也都在探索用藻類來生產(chǎn)生物柴油的研究。需要強(qiáng)調(diào)的是，用藻類生產(chǎn)生物柴油比用糧食作物具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先，它不和糧食爭地，可以在任何地方建立工廠，包括荒漠地區(qū)，只要有水源就可以生產(chǎn)；其次，藻類生長快，周期短。

特別值得一提的是，國際上現(xiàn)在已經(jīng)開始有把藻類農(nóng)場生產(chǎn)生物柴油和減排處理CO₂結(jié)合起來的應(yīng)用研究。由于CO₂是藻類進(jìn)行光合作用的主要原料，培養(yǎng)藻類需要為它們提供大量的碳源。研究人員考慮把大型工業(yè)生產(chǎn)中排放出的CO₂收集起來，通入到人工“藻類農(nóng)場”中的藻類生物反應(yīng)器。藻類在光合作用過程中就把CO₂轉(zhuǎn)化為有機(jī)物了。我們再從培養(yǎng)的大量藻類中提取生物柴油、酒精，生產(chǎn)動物飼料和其他產(chǎn)品。這樣，既生產(chǎn)了生物柴油等產(chǎn)品，又減少了工業(yè)生產(chǎn)排放的CO₂，減小了CO₂造成的溫室氣體效應(yīng)，保護(hù)了人類生存的環(huán)境，而且還大大降低了培育藻類的成本，真可謂一箭三雕!

可以預(yù)料，用藻類來生產(chǎn)生物柴油，以解決人類面臨的能源危機(jī)，并和處理工業(yè)生產(chǎn)中排放的CO₂結(jié)合起來的新思路新技術(shù)，其前途將是非常廣闊的。

現(xiàn)代分子生物學(xué)的寵兒

藻類在現(xiàn)代分子生物學(xué)的科學(xué)研究中也有非常重要的價值，特別是原核的藍(lán)藻類，它們的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和遺傳特性與革蘭氏陰性細(xì)菌類似，部分種類具有天然的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和有效重組系統(tǒng)，是許多植物分子生物學(xué)研究的重要模式。自1980年以來，克隆的已知功能的藍(lán)藻基因大約在130種以上，在分子遺傳學(xué)和基因工程的研究上也取得了很多成果，如將毒蛋白基因轉(zhuǎn)入組囊藻和魚腥藻中，可以用來毒死蚊子的幼蟲孑孓，進(jìn)而達(dá)到控制和消滅蚊子的目的；將金屬硫蛋白基因轉(zhuǎn)入魚腥藻或集胞藻中，可以用于處理受到重金屬污染的水體，凈化水質(zhì)；將β－羥基聚合酶基因轉(zhuǎn)入聚球藻，可用于降解塑料；將人腫瘤壞死因子α－基因、人尿激酶原基因、人表皮生長因子等轉(zhuǎn)入魚腥藻或聚球藻等原核藻類可以用來制備重組藥物，治療疾病等。

除了原核藻類外，科學(xué)家在真核藻類中也開展了很多分子生物學(xué)的研究工作，并取得了一定進(jìn)展，其中比較突出的是對綠藻中衣藻的研究，該種藻類被認(rèn)為是真核藻類遺傳轉(zhuǎn)化的重要模式。其他還有對橢圓小球藻、小環(huán)藻、金藻等的研究。

上述這些研究表明，藻類在分子生物學(xué)研究和基因工程的研究中具有重要的科學(xué)價值，它們?yōu)榉肿由飳W(xué)、遺傳學(xué)和基因工程的研究提供了新的天地。

保健良藥

作為人類的食物來源之一，已知的可食用藻類有很多，如海帶、紫菜、裙帶菜、發(fā)菜等。值得一提的是，有些藻類不僅具有豐富的營養(yǎng)，而且還具有保健和醫(yī)藥價值。李時珍的《本草綱目》中就記述了16種藻類及其藥用功能，特別是對海帶的描述更為詳細(xì)?，F(xiàn)代研究表明，海帶中含有藻膠酸和昆布素，有降血脂作用；海帶氨酸具有降壓的作用；其中的氯化鉀和甘露醇有利尿消腫作用；海帶中所含的大量鈣和膠質(zhì)，對放射性物質(zhì)極具親和力，可以吸附放射性物質(zhì)，使其隨糞便排出體外，進(jìn)而減少放射性物質(zhì)在體內(nèi)的積聚，防止這些物質(zhì)誘發(fā)癌癥；海帶中的鈣還可以抑制脂肪酸和膽酸對腸黏膜的不良刺激，具有防癌作用。

也正因?yàn)楹е械奈镔|(zhì)對人體有諸多益處，所以時至今日，我國醫(yī)藥界仍然把海帶作為治療或預(yù)防單純性甲狀腺腫、青春期甲狀腺腫的食物之一。

此外，從小球藻和其他一些藻中提取的抗菌素，對某些病菌有明顯的抑制作用。據(jù)說，在委內(nèi)瑞拉的一個麻風(fēng)病醫(yī)療所，醫(yī)生用濃縮的小球藻膳食治療麻風(fēng)病的試驗(yàn)取得了很好的效果，小球藻明顯改善了病人的身體狀況。

從杜氏藻中提取的β－胡蘿卜素，對腫瘤有很強(qiáng)的抑制轉(zhuǎn)化作用。鷓鴣菜可以打蛔蟲。

風(fēng)靡全球的螺旋藻更是家喻戶曉，其蛋白質(zhì)含量高達(dá)60％～70％，含有人體必須的全部氨基酸，而且易消化，所含的胡蘿卜素也很高，是胡蘿卜的15倍。螺旋藻水溶性多糖和糖蛋白都有抗輻射、抗氧化、提高免疫力、促進(jìn)淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化和抑制癌細(xì)胞增殖的作用，普遍被人們當(dāng)作提高免疫力和降血脂，以及配合放射性治療的輔助性保健食品。

還有一種雨生紅球藻，富含蝦青素，該物質(zhì)的抗氧化功能很強(qiáng)，能清除體內(nèi)因紫外線照射而產(chǎn)生的自由基，調(diào)節(jié)降低由光化學(xué)造成的傷害，對紫外線引發(fā)的皮膚癌有很好的治療效果。

鑒于不少藻類營養(yǎng)豐富和具有保健作用，一些藻類制品已經(jīng)被添加到食品中制成保健品或保健食品。

天然氮肥

藻類在農(nóng)業(yè)上也有重要用途，如一些藍(lán)藻可以直接固定大氣中的氮，形成可以被利用的化合物。眾所周知，大氣中約有4/5是氮?dú)?，但它并不能直接為植物所利用。而藍(lán)藻中一些種類(大多數(shù)具有異形胞)可以在固氮酶的作用下，將大氣中的氮?dú)馔ㄟ^一系列復(fù)雜的生化過程還原為可供植物利用的氮化合物。這些氮化物可供固氮藍(lán)藻自身生長發(fā)育所需。與此同時，固氮藍(lán)藻在生長發(fā)育過程中還不斷分泌出氨基酸等含氮化合物，藻體死亡后經(jīng)分解會釋放出大量的氨態(tài)氮。這就大大增加了水體或土壤肥力。麥克拉與卡斯特羅用¹⁵N示蹤法測定藍(lán)藻的固氮量為每年10～55千克/公頃。英國洛桑試驗(yàn)站波洛埃德“巴爾克”試驗(yàn)區(qū)小麥地的不施肥區(qū)，藍(lán)藻固氮量每年為12～24千克/公頃。瑞典也測定過含念珠藻較豐富的旱地里的固氮量，據(jù)說可以達(dá)到每年15～5l千克/公頃。還有研究人員測定森林土壤里的固氮藍(lán)藻的固氮量約為每年10.9千克/公頃。由此可知，固氮藍(lán)藻的固氮量是很可觀的。

我國科技工作者曾在水稻田中放養(yǎng)一種叫做滿江紅的蕨類植物，這種植物漂浮在水面，它的葉子中有一種可以固定大氣氮的魚腥藻與之共生。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，稻田中的水稻可以增產(chǎn)7％～15％。現(xiàn)在全世界已發(fā)現(xiàn)150多種固氮藍(lán)藻，我國報道過的固氮藍(lán)藻有70多種。中科院水生所等單位還篩選出我國特有的固氮藍(lán)藻藻種，并在湖北省數(shù)萬畝晚稻田中進(jìn)行放養(yǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，固氮藍(lán)藻可以提高水稻產(chǎn)量10％～15％。此外，一些藻類還是很好的肥料，如淡水中的輪藻很早就被用作綠肥。一些大型海藻具有豐富的營養(yǎng)成分，可以很快被植物吸收，更是優(yōu)良的有機(jī)肥料，而且其體內(nèi)還具有一些生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，這在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。