富營養(yǎng)化湖泊中藻類蛋白特征及其資源化開發(fā)

程宇凱，秦可娜，魏亮亮，涂劍成，趙慶良

(1.南昌水業(yè)集團，南昌330025;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

水體富營養(yǎng)化是指生物營養(yǎng)物質(zhì)氮(N)、磷(P)等無機營養(yǎng)物質(zhì)大量進入相對封閉或水流緩慢的水體后，在適宜的水域物理化學(xué)環(huán)境因素綜合作用下，引起藻類及其他浮游生物大量繁殖，水質(zhì)惡化，甚至魚類及水生生物大量死亡的現(xiàn)象[1].目前環(huán)境領(lǐng)域中所說的水體富營養(yǎng)化多指由于人類的過度活動引起的水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)富集的而使?jié)舛冗^高的現(xiàn)象，通常情況下，水體富營養(yǎng)化在諸如湖泊及水庫等封閉水體中較容易出現(xiàn)[2－3];當(dāng)前我國湖泊面積70 988 km2，約占全國陸地總面積的0.8%，大于1 km2的天然湖泊有2 300余個，據(jù)統(tǒng)計2013年我國富營養(yǎng)、中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)的湖泊(水庫)面積比例分別占到總湖泊(水庫)面積的 27.8%、57.4% 和 14.8%，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重[4].此外，我國的湖泊環(huán)境非常脆弱，再加上湖泊中的營養(yǎng)物質(zhì)來源廣、背景濃度高，使得湖泊富營養(yǎng)化進程有進一步加速的趨勢，如武漢東湖、杭州西湖、云南滇池、南京玄武湖、江蘇太湖等富營養(yǎng)化嚴(yán)重[5－6].

1 富營養(yǎng)化水體中的藻類

藻類是水體生態(tài)系統(tǒng)中最主要初級生產(chǎn)者，絕大部分藻類個體較小、營養(yǎng)豐富、生長繁殖迅速、環(huán)境適應(yīng)性強，能對太陽能高效利用，是水體富營養(yǎng)化的一個重要特征[7－8]，不同的水體中的藻類分布不同，其中在淡水水體中的藻類主要有綠藻，藍藻等，而在咸水水體中的藻類主要有甲藻、藍藻等.雖然藻類是水體富營養(yǎng)化的罪魁禍?zhǔn)?，但是，藻類作為一種高蛋白和高糖的天然物質(zhì)，其自身有很多經(jīng)濟實用價值，怎樣對富營養(yǎng)化水體中的藻類加以利用，成為我們控制水體富營養(yǎng)化的另一條出路.

2 藻體蛋白的性質(zhì)及生態(tài)功能

2.1 藻類的生態(tài)學(xué)特性

藻類通過光合作用進行生長，可在富營養(yǎng)化水體中大量繁殖，因此利用水面生產(chǎn)高質(zhì)量的藻類蛋白質(zhì)，可實現(xiàn)江河湖海農(nóng)牧化，可解決耕地資源減少給農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來的困難等問題[9].藻類生長過程中的光合作用可吸收CO2，并釋放氧氣，在完成藻類自身生長的同時，優(yōu)化空氣質(zhì)量.例如在實際生產(chǎn)過程中若生產(chǎn)200 g鮮藻，約放氧66.6 L，相當(dāng)于246 m2草坪的放氧能力[10].所以，藻類蛋白資源的開發(fā)利用，在實現(xiàn)藻體中有用物質(zhì)資源化利用的同時，將發(fā)揮藻類生態(tài)學(xué)功能，必將為人類社會的發(fā)展做出巨大的貢獻.

2.2 藻類中蛋白的含量及特性

藻類具有極強的光合成能力，藻類的光能利用率可達18%，光合效率達43%，是一般農(nóng)作物的1.4～3倍，故其具有生長繁殖快，周期短(人工栽培時從接種培養(yǎng)到收獲只需5～8 d).此外，藻類中蛋白質(zhì)含量極高，一般藻體干細(xì)胞中蛋白質(zhì)的含量約占到50% ～70%，故每公斤干藻含植物中蛋白可達500～700 g，該部分蛋白可作為食品、保健品等加以開發(fā)利用[4].藍藻作為藻類中較特殊的一種，在富營養(yǎng)化湖泊中大量繁殖生長，其主要成分為藻膽蛋白、多糖、脂肪、氨基酸等，通常情況下1t藍藻干物質(zhì)經(jīng)加工后可生產(chǎn)天然藍色素50 kg、藻多糖 10 kg、藻毒制品 1 kg[11].

2.3 藻類蛋白的營養(yǎng)學(xué)特性

藻體中含有大量的高蛋白物質(zhì)和不飽和脂肪酸(PUFA)，其中PUFA的主要成分為二十五碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)，上述營養(yǎng)物質(zhì)不僅價值高，且無腥臭味，不含膽固醇[12]，另外，藻體蛋白中還有魚類等賴以生存的微量元素.所以，藻體蛋白還可以作為漁業(yè)中的飼料，即達到了去處藻類的作用，還可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益.

3 藻體蛋白的綜合開發(fā)利用

3.1 藻藍蛋白在食品、醫(yī)療等領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用

藻藍蛋白是藍藻、紅藻等藻類中特有的捕光色素蛋白[13]，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占藻體細(xì)胞干質(zhì)量的18%，在食品、醫(yī)療、化妝品等工業(yè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[14－15].藻藍蛋白作為一種少見的水溶性色素蛋白，顏色鮮艷，可作為天然食用色素改善食品色澤;藻藍蛋白具有齊全的氨基酸組成，必需氨基酸含量高，是一種營養(yǎng)豐富的蛋白質(zhì)，如目前我國已有10余種以螺旋藻片和膠囊為主要成分的保健食品.據(jù)科學(xué)研究表明，藻藍蛋白具有刺激紅細(xì)胞集落生成，可提高人體免疫力、促進血紅細(xì)胞生成、抑制癌細(xì)胞，故其在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.陳紅兵[16]等研究發(fā)現(xiàn)藻藍蛋白對短暫性腦缺血后的神經(jīng)元損傷有明顯的保護作用;李繼發(fā)[17]等研究表明藻藍蛋白對胰島細(xì)胞具有一定的保護作用;章申峰[18]等報道濃度大于40 μmol/mL的藻藍蛋白可在體外顯著抑制肺腺癌細(xì)胞的生長;Haizhen Wang[19]等發(fā)現(xiàn)藻藍蛋白的p亞基具有抗癌作用.此外，藻藍蛋白還具有抗氧化、清除自由基等特性[20]，能起到補血、豐胸的作用;Patel等[21]進行了藻藍蛋白體外抗氧化活性研究，發(fā)現(xiàn)其對過氧化氫基團和羥基的消除效果良好.Romay等[22]證明從極大節(jié)旋藻中提取的藻藍蛋白具有抗炎癥和抗氧化的作用.藻藍蛋白還具有優(yōu)良的熒光特性、理想的光敏作用，其具有很強的二次電子發(fā)射能力和優(yōu)良的光電性能，可作為細(xì)胞和分子的熒光標(biāo)記物[23－24].目前，藻藍蛋白常用的提取方法有反復(fù)凍融法、雙水相萃取技術(shù)、化學(xué)試劑處理法、膜分離技術(shù)、溶脹法、擴張床吸附技術(shù)、超聲波法等[25－26].

3.2 藻類中蛋白在光電材料中的開發(fā)應(yīng)用

藻膽蛋白中具有光合作用的捕光功能的蛋白主要分為藻藍蛋白、別藻藍蛋白、藻紅藍蛋白和藻紅蛋白四大類.藻膽蛋白一般含有α和β亞基，上述亞基中則含1～2個輔基色素，使得藻膽蛋白具有特殊的光譜吸收性質(zhì)，對光的響應(yīng)性靈敏度高，通常情況下可在可見光范圍內(nèi)完成光電信息轉(zhuǎn)換，故有研究者已將基于藻膽蛋白開發(fā)出新型的生物光電材料.周林等采用靜電組裝技術(shù)成功地制備了基于B－藻紅蛋白的多層復(fù)合薄膜，所制的薄膜的最大吸光度和光致發(fā)射強度均與組裝層數(shù)呈線性遞增關(guān)系，光學(xué)效應(yīng)明顯[27].周明等通過將人體紅細(xì)胞膜上的血型糖蛋白A中的跨膜片段基因和藻紅藍蛋白基因片段的N端的分子設(shè)計，實現(xiàn)了α－PEC的分子構(gòu)建，為藻紅藍蛋白在生物光電材料中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)[28].總體上，藻蛋白的可逆光致變色特性強、耐熱性好、耐疲勞性強、可固定性好，具有的獨特的應(yīng)用前景.如趙開弘等人經(jīng)過對天然藻紅藍蛋白α亞基(α～PEC)研究指出:1)在pH為7.2下提取的α～PEC穩(wěn)定性較好，可長期保持較高的可逆光致變色特性;2)α～PEC具有較好的熱穩(wěn)定性，在60℃以下能長期保持高光化學(xué)活性;3)α～PEC在反復(fù)循環(huán)光照上萬次后仍具有光化學(xué)活性，耐疲勞性強;4)瓊脂糖是α～PEC較好的固定包埋劑，包埋工藝簡單，透明度高，有利于通過對α～PEC的固定化構(gòu)建光電器件，實現(xiàn)光電信息轉(zhuǎn)換[29].

3.3 藻膽蛋白生物探針開發(fā)

藻膽蛋白作為一種新型的性能優(yōu)良的生化探針廣泛應(yīng)用于免疫細(xì)胞化學(xué)、免疫組織化學(xué)、流式細(xì)胞熒光測定、熒光激活細(xì)胞分選、共聚焦激光顯微鏡、單分子檢測等熒光免疫分析測試[30].20世紀(jì)80年代初，美國加利福尼亞大學(xué)的Glazer等[31]最先研制藻膽蛋白探針，通過雙功能試劑SPDP將藻紅蛋白和生物素等交聯(lián)，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)后的藻紅蛋白其發(fā)射光譜和熒光產(chǎn)量沒有改變，并且藻紅蛋白熒光檢測具有極高的靈敏度.Parks等人[32]于1984年又將別藻藍蛋白開發(fā)為熒光探針.此后，藻膽蛋白熒光探針相繼在醫(yī)學(xué)檢測、人源疾病病毒、動物病毒、植物病毒檢測中應(yīng)用，陳良華[33]將藻紅蛋白熒光探針應(yīng)用在煙草花葉病毒的免疫熒光檢測，具有較好的特異性;顏世敢等[34]首次應(yīng)用純化的R－藻紅蛋白與H9亞型禽流感病毒抗體交聯(lián)制備熒光探針，成功用于H9亞型禽流感病毒的檢測.與傳統(tǒng)熒光染料相比，藻膽蛋白熒光探針具有如下優(yōu)點[35]:1)藻膽蛋白在pH=4～10之間吸收光譜無明顯變化，液、固狀態(tài)的藻膽蛋白均十分穩(wěn)定;2)光吸收能力強，色基多，熒光量子產(chǎn)額高;3)熒光波長在550～700 nm的橙紅光區(qū)，熒光背景干擾少;4)藻膽蛋Stokes位移大，高達80 nm，而普通熒光素通常小于30 nm;5)藻膽蛋白等電點在4.7～5.3范圍內(nèi)，生理溶液中帶負(fù)電荷，較難發(fā)生非特異性吸附;6)天然生物大分子不會使其熒光猝滅;7)其表面具有如－SH基等活性基團，交聯(lián)方便;8)藻膽蛋白在溶液狀態(tài)下極其穩(wěn)定，與抗體結(jié)合后不影響其光譜特性，且能保持抗體免疫特征.藻膽蛋白正因為有上述優(yōu)點，其在免疫檢測上顯示出廣泛的應(yīng)用前景.

3.4 藻膽蛋白在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用

水體富營養(yǎng)化引起藍藻等水生植物異常生長，導(dǎo)致部分水體出現(xiàn)水華或赤潮現(xiàn)象嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)平衡，因此及時掌握藍藻分布，實現(xiàn)對藍藻連續(xù)實時原位監(jiān)測，是水華預(yù)警的重要環(huán)節(jié)[36].藻藍蛋白和藻紅蛋白是藍藻進行光合作用時吸收、轉(zhuǎn)化和傳遞光能的重要輔助色素，這兩種色素具有特征性的熒光光譜吸收峰和發(fā)射峰，可用來進行熒光特性分析，故在環(huán)境污染監(jiān)測方面發(fā)揮巨大的作用.雖然熒光分析法會受到細(xì)胞世代、營養(yǎng)鹽濃度、光照條件等外部因素影響，但因其操作簡易仍然是檢測藍藻生物量的較好方法，目前國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用這種方法監(jiān)測水庫、湖泊中的藍藻并對其進行衛(wèi)星遙感監(jiān)測.陳緯棟等[37]通過對藍藻活體進行熒光光譜掃描，確定藻藍蛋白的最佳熒光激發(fā)、發(fā)射波長，建立了藍藻生物量與藻藍蛋白特征熒光強度之間的關(guān)系.Dekker等[38]通過對藻藍蛋白進行監(jiān)測的方法，較為詳細(xì)的研究了澳大利亞昆蘭士東南水域中的藍藻.李發(fā)榮等[39]使用熒光水質(zhì)監(jiān)測儀及時獲取了藍藻生物量數(shù)據(jù)，并與3S技術(shù)結(jié)合，形成可視化的滇池藍藻濃度分布圖，為水環(huán)境監(jiān)測提供技術(shù)支撐.

3.5 藻蛋白中藻毒素的開發(fā)應(yīng)用

已知的藍藻藻蛋白毒素主要是兩類:1)肝毒素，主要包括七肽微囊藻毒素、moipurin等，以微囊藻毒素為代表;2)神經(jīng)毒素，主要以魚腥藻毒素為代表[40].如滇池中藍藻的主要優(yōu)勢藻為微囊藻，微囊藻毒素主要是由Microcystis、Anabaena、Oscillatoria、Nostoe等屬中的種類產(chǎn)生[41]，上述藻毒素可引起肝損傷，是已知的促腫瘤形成因子之一.但是，藻毒素作為一種天然的毒素，在生物、制藥等方面有很大的用處，故對藻毒素的開發(fā)應(yīng)用的前景十分明朗.如在富營養(yǎng)化湖泊中較為常見的魚腥藻分子結(jié)構(gòu)具有半剛性，不易被酶解，能作用于突觸后膜，是一種高效擬膽堿去極化神經(jīng)肌肉阻滯劑[42－43]，由于其高活性和分子剛性，成為研究煙堿樣膽堿受體與配基相互作用的有效探針[44].申晴等[45]將微囊藻毒素(MC－LR)做為模板，以鄰氨基酚為單體，應(yīng)用循環(huán)伏安法在金電極的表面電聚合成膜分子印跡材料，制成了可快速檢測富營養(yǎng)化水體中微囊藻毒素的傳感器.另微囊藻毒素因其穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其對肝臟極強的靶毒性引起醫(yī)學(xué)界高度重視，有研究學(xué)者設(shè)想將其脫毒后作為研究肝病的專一性載體.

3.6 藻蛋白中色素的提取及應(yīng)用

從微藻中可以提取的色素主要有β－胡蘿卜素、蝦青素、藻藍蛋白等[46].如 β－胡蘿卜素可以從杜氏澡中提取，蝦青素可從雨生紅球藻中提取，而藻膽蛋白可從藍藻、紅藻、雨藻中提取.所有這些色素在社會生產(chǎn)生活中都有很廣泛的用途，是未來藻蛋白開發(fā)過程中的一個重要方向.藻藍蛋白色素多從念珠藻、藍藻、螺旋藻中提取，主要成分為藻青素[47].如從螺旋藻提取的可食用色素[15]以葉黃素及胡蘿卜素為主要組分，另其中含有的藍色素更是目前天然食用色素品種中較罕見的色素之一.目前，從藻類中提取色素的常規(guī)工藝主要包括CO2超臨界萃取技術(shù)(SPE)和溶劑法等[27－28].從藻蛋白中提取色素可解決目前天然色素開發(fā)中原料來源少、價格昂貴等問題，還可解決水體富營養(yǎng)的問題，可謂一舉兩得.

3.7 藻膽蛋白作為藥品的研究及應(yīng)用

藻蛋白的特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)使得其在藥品的開發(fā)方面具有很大的潛力，如藻膽蛋白具有一定的抗病毒活性，對抑制肝腫瘤細(xì)胞的淋巴細(xì)胞活性方面效果顯著，可提高肌體免疫性.2003 年，Shih等[48]研究發(fā)現(xiàn)從鈍頂螺旋藻中提取的別藻藍蛋白能有效抑制腸道病毒，有望開發(fā)成抗腸道病毒藥物.哈佛醫(yī)學(xué)院的Schwardz和Shilar在1986年就發(fā)現(xiàn)藻膽蛋白對一些癌細(xì)胞有抑制作用[49].此后Morcos等用0.25 mg/mL的藻藍蛋白處理小鼠骨髓瘤細(xì)胞，在激光輻射對照下細(xì)胞存活率由15%提升到71%.研究還表明藻藍蛋白對骨髓造血具有刺激作用，可用于臨床輔助治療各種血液疾病，對血癌有治療作用[50];另外，藻體中的多糖可提高機體抗病毒和抗腫瘤能力，提高機體的免疫調(diào)節(jié)作用等[40].除此之外，藻體蛋白在艾滋病的防治方面具有很大的開發(fā)潛力，如1997年 Boyd等[41]從藍藻 Nostoc ettipsosporum中分離得到一種具有獨特的抗病毒活性的水溶性糖蛋白 Cyanovirin，Cyanovirin能與病毒表面衣殼蛋白上的甘露寡糖結(jié)合，阻止病毒與宿主細(xì)胞表面的受體結(jié)合，對各種嚴(yán)重的RNA逆轉(zhuǎn)錄病毒具有抗病毒活性.上述獲得的抗病毒多肽經(jīng)基因工程改造并大規(guī)模生產(chǎn)后可作為艾滋病治療藥物[29].

3.8 藻蛋白其他方面的應(yīng)用

藻類除了在以上幾個方面的應(yīng)用之外，在生物抗生素、動植物生長促進劑方面也有很大的開發(fā)前景，下面就介紹一下藻蛋白在這兩方面的一些應(yīng)用.

生物抗生素:利用海洋微藻可以用來生產(chǎn)用于人類或動物健康方面的活性化合物，從藍藻中已分離提取的諸如有機酸、脂肪酸、溴酚、丹寧、多糖及醇類的許多抗生素，具有抗癌、抗細(xì)菌、抗真菌及抗病毒活性化合物的作用，有些抗生素甚至在抗腫瘤、抗艾滋病方面有重要作用.

動、植物生長促進劑和調(diào)節(jié)劑:小球藻蛋白及螺旋藻蛋白的部分組成成分能加速動物細(xì)胞的生長速率，某些微藻蛋白提取液能促進植物生根、發(fā)芽、生長等.

4 結(jié)語

藻類蛋白的高利用價值越來越受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，并且有大量的學(xué)者就富營養(yǎng)水體的藻類利用展開了研究.可以看出的是，對藻類的開發(fā)利用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對富營養(yǎng)化水體中藻類的資源化利用，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對污染水體的綜合治理，可謂一舉兩得.另外，藻體蛋白的綜合利用涉及光電材料、生物探針、衛(wèi)生保健、醫(yī)藥開發(fā)、色素生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域，不僅應(yīng)用范圍廣，而且與我們?nèi)祟惖娜粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，前景十分廣闊.

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