藍(lán)藻在生態(tài)環(huán)境食品醫(yī)藥新能源等領(lǐng)域的研究進(jìn)展

劉　陽，牟金明（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林長春　130000）

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藍(lán)藻在生態(tài)環(huán)境食品醫(yī)藥新能源等領(lǐng)域的研究進(jìn)展

劉陽，*牟金明
（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林長春130000）

摘要：藍(lán)藻又稱藍(lán)細(xì)菌，是一類進(jìn)化歷史悠久的原核微生物。近幾年，藍(lán)藻因其結(jié)構(gòu)和功能的特殊性而成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)微生物。從生物固氮、生態(tài)環(huán)境、醫(yī)藥食品保健、新能源開發(fā)等方面對(duì)藍(lán)藻的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為今后更深入的開發(fā)和利用藍(lán)藻提供了參考。

關(guān)鍵詞：藍(lán)藻；生態(tài)環(huán)境；食品醫(yī)藥；新能源開發(fā)

藍(lán)藻是一種單細(xì)胞自養(yǎng)型微生物，其細(xì)胞中含有葉綠素a、葉黃素和胡蘿卜素以及藻膽素（藻紅素、藻藍(lán)素），細(xì)胞壁化學(xué)組成主要為肽聚糖，沒有核膜和核仁，細(xì)胞中央含有核物質(zhì)，通常呈網(wǎng)狀，除核糖體外，不具有葉綠體、線粒體、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、大液泡等細(xì)胞器。藍(lán)藻是地球上最古老的生物類群之一。1978—1980年間，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)較為完整的絲狀微化石，這些微化石中含有的藍(lán)藻年齡為35億年。由此可以看出，地球在距今35億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了藍(lán)藻。根據(jù)古生物學(xué)資料可知，在35億～ 38億年前藍(lán)藻一直是生物圈里的主要物種。在距今約6億～ 7億年前動(dòng)植物已適應(yīng)地球環(huán)境之后，藍(lán)藻時(shí)代結(jié)束，但藍(lán)藻并未退出生物圈的大舞臺(tái)[1]。本文主要總結(jié)了藍(lán)藻在生態(tài)環(huán)境、食品醫(yī)藥及新能源等幾大方面的研究應(yīng)用現(xiàn)狀。

1　藍(lán)藻與生態(tài)環(huán)境

1.1藍(lán)藻與水華

江河湖海等系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)都是處于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡中。由于水體的富營養(yǎng)化，部分藍(lán)藻等水生生物大量繁殖，在水面形成一層有腥臭味的藍(lán)綠色浮沫，稱為“水華”。這時(shí)水體會(huì)出現(xiàn)高溶解氧、高耗氧量，致使部分水生生物無法正常生長、發(fā)育、繁殖甚至死亡，在營腐生生物的分解作用下，這些死亡生物體內(nèi)的有毒有害物質(zhì)會(huì)釋放到水中。當(dāng)魚類、貝類處于有毒水華區(qū)域內(nèi)，攝食這些有毒生物，生物毒素可通過食物鏈或食物網(wǎng)在其體內(nèi)積累，當(dāng)其富集量超過人體可接受水平時(shí)，如果不慎被人食用，就會(huì)引起中毒，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致死亡。目前，確定有10余種水華現(xiàn)象引發(fā)毒素的毒性比眼鏡蛇毒素高80倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球（每年）因食用被水華毒素污染的水產(chǎn)品中毒事件約300多起。在所有淡水藻類中，毒素最強(qiáng)、污染范圍最廣的為藍(lán)藻，但并不是所有藍(lán)藻都產(chǎn)毒，目前認(rèn)為有毒的藍(lán)藻主要是水華束絲藻、銅綠微囊藻、水華魚腥藻等，這些種類藍(lán)藻在夏秋季形成的水華中大量存在。它們死亡后將細(xì)胞內(nèi)的毒素釋放到周圍水中，對(duì)人類健康和生物系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成極大威脅[2]。隨著生物計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用藍(lán)藻來制造生物芯片，通過檢測(cè)水體中藍(lán)藻特有的代謝產(chǎn)物來推測(cè)藍(lán)藻的含量[3]，對(duì)預(yù)防和控制水華具有重要的指導(dǎo)意義。

1.2藍(lán)藻與土壤肥力

藍(lán)藻在新陳代謝類型上屬于光能無機(jī)自養(yǎng)型，正常狀況下幾乎不從環(huán)境中吸收有機(jī)物來提供自身生長發(fā)育所需的能量物質(zhì)，所以不能降解生物體的遺體、排泄物等來提高土壤肥力；但是部分藍(lán)藻能夠利用空氣中的游離氮。科學(xué)家在20世紀(jì)80年代推算過，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大約有8×107t，而自然界每年通過生物固氮所提供的氮素則高達(dá)4×108t[4]。固氮藍(lán)藻死亡后，其遺體被環(huán)境中的其他生物分解，細(xì)胞內(nèi)存在的有機(jī)氮變成化合態(tài)氮，為土壤和水體增加了適量養(yǎng)分。在藍(lán)藻規(guī)模上不足以引起水體和土壤污染的情況下，可以將藍(lán)藻廣泛用于農(nóng)作物肥料的研制及應(yīng)用中，這樣可以減少人類對(duì)化學(xué)合成肥料的過度依賴，減少環(huán)境壓力。研究表明，在水稻田中接種適宜生長的固氮藍(lán)藻后，水稻長勢(shì)良好，秧苗移植后返青快，分蘗能力強(qiáng)，稻谷產(chǎn)量提高7％～10％。

固氮藍(lán)藻不僅能夠提高土壤肥力，還能夠修復(fù)鹽堿地生態(tài)功能。固氮藍(lán)藻修復(fù)鹽堿土的機(jī)理主要是由于其具有很好的耐鹽性和調(diào)節(jié)滲透壓的能力。研究發(fā)現(xiàn)，陸生固氮藍(lán)藻生長的土壤中其他微生物數(shù)量均有增加[5]。固氮藍(lán)藻在鹽堿地改良上不僅具有投入低的優(yōu)點(diǎn)，而且能改變土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤的理化性質(zhì)得到本質(zhì)上的改善[6]。對(duì)于利用固氮藍(lán)藻修復(fù)鹽堿地生態(tài)功能的研究，還有很多工作要做。不僅要擴(kuò)大固氮藍(lán)藻的應(yīng)用范圍，使其不僅能有效地改良鹽堿土，而且能改良干旱及半干旱地區(qū)的鹽堿化草原及沙漠等。

1.3藍(lán)藻與土壤、水體中重金屬離子的處理

受人類活動(dòng)日益影響，不少有毒重金屬進(jìn)入生物圈循環(huán)之中，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和持久性危害。例如，汽車尾氣中的鉛經(jīng)大氣循環(huán)等過程進(jìn)入生物圈中造成目前地表鉛濃度顯著提高，致使現(xiàn)在人體內(nèi)鉛的含量比原始人增加約100倍，嚴(yán)重?fù)p害了人體健康[7]。

目前，比較常用的重金屬污染物處理主要采用物理化學(xué)方法，如化學(xué)沉淀法、離子交換法、活性炭吸附法等等，但是這些物理化學(xué)方法大都效率低、投資成本高、能耗高、金屬回收率低，有的甚至造成二次污染[8]。較之于物理化學(xué)方法，生物處理法則避免了以上各種弊端，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)研究顯示，藍(lán)藻對(duì)鉛、銅等重金屬離子具有較高的吸附能力，起吸附作用的主要是外壁多糖[9]。在吸附過程中，藍(lán)藻細(xì)胞壁上的官能團(tuán)（如羧基、巰基、咪唑基、醛基、磷酸根等）與重金屬離子之間通過靜電作用力等結(jié)合形成有機(jī)物——金屬化合物具有較高的穩(wěn)定性，可阻止有毒重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞。除了細(xì)胞壁上的殘基基團(tuán)起作用外，許多藍(lán)藻還會(huì)向周圍環(huán)境排泄分泌物多糖、糖醛酸等胞外多糖，這些復(fù)雜的大分子陰離子絡(luò)合物形成的黏液也能絡(luò)合一些重金屬離子[10]。然而這也帶來了一些負(fù)面作用，據(jù)報(bào)道，在中國除新疆、西藏外，其余各地均有螺旋藻生產(chǎn)養(yǎng)殖基地，但是由于螺旋藻吸收水域中的重金屬離子，導(dǎo)致許多螺旋藻產(chǎn)品中重金屬超標(biāo)。因此，如何合理有效地利用藍(lán)藻吸附能力將成為今后研究的熱點(diǎn)。

2　藍(lán)藻與食品醫(yī)藥

2.1藍(lán)藻與醫(yī)藥

據(jù)有關(guān)研究報(bào)道，藍(lán)藻含有多種抗病毒和抗菌活性成分?，F(xiàn)已從藍(lán)藻中分離出包括抗真菌、抗酶抑制劑、殺蟲劑和免疫抑制劑等一系列天然活性物質(zhì)[11]。藍(lán)藻中的藻膽蛋白具有光敏效應(yīng)，可開發(fā)成為光敏劑用于腫瘤的激光治療；藍(lán)藻含有不飽和脂肪酸DHA和EPA，可用于預(yù)防和治療高血脂所致的動(dòng)脈粥樣硬化、冠心病和舒張血管，還能增強(qiáng)大腦記憶力，有“腦黃金”的美譽(yù)；另外，藍(lán)藻中所含的胡蘿卜素、類胡蘿卜素都具有一定的預(yù)防和治療心腦血管疾病的作用[12]。1997年從藍(lán)藻中分離得到一種水溶性糖蛋白Cyanovirin，這種水溶性糖蛋白具有獨(dú)特的抗病毒活性，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，干擾病毒的正常侵入及傳播途徑[13]。由于藍(lán)藻特殊的生存環(huán)境和悠久的進(jìn)化歷史，其細(xì)胞中存在功能獨(dú)特的活性成分。因此，隨著人們對(duì)藍(lán)藻的研究，有望從藍(lán)藻中分離出抗菌抗病毒藥物。

2.2藍(lán)藻與人類食品、動(dòng)物飼料

藍(lán)藻中含有豐富的藻膽蛋白、多糖、藻毒素等，因此藍(lán)藻的培養(yǎng)與利用也成為食品和動(dòng)物飼料領(lǐng)域的熱點(diǎn)，藍(lán)藻的用途主要有提取天然色素、藻膽蛋白、多糖、藻毒素等。天然色素物質(zhì)（如葉綠素、胡蘿卜素、藻藍(lán)素等）可分別通過相應(yīng)的萃取方式提取出來，目前螺旋藻中的藻藍(lán)素、類胡蘿卜素作為天然色素已用于食品中并進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。藍(lán)藻中含有藻膽蛋白，其含量可達(dá)細(xì)胞干質(zhì)量的10％～20％[14]。經(jīng)過生物處理后能得到很好的蛋白質(zhì)資源且蛋白含量高，營養(yǎng)均衡，可替代豆餅等蛋白質(zhì)產(chǎn)品，用作飼料行業(yè)的原料。

螺旋藻，因在顯微鏡下可見其形態(tài)為螺旋狀而得名。螺旋藻因其營養(yǎng)均衡全面，1987年被聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦為21世紀(jì)人類最理想的保健食品。螺旋藻中含有的維生素B族，尤其是VB12含量特別豐富，在治療心血管系統(tǒng)疾病及再生障礙性貧血方面有著很重要的作用；螺旋藻多糖具有顯著的抗輻射、抗突變、增強(qiáng)機(jī)體免疫等功能，可作為保健食品的重要功能成分[15]；螺旋藻中豐富的β-胡蘿卜素可以增強(qiáng)身體的抵抗力、降低癌癥發(fā)病率，具有較高的商業(yè)價(jià)值；螺旋藻中γ-亞麻酸含量在天然食物中較豐富；螺旋藻中還含有鐵、鋅、銅、鈣等微量、半微量礦物質(zhì)元素，其本身也易于被人體消化吸收，長期食用可以改善人體生理機(jī)能[16-18]。

3　藍(lán)藻與新能源

在化石能源日益匱乏的今天，生物質(zhì)能源的重要性逐漸凸顯，成為排在煤、石油、天然氣之后的第四大重要能源。與此同時(shí)，藍(lán)藻暴發(fā)日益頻繁的環(huán)境問題也亟待解決。藍(lán)藻沼氣發(fā)酵、藍(lán)藻制氫等技術(shù)既可以滿足能源需求，也可以緩解環(huán)境壓力，成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。

3.1藍(lán)藻產(chǎn)沼氣

利用藍(lán)藻和豬糞共同發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，沼氣可以直接作為燃料或用來發(fā)電，發(fā)酵后的殘?jiān)苯虞斎朕r(nóng)田漚肥[19]。由于不含纖維素，藍(lán)藻很容易降解。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵時(shí)豬糞與藍(lán)藻干物質(zhì)質(zhì)量比例為3∶7，藍(lán)藻發(fā)酵液的濃度為2.9％時(shí)，沼氣產(chǎn)量最高[20]。藍(lán)藻與污泥混合厭氧發(fā)酵也可產(chǎn)沼氣。在發(fā)酵前對(duì)其進(jìn)行一定的物理化學(xué)處理，促使其細(xì)胞壁破裂，可以加速藍(lán)藻的厭氧發(fā)酵過程，從而縮短發(fā)酵時(shí)間，提高沼氣產(chǎn)量。

3.2藍(lán)藻產(chǎn)氫氣

藍(lán)藻也可以用于生物制氫。可用于生物制氫的微生物包括光合細(xì)菌、藍(lán)藻和綠藻等，其中藍(lán)藻制氫是最理想的生物制氫方式之一，因?yàn)樗{(lán)藻能夠直接光解水放氫，將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能；而且藍(lán)藻生長營養(yǎng)需求低，只需光、空氣、水和簡(jiǎn)單的無機(jī)鹽即可。藍(lán)藻制氫作為一種有前途的生物制氫方式，多年來一直受到人們的重視。藍(lán)藻的產(chǎn)氫機(jī)制是以太陽能為能源、以水為原料，通過光合作用及相關(guān)酶系將水分解為氫氣和氧氣。藍(lán)藻中參與放氫生理過程的酶主要有固氮酶、吸氫酶和可逆氫酶3種。不同的藍(lán)藻含有不同的產(chǎn)氫酶系，其中固氮酶除了催化固氮外還可以催化氫的產(chǎn)生，吸氫酶可以氧化固氮酶放出的氫，可逆氫酶既可以吸收氫也可以釋放氫[21]。一些藍(lán)藻含有異形細(xì)胞，異形細(xì)胞具有良好的保護(hù)機(jī)制，使固氮酶在氧氣環(huán)境中不致失活，此過程中，正常細(xì)胞進(jìn)行放氧光合作用，把合成的有機(jī)物轉(zhuǎn)移到異形細(xì)胞，異形細(xì)胞為固氮酶提供電子和ATP，進(jìn)而繼續(xù)固氮產(chǎn)氫。光發(fā)酵和暗發(fā)酵耦合制氫技術(shù)，比單獨(dú)使用一種方法制氫具有更多優(yōu)勢(shì)。將2種發(fā)酵方法結(jié)合在一起，相互交替、相互利用、相互補(bǔ)充，可提高氫氣的產(chǎn)量。從目前來看，生物制氫技術(shù)仍存在不少尚待解決的問題，主要體現(xiàn)在高產(chǎn)氫藻株的篩選與構(gòu)建、室外大規(guī)模高密度培養(yǎng)、光照下生物體持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫速率等幾個(gè)方面[22]。

4　展望

藍(lán)藻在生物圈中作為一個(gè)古老而龐大的物種，無論如何人類都不會(huì)漠視它的作用。藍(lán)藻細(xì)胞中各種天然物質(zhì)可以在食品、醫(yī)藥、化妝品、紡織、石油等多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這些產(chǎn)業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境壓力小、破壞力小，不會(huì)超出環(huán)境的承受能力。藍(lán)藻還可以為人類提供優(yōu)質(zhì)蛋白源，為解決全球饑餓問題和營養(yǎng)不良問題做出極大貢獻(xiàn)。藍(lán)藻作為生物肥源，其固氮作用也值得探索；藍(lán)藻在土壤肥力改良和重金屬污染處理中也起到很大作用。隨著分子生物學(xué)、生命科學(xué)、生物信息學(xué)的發(fā)展以及相關(guān)學(xué)科的交叉研究，研究人員將逐步揭開藍(lán)藻中所蘊(yùn)含的寶貴信息，通過進(jìn)一步的研究來應(yīng)對(duì)人類與環(huán)境特別是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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

*通訊作者：牟金明（1962—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)與作物種植規(guī)劃。

作者簡(jiǎn)介：劉陽（1987—），女，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)與作物種植規(guī)劃。

收稿日期：2015-11-03

文章編號(hào)：1671-9646（2016）02a-0068-03

中圖分類號(hào)：Q78

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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