我國微藻資源開發(fā)30年蟬變之路

劉建國, 徐 冉

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所實驗海洋生物學(xué)重點實驗室, 青島 266071;2. 紅球藻種質(zhì)培育與蝦青素制品開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 楚雄 650012;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋生物學(xué)與生物技術(shù)功能實驗室, 青島 266071)

我國微藻資源開發(fā)30年蟬變之路

劉建國1,2,3, 徐 冉1,2,3

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所實驗海洋生物學(xué)重點實驗室, 青島 266071;2. 紅球藻種質(zhì)培育與蝦青素制品開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 楚雄 650012;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋生物學(xué)與生物技術(shù)功能實驗室, 青島 266071)

針對我國微藻產(chǎn)業(yè)30年孕育歷程，分別從培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變、培養(yǎng)設(shè)施創(chuàng)制、細(xì)胞周期與培養(yǎng)調(diào)控模式、關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化與調(diào)控、敵害生物危害與防治策略、種質(zhì)與種子工程、產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)建和產(chǎn)業(yè)人員隊伍建設(shè)等主要側(cè)面進行回顧，同時概述了產(chǎn)業(yè)孕育過程中所遇到的主要瓶頸問題及解決思路方法，也對下一步發(fā)展趨勢予以展望，以期為我國微藻產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供借鑒與參考思路。

微藻；規(guī)?；囵B(yǎng)；工藝創(chuàng)新；生物危害防治；體系完善

微藻誕生于數(shù)億萬年前天地之初，雖然種類多、數(shù)量豐盈，但卻個體微小、分布散，以至于長期被忽視。然而，微藻具光合效率高、繁殖快、生產(chǎn)周期短，能高效捕獲環(huán)境CO2和凈化水體中的富營養(yǎng)化物質(zhì)的特點，能適應(yīng)各種不同的生長環(huán)境，在遺傳信息、生化組成、生態(tài)分布、代謝途徑等方面具有多樣性、復(fù)雜性和特殊性，有可能開發(fā)出人類大量需求、結(jié)構(gòu)特異的高附加值生物活性成分(如萜類、氨基雜環(huán)、大環(huán)內(nèi)酯、維生素、胡蘿卜素及其衍生物、高度不飽和脂肪酸、多糖及其衍生物、核苷酸、特殊屬性蛋白和多肽等)，具有極高的營養(yǎng)和藥學(xué)價值[1]。

經(jīng)過近30年不斷探索和孕育，我國微藻產(chǎn)業(yè)從無到有、規(guī)模初成，尤其紅球藻的規(guī)模化生產(chǎn)作為轉(zhuǎn)折性標(biāo)志，突破了系列限制性屏障問題[2]，打破以往該資源開發(fā)受限于生長快、抗逆性強和耐污能力高的3種微藻(小球藻、螺旋藻和鹽藻)的困局，微藻也從以單純生產(chǎn)初生代謝物質(zhì)為主的生物量獲取，走向以產(chǎn)品(次生代謝物質(zhì)的高附加值活性成分、功能性營養(yǎng)品，以及生物餌料和生物能源生產(chǎn)等)多樣化生產(chǎn)并舉的新階段；微藻資源開發(fā)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向工業(yè)化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵起飛沖天階段。在此之際，有必要回顧30年微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程，多角度概括具體的蟬變羽化進展，目的為微藻資源開發(fā)提供可借鑒的生產(chǎn)模式與支撐技術(shù)，以期進一步明確該產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。

1 規(guī)模培養(yǎng)主要模式的轉(zhuǎn)變

我國微藻資源開發(fā)始于20世紀(jì)60年代初(饑荒年代)的小球藻生產(chǎn)及水產(chǎn)育苗中的微藻餌料培養(yǎng)，但真正的微藻產(chǎn)業(yè)化應(yīng)源于80年代中期的螺旋藻和鹽藻規(guī)模培養(yǎng)。隨著時代與技術(shù)發(fā)展，微藻產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)模式已從20世紀(jì)80年代的單純光自養(yǎng)(如螺旋藻、鹽藻)，到21世紀(jì)呈光自養(yǎng)為主、輔以發(fā)酵異養(yǎng)或兼養(yǎng)的多樣化發(fā)展態(tài)勢，目前轉(zhuǎn)向異養(yǎng)發(fā)酵與自養(yǎng)相結(jié)合的培養(yǎng)模式(如小球藻和紅球藻)[3-4]。

期間，伴隨著我國經(jīng)濟實力與供電能力的提高，微藻培養(yǎng)模式也從最初依靠人工攪拌的簡易開放培養(yǎng)池(如土池、石灰池、水泥池和塑料池)，轉(zhuǎn)向借助機械攪拌的跑道池(由平底的跑道池→凹底的跑道池)，再走向半封閉塑料大棚跑道池→各種類型的封閉光生物反應(yīng)器(平板、柱狀和管道光生物反應(yīng)器)，現(xiàn)在基本確定為大型封閉式平行管道光生物反應(yīng)器(圖1)。在實際生產(chǎn)中，以生產(chǎn)初生物質(zhì)(蛋白、碳水化合物等)為主要目標(biāo)的微藻資源開發(fā)，多選用抗逆能力強、生長快和耐污的微藻種類(如螺旋藻、小球藻、微擬球藻和鹽藻)，其規(guī)?；囵B(yǎng)依然延續(xù)采用傳統(tǒng)的開放式跑道池；而以生產(chǎn)次生物質(zhì)和高附加值產(chǎn)品為目標(biāo)的(如紅球藻)，其規(guī)模化培養(yǎng)除個別還依賴于傳統(tǒng)開放式跑道池外，更多地依賴于大型封閉式平行管道光生物反應(yīng)器裝置；而小球藻的規(guī)?；囵B(yǎng)不僅可以采用開放式跑道池，還可以采用異養(yǎng)模式的發(fā)酵罐，以及耦合異養(yǎng)與自養(yǎng)的兼養(yǎng)模式的各類生物反應(yīng)器。

同時，在微藻規(guī)模化培養(yǎng)的氣體交換上，開放體系從完全靜止的培養(yǎng)模式，轉(zhuǎn)向了通空氣培養(yǎng)和通加富CO2空氣的培養(yǎng)模式；對于封閉的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)而言，無論CO2過低還是O2過高都將限制(或抑制)光合作用速率，影響微藻的整體培養(yǎng)效果。為此，封閉光生物反應(yīng)器必需配備氣體交換裝置，有效添加CO2以補充光合消耗的碳源，同時盡可能地解析體系內(nèi)部光合釋放的O2，以減少高氧對微藻的損傷作用。

圖1 用于微藻規(guī)模培養(yǎng)的主要光生物反應(yīng)器類型

1：在塑料溫室大棚內(nèi)的跑道池；2：在塑料溫室大棚內(nèi)的玻璃平板光生物反應(yīng)器；3：在塑料溫室大棚內(nèi)的柱狀光生物反應(yīng)器系統(tǒng)；4：平行管道光生物反應(yīng)器

在光溫控制上，由最初完全依靠自然光溫變化微藻培養(yǎng)，到有意識地選擇到光照更充沛、溫度更適宜的地域開展微藻規(guī)模化培養(yǎng)，以及更主動地覆蓋溫室大棚改變藻液的溫度波動規(guī)律，進而逐漸向人工調(diào)節(jié)培養(yǎng)溫度和增加光照的培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變。

30年來，微藻規(guī)模培養(yǎng)不同模式的轉(zhuǎn)變，也是從靠天吃飯的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式，向更精密與精細(xì)可控的工業(yè)化模式的逐級過渡，建立可全自動化人工控制光/溫/氣體和營養(yǎng)鹽，構(gòu)建微藻規(guī)模化培養(yǎng)(植物細(xì)胞陽光工廠)，更加高效和有目的地開發(fā)微藻資源，將是該行業(yè)下一步發(fā)展的總體趨勢。

2 規(guī)?；囵B(yǎng)設(shè)施的創(chuàng)制

與發(fā)酵罐在工業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮的重要支撐作用一樣，光生物反應(yīng)器作為關(guān)鍵設(shè)備也決定著微藻資源開發(fā)成敗。微藻規(guī)模開發(fā)之初完全依賴于開放培養(yǎng)池，能夠成功培養(yǎng)的微藻很少，只有生長快、抗逆性強或耐污染的小球藻、螺旋藻和鹽藻這3種微藻實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。目前所構(gòu)建起的大型封閉式平行管道光生物反應(yīng)器，可適用于絕大多數(shù)微藻的規(guī)模化培養(yǎng)。微藻培養(yǎng)設(shè)施從開放到完全封閉、從實驗型到生產(chǎn)型，歷經(jīng)各種類型的平板、柱狀和管道等光生物反應(yīng)器，反應(yīng)器體積由升級小型規(guī)模設(shè)備逐級擴大為數(shù)百升的中小試論證裝置、再至噸級甚至數(shù)十噸產(chǎn)業(yè)化設(shè)施、以及數(shù)百上千噸的整體配套的平行管道光生物反應(yīng)器生產(chǎn)系統(tǒng)(圖2)[5-6]。上述設(shè)備體積增加與生產(chǎn)成本下降只是表觀性的關(guān)鍵問題，而其技術(shù)難度在于如何保持設(shè)備比表面積不降低，克服氣體交換困難、以及解決自動化清洗。此外，近年來針對某些可固定化絲狀微藻開發(fā)，還自行研制出獨具特色的生物幕(膜)反應(yīng)器[7]。

微藻屬光自養(yǎng)生物，其細(xì)胞生長都需要光線，這也決定了構(gòu)建培養(yǎng)微藻的大型光生物反應(yīng)器需采用高透光性材料。而高透光性材料(如玻璃、有機玻璃、塑料等)通常既不耐高溫又不耐高壓，不僅難以持續(xù)通過增高實現(xiàn)規(guī)模擴大，也不宜于利用高溫措施消毒滅菌；而依賴于增粗實現(xiàn)反應(yīng)器規(guī)模放大，難免引起比表面積大幅下降，進而導(dǎo)致光線難以進入反應(yīng)器體系內(nèi)，嚴(yán)重限制微藻光合與細(xì)胞生長；依賴延長管道方式方法體積常造成氣體交換率快速下降。此外，在大型光生物反應(yīng)器內(nèi)部還存在很多培養(yǎng)死角區(qū)，細(xì)胞極易貼壁生長，很難有效清洗。近幾年，適宜于微藻規(guī)模化培養(yǎng)的大型管道光生物反應(yīng)器已在我國研制成功，突破了管道長度不超過百米的限制，使管道總長度有效延長到數(shù)千米，也使培養(yǎng)設(shè)備單元達(dá)到噸級甚至幾十噸級規(guī)模，并保持體表面積并不下降；同時，建立起可自動清洗管道內(nèi)貼壁細(xì)胞的系統(tǒng)，減少了培養(yǎng)死角，不僅避免了細(xì)胞貼壁沉積到管壁，能夠保持管道高透光性，還減少了細(xì)胞貼壁所引起的變質(zhì)、死亡以及由此引發(fā)的生物污染，有利于保障培養(yǎng)體系的均一性和高效運轉(zhuǎn)，提高了微藻綜合培養(yǎng)效率。需要指出，上述自動清洗系統(tǒng)減少了分拆/清洗/組裝與消毒等繁雜過程，不僅省力/降低勞動強度/減少污染，還節(jié)約清洗時間，相對增加培養(yǎng)時間與批次；另外，自主研制出針對光生物反應(yīng)器管節(jié)處死角的特制連接件，有效減少了管節(jié)間死角區(qū)，降低該區(qū)的細(xì)胞附壁、沉降與死亡腐敗，進而減少敵害生物污染。

圖2 整體配套的全封閉微藻培養(yǎng)系統(tǒng)(云南愛爾發(fā)生物技術(shù)

Fig 2 The closed microalgal culture system (Yunnan Alphy Biotech Co., Ltd， Both parallel tubular photobioreactors and the gas-exchange systems were awarded Chinese national excellent invention patents in 2014 and 2016 respectively)

光生物反應(yīng)器設(shè)備單元上述進展有效解決了微藻規(guī)模放大過程中存在的系列共性問題，也擺脫了以往微藻培養(yǎng)跑道池對平整土地過度依賴的局面，為利用非耕土地資源(荒山/丘陵/鹽堿地/沙漠/甚至城市建筑房頂?shù)?，細(xì)胞工程規(guī)模化培養(yǎng)微藻資源帶來了可能，有2項發(fā)明技術(shù)先后獲得了國家優(yōu)秀發(fā)明專利獎[5-6]。進一步完善光生物反應(yīng)器單元設(shè)備的各項工作性能，如增加管道內(nèi)流體運動軌跡、形成湍流、提高混勻程度、提升動力泵輸送能力、降低機械剪切力、增加特定的人工光源、有效調(diào)節(jié)溫度等，在此基礎(chǔ)上組建機械化程度更高的整體配套生產(chǎn)系統(tǒng)，降低勞動強力，綜合提高生產(chǎn)管理效率，將是微藻資源工業(yè)化生產(chǎn)開發(fā)的努力方向。預(yù)計隨著培養(yǎng)規(guī)模放大、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化和加工成本下降，將為利用各類水資源細(xì)胞工程開發(fā)更多的微藻資源，生產(chǎn)水產(chǎn)餌料、微藻蛋白、高附加值產(chǎn)品以及可再生能源提供硬件支撐。

3 生活周期與培養(yǎng)調(diào)控模式

微藻多為單細(xì)胞自養(yǎng)生物，其生活周期及繁殖方式相對簡單。對于以獲取生物質(zhì)為主的微藻規(guī)模化培養(yǎng)中，基本上選擇細(xì)胞生長快、耐污性強、可大量生產(chǎn)蛋白質(zhì)和糖類等初級代謝產(chǎn)物的微藻種類(如螺旋藻、小球藻和餌料微藻等)。在實際生產(chǎn)性培養(yǎng)中通常盡可能地將細(xì)胞控制在快速生長的對數(shù)生長期，待藻細(xì)胞達(dá)到一定密度或在對數(shù)生長后期批次收獲，可獲得更高的產(chǎn)量。

對于以獲取次生物質(zhì)為目標(biāo)的微藻規(guī)?；囵B(yǎng)，僅有提高生物量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需提高其次生物質(zhì)含量。而次生物質(zhì)積累與生物質(zhì)增加通常并不同步，有時甚至相沖突，故難以同時滿足。為此，在實際生產(chǎn)中一般通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)元素，讓其先生長再積累，并于穩(wěn)定期末收獲藻細(xì)胞；二步串聯(lián)培養(yǎng)是更具針對性的策略，即將藻細(xì)胞生長和累積過程分開，采用不同的優(yōu)化模式條件維持細(xì)胞快速生長或誘導(dǎo)細(xì)胞大量積累次生物質(zhì)[7]。相對而言，前一種策略適宜于規(guī)?；囵B(yǎng)抗逆能力高或耐生物污染強的微藻，例如在高鹽、高溫、高光強條件下可大量積累β-胡蘿卜素的鹽藻。在上述強脅迫逆境下其他生物難以存活，因此可較容易地防止微藻培養(yǎng)中的敵害生物。而二步串聯(lián)培養(yǎng)更適用于抗逆性相對較差、耐污性也不強的微藻規(guī)?；囵B(yǎng)，比如在氮磷虧缺下能大量積累油脂的某些富油藻類更適宜采用該培養(yǎng)模式，事實上二步串聯(lián)培養(yǎng)也是國內(nèi)外微藻生物能源開發(fā)所探討的重點。

除此之外，某些微藻生活周期比較復(fù)雜，存在不同類型、可相互轉(zhuǎn)化的細(xì)胞，只有在特殊條件下的特定細(xì)胞才大量積累高附加值的生物活性物質(zhì)。這類微藻(如紅球藻)生長繁殖速率通常較慢、雖能抗逆但不耐污染，建立其規(guī)模化開發(fā)模式更困難。紅球藻主要存在游動細(xì)胞與不動細(xì)胞2個階段，有細(xì)胞營養(yǎng)繁殖(出芽、二分裂)與孢子無性繁殖等多種繁殖方式，并且細(xì)胞之間可以相互轉(zhuǎn)化(圖3)。不同階段的細(xì)胞的繁殖方式、生長速率和蝦青素積累能力差異很大，游動細(xì)胞生長繁殖相對較快但并不累積蝦青素，而不動細(xì)胞可大量積累蝦青素但其生長繁殖速率卻很低。在實際生產(chǎn)中，紅球藻細(xì)胞生長、細(xì)胞轉(zhuǎn)化與蝦青素積累難以同時兼顧，需有針對性地創(chuàng)建基于生活周期的開發(fā)模式。即第一步優(yōu)化培養(yǎng)參數(shù)，讓細(xì)胞在游動階段快速繁殖，獲取充足生物量；第二步改變培養(yǎng)參數(shù)誘導(dǎo)游動細(xì)胞轉(zhuǎn)化為不動細(xì)胞，進而創(chuàng)造適宜的培養(yǎng)環(huán)境條件使不動細(xì)胞大量累積蝦青素(圖4)[8]。

圖3 紅球藻生活史中各種細(xì)胞類型及繁殖方式

a：游動細(xì)胞；b：營養(yǎng)繁殖(2分裂)中的游動細(xì)胞；c～e：游動細(xì)胞通過孢子囊進行無性生殖(其中，c孢子囊內(nèi)含2個游動孢子，d囊內(nèi)含4個游動孢子，e囊內(nèi)含8個游動孢子)；f：不動細(xì)胞；g～j：不動細(xì)胞通過孢子囊進行無性生殖(其中，g孢子囊內(nèi)含2個不動孢子，h囊內(nèi)含4個不動孢子，i囊內(nèi)含8個不動孢子；j囊內(nèi)>16個不動孢子)；k～o：不動細(xì)胞通過孢子囊無性生殖(其中，k囊內(nèi)含4個游動孢子，l囊內(nèi)含8個待釋放的游動孢子，m孢子囊釋放8個游動孢子的瞬間，n囊內(nèi)含16個游動孢子，o囊內(nèi)含>16個游動孢子)；p：營養(yǎng)繁殖(出芽)中的不動細(xì)胞；q～r：孢子囊內(nèi)處于不等分裂的游動孢子；s：孢子囊內(nèi)某些孢子發(fā)生自溶；t：釋放孢子后的囊殼

上述不同的規(guī)?；囵B(yǎng)案例，可為下一步微藻資源開發(fā)提供啟示和借鑒模式，即在微藻生產(chǎn)中，需先確定培養(yǎng)微藻的產(chǎn)業(yè)化目的、弄清微藻的生長繁殖和代謝等基本生物學(xué)特征，更有針對性地選擇合適的模式開展產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。綜上所述，可以從中看出微藻開發(fā)逐步從簡單粗放的散養(yǎng)，轉(zhuǎn)向過程細(xì)化與精細(xì)調(diào)控的總體發(fā)展趨勢，這也是微藻資源開發(fā)從靠天吃飯的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，逐步走向工業(yè)化控制生產(chǎn)所必需實現(xiàn)的跨越。

圖4 紅球藻生活周期與二步串聯(lián)培養(yǎng)[8]

4 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化與調(diào)控

在微藻資源開發(fā)鏈條中，存在從藻種→規(guī)?；囵B(yǎng)→生產(chǎn)加工的眾多環(huán)節(jié)。無論微藻生長、還是活性物質(zhì)積累和加工等都受物理、化學(xué)和生物等諸多因素的綜合影響。上述各個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)平衡發(fā)展(圖5)、以及眾多相關(guān)理化參數(shù)的優(yōu)化與調(diào)控程度，通常決定著微藻培養(yǎng)(特別是戶外規(guī)?；囵B(yǎng))成敗，也是微藻資源開發(fā)從原始粗放、靠天吃飯的純農(nóng)業(yè)模式，逐漸走向先進成熟、精細(xì)可控的工業(yè)化轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志。

就物理因素而言，主要涉及光照(光照輻射強度與光照時間)、溫度(晝夜溫差和年際溫度變化)、天氣晴陰、降雨和蒸發(fā)、水土狀況和風(fēng)沙塵埃等。選擇良好的自然生境，對微藻產(chǎn)量增加和品質(zhì)提高都會產(chǎn)生事半功倍的作用。對上述物理因素的綜合考量，也是微藻規(guī)模化培養(yǎng)選址中需要重點考察的內(nèi)容。廠址一旦確定，除全人工控制外，上述物理因素基本上就大致確定，常難以大幅改變與優(yōu)化。以我國螺旋藻生產(chǎn)企業(yè)為例，在20世紀(jì)80、90年代產(chǎn)業(yè)起步階段的，企業(yè)的地域分布相對較散；而2000年左右成立的廠家，多有意識地向南方亞熱帶地區(qū)偏移；在2010年前后，更多的企業(yè)則落戶在北方內(nèi)蒙古地區(qū)。在亞熱帶養(yǎng)殖螺旋藻的企業(yè)主要集中在福建、廣東、廣西、江西、云南和海南，其最典型的自然生境是常年積溫偏高，特別是海南地區(qū)溫度最高，非常適宜于在高溫下可快速生長的螺旋藻的規(guī)?；a(chǎn)；而該地區(qū)培養(yǎng)螺旋藻自然生境的不足在于雨季較長，多云和降雨一定程度上也降低了該藻產(chǎn)量的增加；而云南高原地區(qū)在養(yǎng)殖螺旋藻中的環(huán)境優(yōu)勢在于常年溫度變化較少、四季如春且陽光充沛。至于近年來螺旋藻產(chǎn)業(yè)在北方內(nèi)蒙古興起，在于該地區(qū)雖冬季低溫季節(jié)較長，但夏季卻具有輻射強、光照時間長、白天溫度高、晝夜溫差大的綜合優(yōu)勢。與南方的戶外養(yǎng)殖模式不同，以北地方螺旋藻規(guī)模培養(yǎng)在傳統(tǒng)開放跑道池基礎(chǔ)上，還借助溫室大棚技術(shù)提升藻液溫度，不僅增加了初春和秋末季節(jié)的養(yǎng)殖期，還有利于該藻光合與藻體的快速生長。此外，塑料溫室的半封閉性能，也部分降低了風(fēng)沙塵埃的入侵，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的改善和提高。

圖5 微藻資源開發(fā)的基本共性環(huán)節(jié)

影響微藻培養(yǎng)的化學(xué)因素很多，主要包括各類營養(yǎng)鹽(氮、磷、碳源及其他營養(yǎng)鹽和各類微量元素)、pH值、植物生長調(diào)節(jié)劑及微藻細(xì)胞產(chǎn)生反饋調(diào)節(jié)細(xì)胞生長的信號物質(zhì)等。不同微藻在維持生長所需要的化學(xué)營養(yǎng)參數(shù)差異很大，即使同一微藻對上述化學(xué)因素也有較寬泛的適應(yīng)范圍，尋找更適宜的化學(xué)因子參數(shù)是開展微藻規(guī)模培養(yǎng)優(yōu)化與調(diào)控的重要部分，也是考量微藻培養(yǎng)技術(shù)強弱的主要參考內(nèi)容，其高低好壞直接影響著微藻規(guī)模培養(yǎng)產(chǎn)量大小、成本高低和產(chǎn)品市場競爭力。以螺旋藻為例，我國規(guī)?；B(yǎng)殖最初單靠Zarrok培養(yǎng)基配方贏天下，經(jīng)過30多年實踐積累了大量經(jīng)驗，各企業(yè)依據(jù)具體養(yǎng)殖地的水土特點、季節(jié)氣候不同、培養(yǎng)品系甚至藻的生長狀況進行了差異化調(diào)整，其中小蘇打的調(diào)整最大，使用量大幅下降，另外改用人工添加CO2氣體，而鈣鎂用量因水質(zhì)差異而不同等。相對而言，在單純以生物質(zhì)獲取為主的微藻培養(yǎng)中，其化學(xué)調(diào)控還比較少；在以次生生物活性物質(zhì)開發(fā)為目標(biāo)，尤其培養(yǎng)生活周期復(fù)雜的微藻資源開發(fā)中，通過營養(yǎng)鹽改變進行的化學(xué)調(diào)控更明顯、精細(xì)與復(fù)雜。如紅球藻蝦青素開發(fā)中，從開始尋求最適營養(yǎng)鹽配方的一步培養(yǎng)，逐步過渡到目前的多級串聯(lián)培養(yǎng)。首先，提供充足的氮磷無機碳源等適宜條件，調(diào)控藻細(xì)胞處于游動細(xì)胞階段，實現(xiàn)快速繁殖以獲取生物質(zhì)；然后，改變培養(yǎng)參數(shù)完成從游動細(xì)胞向不動細(xì)胞的轉(zhuǎn)變；最后，利用低氮和強光等脅迫，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝發(fā)生改變，促進蝦青素的大量積累。

就生物學(xué)因素而言，主要涉及敵害生物污染控制和優(yōu)良微藻種質(zhì)選育，分別在第五、六部分中予以闡述。需要強調(diào)，任何物理還是化學(xué)參數(shù)的優(yōu)化與調(diào)整均不是絕對的，而是相對于其他參數(shù)恒定而言的。任何其他培養(yǎng)理化參數(shù)變化，都將反過來對其或多或少地產(chǎn)生影響。因此，選擇最適宜于培養(yǎng)環(huán)境與模式，反復(fù)循環(huán)優(yōu)化培養(yǎng)參數(shù)，不斷彌補限制培養(yǎng)的短板，使細(xì)胞生長更快或積累更多目的產(chǎn)物，為微藻規(guī)模培養(yǎng)需要不斷探討的重點內(nèi)容，也是產(chǎn)業(yè)化逐漸走向成熟的過程。

5 敵害生物危害與防治策略

微藻在水生態(tài)系統(tǒng)中處于最底層的第一生產(chǎn)力，是浮游動物的天然餌料。無論開放還是封閉的微藻培養(yǎng)體系，一旦遭受敵害生物(包括原生動物及其他微藻)污染，常常對微藻細(xì)胞產(chǎn)生攝食、競爭與抑制等多重作用，不僅使微藻產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量大幅下降，甚至導(dǎo)致整個培養(yǎng)體系徹底失敗而顆粒無收。同時，殘存于培養(yǎng)體系內(nèi)的敵害生物常常成為后續(xù)培養(yǎng)的污染源不斷形成惡性循環(huán)，而成為嚴(yán)重制約微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的限制性屏障。小體積培養(yǎng)易于控制上述污染，但在規(guī)模化培養(yǎng)中卻難以完全控制和杜絕來自于水源、空氣、肥料、儀器等途徑的污染，長期以來國內(nèi)外對此缺乏十分有效的控制方法。在目前小球藻和螺旋藻規(guī)?；囵B(yǎng)中，為減少敵害生物危害，最通常的做法是添加足夠的碳酸銨鹽。碳酸銨不僅提供藻體生長所需的碳源和氮源，同時使某些敵害生物處于氨中毒狀態(tài)，抑制其爆發(fā)式增長，可在一定程度上達(dá)到防控目的。另一更有效的控制策略是采用天然、可快速降解、無毒但對某些敵害生物卻具有選擇性毒性的植物源有機殺蟲劑[9-10]，實驗和中試論證結(jié)果表明其殺蟲效果和經(jīng)濟可行性高[11]，但受藥劑生產(chǎn)能力限制目前尚未在規(guī)模化生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

在細(xì)胞生長環(huán)境更為溫和適中、繁殖速度也較慢的多數(shù)微藻資源開發(fā)中，敵害生物污染問題更為突出。建立以綜合預(yù)防為主的工藝措施，有效控制來自于培養(yǎng)設(shè)備(如光生物反應(yīng)器)、支撐管道系統(tǒng)、各類營養(yǎng)物質(zhì)、氣體、水體、營養(yǎng)液以及周圍環(huán)境、甚至操作過程中的敵害生物污染，是決定產(chǎn)業(yè)化成敗的重要限制性因素。紅球藻蝦青素的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)成功，將這類微藻的產(chǎn)業(yè)化從以往傳統(tǒng)的粗放式培養(yǎng)模式，帶入到精工細(xì)作的單種(甚至無菌)培養(yǎng)的新階段，也將微藻細(xì)胞培養(yǎng)引向工業(yè)微生物開發(fā)模式，并使藻類細(xì)胞自養(yǎng)與微生物異養(yǎng)技術(shù)逐步靠攏，形成相互借鑒的細(xì)胞工程微藻資源開發(fā)態(tài)勢，這也將成為微藻資源開發(fā)的新趨勢。

6 種質(zhì)與種子工程

我國微藻種質(zhì)資源經(jīng)過幾十年的不斷豐富，特別是近幾年受惠于微藻生物能源項目資助下的大規(guī)模采集分離，微藻種類和數(shù)量都有大幅度增加，不僅擁有數(shù)以千計的各類淡水微藻、海水微藻種質(zhì)，還有很多微藻(主要是藍(lán)藻和衣藻模式藻株)突變體[12]。目前很多大學(xué)和研究機構(gòu)建立了各自的微藻種質(zhì)庫，某些從事水產(chǎn)餌料和微藻活性物質(zhì)開發(fā)的微藻企業(yè)也建立了經(jīng)濟藻種保存室，這些微藻種質(zhì)主要集中在中科院水生所、海洋所、南海所、武漢植物園、中國海洋大學(xué)、廈門大學(xué)、暨南大學(xué)等研究機構(gòu)與大學(xué)中。需要指出，我國微藻資源開發(fā)還缺乏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)良品種，目前開發(fā)的微藻多以篩選野生種質(zhì)為主[13]。而微藻種質(zhì)的人工培育工作相對薄弱，僅限于前期物理或化學(xué)誘變育種。到目前為止還缺乏國家認(rèn)可的微藻優(yōu)良品種，甚至沒有微藻種質(zhì)評價和審定機構(gòu)。系統(tǒng)性地開展微藻特別是經(jīng)濟微藻的良種化，選育優(yōu)良種質(zhì)、培育良種可為微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供動能，也將是該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

微藻屬孢子植物，不像高等植物可開花產(chǎn)生果實種子，微藻資源開發(fā)缺乏傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可長期儲藏與批量運輸?shù)摹胺N子”，這也決定了微藻資源的規(guī)?；豢赡芤货矶?，短期迅速擴大，而只能依靠細(xì)胞的營養(yǎng)繁殖和無性生殖等方式在適宜的季節(jié)逐漸增殖和一步步地放大，“種子”問題成為制約微藻資源開發(fā)規(guī)?；l(fā)展的重要瓶頸。為此，針對微藻構(gòu)建種子工程，采用發(fā)酵或其他工程技術(shù)高密度快速繁殖細(xì)胞[14-15]，形成至少可短期儲存的微藻活細(xì)胞，作為定向批量提供開展微藻資源開發(fā)的“種子”，將極大地促進微藻資源規(guī)模化生產(chǎn)，這也是該產(chǎn)業(yè)走向成熟的重要標(biāo)志和下一步需突破的內(nèi)容。

7 產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)

30多年來，我國微藻資源開發(fā)的產(chǎn)業(yè)體系從無到有，經(jīng)歷摸索與緩慢起步階段，目前并正走向快速發(fā)展期。事實上，在我國微藻資源開發(fā)之初甚至缺少最基本的教科書，在僅有幾個可開設(shè)微藻課程的大專院校中多采用油印講義，相關(guān)知識大多為微藻分類和系統(tǒng)演化內(nèi)容，而生理生化內(nèi)容甚少，關(guān)于實際培養(yǎng)和加工內(nèi)容幾乎沒有涉及。通過近20年的摸索發(fā)展，特別是結(jié)合水產(chǎn)育苗的餌料培養(yǎng)，實際生產(chǎn)經(jīng)驗不斷豐富，相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)逐步提煉和規(guī)范化，現(xiàn)已發(fā)展到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定與執(zhí)行的新階段。近年來，已經(jīng)完成紅球藻、小球藻和螺旋藻等多種微藻標(biāo)準(zhǔn)的制定和審核，相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)頒布執(zhí)行，其中包括通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也有具體的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、以及相關(guān)分析與檢測標(biāo)準(zhǔn)。

微藻資源開發(fā)總體上已從20世紀(jì)末片面追求產(chǎn)量與產(chǎn)品數(shù)量，逐漸轉(zhuǎn)向全面提升產(chǎn)品質(zhì)量，其關(guān)鍵時間節(jié)點與事件分別為2003年非典與2012年螺旋藻鉛風(fēng)波。非典之前社會對微藻缺乏認(rèn)知，微藻市場推廣與開拓以強調(diào)微藻蛋白質(zhì)營養(yǎng)為主；從非典到鉛風(fēng)波的10年間，逐漸轉(zhuǎn)向突出微藻增強免疫力為主，并以微藻可積累特殊的天然高附加值物質(zhì)(如類胡蘿卜素、多不飽和脂肪酸)作為突破方向，同時也更加關(guān)注微藻產(chǎn)品的維生素與礦物質(zhì)含量；而鉛風(fēng)波之后進一步轉(zhuǎn)向全面完善微藻產(chǎn)品的質(zhì)量，比如如何降低鈣鎂灰分(特別是其中鉛砷汞鎘等各類重金屬)含量，有效控制微藻原料生產(chǎn)和產(chǎn)品加工中的微生物菌群與數(shù)量，以及避免苯并芘、塑化劑和藥品殘留等其他毒性物質(zhì)的污染[16]。

在上述微藻資源開發(fā)過程中，微藻產(chǎn)品日益增多(從生產(chǎn)水產(chǎn)飼料和營養(yǎng)添加與強化劑，到生產(chǎn)功能性食品、健字甚至準(zhǔn)字號微藻產(chǎn)品)并逐漸成為市場中的新生成員。同時微藻體系建設(shè)也日趨完善，先后建立起比較科學(xué)規(guī)范的培養(yǎng)模式和工藝流程、生產(chǎn)管理規(guī)則、ISO質(zhì)量管理體系，形成大量的專業(yè)性分析化驗方法和技術(shù)專利，多種微藻也獲得了新食品資源許可和新產(chǎn)品認(rèn)證，目前各種類型的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)方興未艾[17]。預(yù)計下一步針對微藻的優(yōu)良種質(zhì)培育和微藻產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督，也將成為微藻產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)的重要組成部分。

8 產(chǎn)業(yè)人員隊伍建設(shè)

隨著微藻產(chǎn)業(yè)的孕育，產(chǎn)業(yè)人員隊伍也逐漸形成壯大和專業(yè)化。在20世紀(jì)90年代之前，我國微藻資源開發(fā)基本上還附屬于水產(chǎn)動物養(yǎng)殖中，主要側(cè)重于微藻餌料的培養(yǎng)，相關(guān)工作大多也由水產(chǎn)育苗技術(shù)人員臨時兼顧。到20世紀(jì)90年代中期，隨著螺旋藻產(chǎn)業(yè)化成功和規(guī)?；瘮U大，微藻產(chǎn)業(yè)逐漸從水產(chǎn)業(yè)中獨立出來[18]。進入21世紀(jì)特別是2003年的非典之后，微藻獨特營養(yǎng)價值和提高免疫力逐漸得到社會認(rèn)知，市場上微藻產(chǎn)品的需求逐步增加，我國微藻產(chǎn)業(yè)雛形乍現(xiàn)，隨后隨著對微藻生物能源、高效捕獲CO2及紅球藻蝦青素開發(fā)的普遍關(guān)注，從事微藻研究、生產(chǎn)和開發(fā)的人員隊伍進一步增加[19]。1)微藻科研隊伍，已從最初集中在武漢與青島擴散到北京、廣州、南京等主要城市，盡管各地從事微藻研究的機構(gòu)與人數(shù)不一，但尚未開展微藻研發(fā)的省市已幾乎沒有。2)從事微藻生產(chǎn)加工的產(chǎn)業(yè)人員已經(jīng)分布在全國20余個省市，相對而言我國西部和東北省份的人員隊伍相對較弱。3)在專門從事微藻科研的研究生隊伍培養(yǎng)上，從20世紀(jì)80年代中后期開始招收微藻專業(yè)研究生，直到90年代末微藻專業(yè)的招生數(shù)量相對很少，這批研究生畢業(yè)后大多留在科研機構(gòu)和大學(xué)中工作，并成為目前我國微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展與人才培養(yǎng)的重要骨干力量，另一部分畢業(yè)生選擇了出國進修深造和工作，近幾年已陸續(xù)有不少學(xué)者回國就職并作為重要的領(lǐng)軍人物從事微藻研發(fā)工作。4)微藻產(chǎn)品營銷市場遍布全國各地，東南沿海地區(qū)大中城市相對而言較多。5)在藻類學(xué)會中，從事微藻研發(fā)的隊伍日益壯大，目前已成為學(xué)會成員的主力。6)微藻產(chǎn)業(yè)協(xié)會和聯(lián)盟成立，協(xié)會人員隊伍發(fā)展迅速、活動多樣、交流活躍。7)專門從事微藻開發(fā)的國家和省市級工程(技術(shù))研究中心(實驗室)，近年來也開始成立，如國家發(fā)改委批復(fù)成立了紅球藻種質(zhì)培育與蝦青素制品開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，云南省批復(fù)成立了紅球藻工程中心，國投集團成立國投微藻生物科技中心等。8)在資本市場上，專門從事微藻資源開發(fā)的企業(yè)也有了身影，愛爾發(fā)(834118)于2015年底率先在新三板成功上市。

綜上所述，回顧我國微藻資源開發(fā)產(chǎn)業(yè)的30年發(fā)展與蟬變歷程，不難看出我國已形成了微藻產(chǎn)業(yè)的各類技術(shù)，也實現(xiàn)了該產(chǎn)業(yè)從無到有的跨越，初步銜接了產(chǎn)業(yè)全程發(fā)展各個環(huán)節(jié)，并維持了各個環(huán)節(jié)的平衡發(fā)展，基本完成了微藻產(chǎn)業(yè)的孕育和羽化過程，目前正處于進一步硬化變強與等待沖天一飛的新階段。相信微藻產(chǎn)業(yè)將在國民經(jīng)濟建設(shè)、提高社會人群營養(yǎng)健康水平、解決環(huán)境與新能源問題中發(fā)揮越來越重要的作用。

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30-year′s footprint and process of microalgal development in China

LIU Jian-guo1,2,3, XU Ran1,2,3

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071; 2.National-Local Joint Engineering Research Center for Haematococcus pluvialis and Astaxanthin Products, Yunnan Alphy Biotech Co., Ltd.,Chuxiong 650012; 3.Laboratory for Marine Biology and Biotechnology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)

The 30-year progressive history of microalgal industry in China covering every aspects of the bioresource exploitation and utilization including the change of cultivation modes, equipment innovation, cell cycle regulation, growth optimization, contamination and pollution control, germplasm screening, and industrial system construction as well as the practitioner team training was brief reviewed. Meanwhile, the crucial problems encountered the microalgal mass cultivation, some key techniques and the possible solving strategies were then discussed. Further developing trend of Chinese microalgal industry was also prospected, using the new developed Haematococcus cultivation model.

microalgae; industrial cultivation; technological innovation; biological contamination control; system perfecting

2016-11-06；

2017-02-20

國家自然科學(xué)基金(31572639)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源網(wǎng)絡(luò)計劃活性天然化合物發(fā)現(xiàn)、評價與轉(zhuǎn)化(ZSTH-024)項目

劉建國，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事藻類與藻類生物技術(shù)研究，E-mail：jgliu@qdio.ac.cn

Q949.2

A

2095-1736(2017)02-0009-07

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.02.009