經(jīng)濟海藻繁育、養(yǎng)殖及綜合利用的回顧與展望

王秀良 , 張全斌 , 段德麟

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院實驗海洋生物學重點實驗室, 山東 青島266071; 3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 實驗海洋生物學與生物技術實驗室, 山東 青島 266071)

大型海藻是指主要自然分布在海邊潮間帶及潮下帶的低等植物類群。人類利用海藻的歷史悠久, 在亞太地區(qū)的國家如中國、日本、韓國、菲律賓等, 以及歐洲、北美如愛爾蘭、加拿大等地也有將海藻作為食品的傳統(tǒng)。早在公元前1600年的夏、商時期就有記載, 中國利用海藻為藥用植物[1]。在日本, 很早就有從石花菜中提取瓊膠的技術[2], 在歐洲, 人們利用海帶、墨角藻、泡葉藻做鉀鹽和鈉鹽, 也有用海藻來做肥料和動物飼料[3]。

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計, 目前, 全世界海藻相關產(chǎn)品總產(chǎn)值約為50億～70億美元[4]。2016年全世界海藻產(chǎn)量約3千萬噸, 其中96.5%為人工養(yǎng)殖而來[5]。我國海藻養(yǎng)殖源于建國后我國國防及經(jīng)濟建設的迫切需要而開展的, 最早是以收集天然馬尾藻為原料進行制碘, 其后進行褐藻制膠及綜合利用, 因海藻自然資源的受限, 才開始開展嘗試海帶、紫菜等藻類的人工繁育及養(yǎng)殖。目前在全世界, 我國已形成了以海帶、紫菜、龍須菜、裙帶菜等大型海藻養(yǎng)殖及加工為主的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè), 這為國家、社會及經(jīng)濟的發(fā)展做出了重要貢獻。

本文對我國海藻繁育、養(yǎng)殖及綜合開發(fā)的歷程進行簡要回顧, 針對中國科學院海洋研究所在海藻該領域的應用研究進行總結, 對未來海藻研發(fā)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行展望; 為適應當前轉(zhuǎn)方式、調(diào)結構的需求, 更好地實現(xiàn)海藻產(chǎn)業(yè)從量向質(zhì)的方向轉(zhuǎn)變, 兼顧海藻增養(yǎng)殖對我國海洋生態(tài)環(huán)境及綠色發(fā)展的效益, 為我國海藻研發(fā)及應用提供啟發(fā)和參考。

1 海藻養(yǎng)殖的價值及意義

海藻養(yǎng)殖可為社會提供食品[6]、工業(yè)用產(chǎn)品[7]、醫(yī)用材料及藥源等。也可作為飼料、肥料和水產(chǎn)養(yǎng)殖的活鮮餌料。海藻養(yǎng)殖也可為海洋生態(tài)環(huán)境的改善發(fā)揮重要作用[8]。與陸生植物相比, 海藻具有較高的碳同化能力[9], 以每100 g干海帶含碳31.2 g, 含氮1.36 g來計算, 2016年我國生產(chǎn)的海帶可以固碳約38萬噸, 吸收氮約1.6萬噸, 這對于我國碳匯經(jīng)濟的發(fā)展將發(fā)揮重要和積極作用。

2 海藻育苗及養(yǎng)殖的回顧

自20世紀50年代起, 我國嘗試開展海帶、紫菜等藻類的人工繁育, 從最初利用野生海帶進行人工增殖, 到建立了海帶等海藻人工育苗技術體系, 為海藻規(guī)?；B(yǎng)殖提供了充足的種苗。中國科學院海洋研究所及相關兄弟單位, 在以曾呈奎先生等為代表的老一輩海藻學家?guī)ьI下, 從海藻試驗生態(tài)、生活史、繁殖的研究, 到繁育、養(yǎng)殖技術應用和中試, 通過不斷實踐和探索, 建立了許多重要關鍵技術, 如海帶自然光低溫育苗度夏技術, 海帶淺海筏式養(yǎng)殖技術, 海帶陶罐施肥技術, 紫菜果孢子絲狀體貝殼室內(nèi)培養(yǎng)技術, 海帶、裙帶菜克隆繁育技術, 紫菜自由絲狀體擴繁及附苗技術等, 這不僅引領了我國海水養(yǎng)殖第一次浪潮, 也為其他水產(chǎn)經(jīng)濟種類的繁育和養(yǎng)殖提供了借鑒, 同時, 這也為我國海帶、紫菜產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居世界首位提供了技術支撐, 并贏得了全世界的認可和尊重。

目前, 福建夏苗培育不僅滿足南方海帶養(yǎng)殖苗種的需求, 也為我國北方地區(qū)海帶養(yǎng)殖提供補充種苗來源。海帶筏式養(yǎng)殖技術及自然光全人工夏苗低溫培育技術是實現(xiàn)我國海帶養(yǎng)殖產(chǎn)量巨增的前提;紫菜生活史的闡明及殼孢子的發(fā)現(xiàn), 也為紫菜養(yǎng)殖提供了重要的種苗來源。海帶養(yǎng)殖病害研究, 也為海帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術支撐[10-11]。通過室內(nèi)培養(yǎng),可獲得單孢子及酶解葉狀體細胞苗用于紫菜苗種供應[12]。我國南方(廣東、福建、浙江)主要養(yǎng)殖壇紫菜(Pyropia haitanensis), 北方養(yǎng)殖(江蘇、山東)主要是條斑紫菜(Pyropia yezonesis)。近年來, 隨著全球氣候變暖, 我國紫菜產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)了“南菜北養(yǎng)”的趨勢, 而且養(yǎng)殖規(guī)模在不斷增加?，F(xiàn)在紫菜育苗, 以培育貝殼絲狀體育苗為主, 以培養(yǎng)自由絲狀體育苗為輔[13-15]。隨著細胞工程技術的不斷應用, 許多人利用海帶、裙帶菜的絲狀體(配子體), 進行分離和保存[16], 其后也開發(fā)出以配子體克隆繁育技術為主的育苗工藝[17-19], 這可以避免海帶、裙帶菜因孢子體采苗帶來的種質(zhì)混雜。Zhang等[20]報道 36千克(濕重)海帶配子體, 可制出4億株海帶苗, 滿足1 300公頃的海帶養(yǎng)殖。我國從“九五”起, 就開始了紫菜自由絲狀體的培養(yǎng)和采苗技術的攻關, 但至今依然沒能在生產(chǎn)中得到推廣和應用[15]。

3 海藻遺傳及育種現(xiàn)狀

我國目前是世界上人工養(yǎng)殖海藻產(chǎn)量最多的國家[5], 也是最早開展海帶、裙帶菜品種選育的國家,迄今為止, 海帶、裙帶菜、紫菜及龍須菜均培育出了許多新品種[6], 但這依然滿足不了當前各地區(qū)、各海域養(yǎng)殖特別是專一加工的需要。中國科學院海洋研究所最早提出海帶新品種對海帶養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關重要, 并參與了我國第一個海帶新品種“海青一號”的培育工作[21]。此后培育的“860”和“1170”兩個高碘、高膠海帶新品系推動了我國海帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[22], 近期通過不同地理品系的雜交培育的海帶“205”也為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了貢獻[23]。中科院海洋所培育出的裙帶菜新品種“海寶一號”[24]及龍須菜“981”, 分別為新世紀以來我國裙帶菜及龍須菜育種領域完成的首個海藻新品種, 其中龍須菜“981”為我國龍須菜的養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)做出了重要貢獻[25]。在海藻遺傳學分析方面, 對海帶進行了高密度 SNP標記遺傳連鎖圖譜的構建, 并實現(xiàn)海帶葉片長度、寬度的QTL定位[26], 從分子水平開展了海帶母系遺傳的研究[27]; 完成海帶葉綠體基因組[28]及核基因組測序。通過建立裙帶菜群體, 實現(xiàn)了性別關聯(lián)的遺傳連鎖定位[29]。另外, 對褐藻膠代謝[30-31]及甘露醇代謝[32]相關的基因進行解析, 為褐藻質(zhì)量性狀的遺傳解析打下基礎。此外還開展了孤雌裙帶菜育苗的室內(nèi)研究[33], 中國科學院海洋研究所海藻遺傳及育種研究在全世界彰顯了其優(yōu)勢和特色。

4 海藻養(yǎng)殖對改善生態(tài)環(huán)境的作用

由于海水魚及其他海洋動物的超負荷養(yǎng)殖, 帶來富營養(yǎng)化及水體污染等許多問題, 海藻與水產(chǎn)動物混養(yǎng)模式的建立, 將為避免或消除水體的富營養(yǎng)化做出貢獻[34]。早在 20世紀 80年代, 曾呈奎就提出了水產(chǎn)農(nóng)牧化的建議和設想[35], 近年來, 中國科學院海洋研究所又積極倡導通過海洋牧場的建設, 實現(xiàn)海水養(yǎng)殖的工程化、集約化、生態(tài)化[36]。這對我國許多海域和島嶼實施的海洋牧場的建設發(fā)揮了重要引領作用。拿山東榮城市桑溝灣為例, 海灣面積約為 130平方公里,筏架設施最遠布置在離岸 15公里處, 每年可以生產(chǎn)100噸魚類、13萬噸貝類、2 000噸鮑魚、80萬噸海帶,平均產(chǎn)出為每年每平方水域7000噸水產(chǎn)品[8]。另外是離岸式養(yǎng)殖技術, 主要因為近岸海域可利用面積有限,需要開發(fā)出新型深海大流養(yǎng)殖筏架工藝和技術, 需要工程裝備的技術集成, 滿足離岸養(yǎng)殖的需要。目前, 該技術已在山東榮成、長島海域進行了推廣和應用。

5 海藻活性物質(zhì)與高值化利用

中國科學院海洋研究所也是我國最早從事海藻化工技術研發(fā)的單位, 率先開展海藻化學研究、化工制備研發(fā)。1953年利用馬尾藻試制褐藻膠獲得成功, 經(jīng)北京醫(yī)學院試制彈性印模(牙模), 證明可以使用[37], 1954年建立了我國第一個褐藻膠車間, 奠定了我國海藻化工行業(yè)的基礎。隨著我國人工養(yǎng)殖海帶成功, 開展了海帶綜合利用研究, 研究了海帶主要化學成分隨季節(jié)、地區(qū)等的變化規(guī)律, 初步確定了一套較完整的海帶綜合利用方案, 可以同時提取褐藻膠、甘露醇、碘、氯化鉀等成分[38]。20世紀60年代初期對工藝進行進一步優(yōu)化, 確定了海帶綜合利用工藝路線, 在我國率先開發(fā)出海帶的“三大寶”：碘、褐藻膠、甘露醇, 結束了我國碘缺乏的歷史[39]。20世紀50年代開始紀明侯等也對瓊膠開始開展研究,1957年改進了一種瓊膠凝膠強度測定器, 研究了瓊膠的提取與處理條件, 確定了瓊膠制備工藝[40]。20世紀 70年代史升耀等率先開展瓊膠素和珠狀瓊膠素凝膠的研制, 提出了堿-DEAE纖維素法制備瓊膠素[41]。20世紀 70年代起開始開展卡拉膠研究, 研究了我國不同紅藻中卡拉膠的提取和處理條件, 確定了卡拉膠制備工藝。上述研究為我國海藻高值化利用產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展奠定了基礎。在海藻化學領域, 先后有“水產(chǎn)品綜合利用——海帶及鹵水提碘”獲得全國科學大會獎, “海藻的綜合利用”, “瓊膠素的研制”, “后期紫菜制取細菌培養(yǎng)基用瓊膠”,“鑄造膠的研制及應用研究”, “甲醛、堿預處理海帶低溫低堿消化提取褐藻膠工藝”, “卡拉膠、瓊膠的研制”, “海藻碘的應用研究——活性碘海藻晶”, “卡拉膠寡糖與甘露醇衍生物的制備與生物活性”等成果分別獲得省部級獎勵。

海藻也含有許多陸地植物所不具有的活性物質(zhì),這是海洋藥物的重要來源。中國科學院海洋研究所在20世紀70年代以海帶中的甘露醇為原料, 合成了煙酸甘露醇脂, 并開展了藥理臨床試驗研究證明煙酸甘露醇酯具有較好的降低血脂和擴張血管作用,作為國內(nèi)首創(chuàng)新藥在1985年獲批投產(chǎn)上市[42]。徐祖洪等在國內(nèi)首先開展褐藻天然硫酸多糖—褐藻多糖硫酸酯的研究, 建立了利用海帶綜合利用副產(chǎn)物制備褐藻多糖硫酸酯的工藝, 提升了海帶綜合利用價值[43], 發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯是海帶利水消腫主要活性成分, 對慢性腎衰具有顯著治療作用[44], 研制了治療慢性腎衰的海洋新藥褐藻多糖硫酸酯(原料藥)和海昆腎喜膠囊, 并在 2003年獲得新藥證書,臨床試驗結果表明該藥對慢性腎衰患者具有降低血清尿素氮、肌酐, 改善腎功能, 延緩腎衰進展的臨床療效, 總有效率 85.5%, 明顯優(yōu)于對照藥物,同時對如惡心、嘔吐、納差、腹脹、身重、困倦、尿少、浮腫等情況有良好的改善作用。膠囊藥劑是人們經(jīng)常服用的藥物之一, 藥劑的外殼就是空心膠囊。韓麗君等利用海藻多糖原料開發(fā)了海藻多糖空心膠囊, 與傳統(tǒng)的明膠膠囊相比, 具有低含水量、低水汽透過性、抗脆碎、高溫耐受性、化學惰性、快速崩解、室溫可溶等優(yōu)勢, 是一種優(yōu)質(zhì)的明膠膠囊替代產(chǎn)品, 于2005年獲得藥輔證書。近年來, 張全斌等聚焦腎病、神經(jīng)退行性疾病、血管疾病等海洋活性糖類化合物的發(fā)現(xiàn)與評價, 發(fā)現(xiàn)了多個具有顯著活性的海藻多糖/寡糖[45]。王斌貴和史大永等對海藻鹵代化合物進行了研究, 分離到數(shù)百個海藻鹵代化合物, 部分化合物具有顯著降糖、抗腫瘤等活性[46-47]。

6 結論與展望

海藻產(chǎn)業(yè)是海洋農(nóng)業(yè)的重要組成部分, 相比其它水產(chǎn)行業(yè), 其產(chǎn)業(yè)鏈最長, 建立的繁育、養(yǎng)殖及加工利用技術最完備。以海帶為例, 從20世紀50年代起, 我國年產(chǎn)僅幾十噸, 現(xiàn)在已達 100萬噸(成品),而且我國整個海藻養(yǎng)殖產(chǎn)量以每年8%的速度遞增。回顧歷史, 該領域依然面臨許多問題。1)養(yǎng)殖種類有限, 迫切需要增加養(yǎng)殖海藻新種類、新品種; 2)海藻苗種培育及海上養(yǎng)殖依然受到病害的侵擾, 需要繼續(xù)加強海藻病害的研究和應用; 3)海藻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的關鍵是苗種, 如何建立高效、集約化的種苗培育技術工藝, 滿足規(guī)模化海藻養(yǎng)殖的需要是重中之重; 4)采用新技術開發(fā)海藻功能食品、保健品、化妝品等新產(chǎn)品, 不僅可以促進海藻產(chǎn)業(yè)向更高水平的發(fā)展, 也為百姓健康提供更多、更好的海藻產(chǎn)品。

我們深信, 隨著科技不斷發(fā)展和進步, 中國海藻產(chǎn)業(yè)將從過去的粗放型發(fā)展階段進入綠色、高效發(fā)展階段, 這不僅可以緩解當前因全球氣候變暖、海洋酸化所帶來的許多海洋環(huán)境問題, 也為促進我國海洋經(jīng)濟向更高質(zhì)量方向發(fā)展做出貢獻。