小球藻水環(huán)境毒理學研究進展及應用前景

錢信宇 劉簡 楊曉曦 王鈺欽 鄭堯 吳偉

摘要：小球藻作為水體中的初級生產(chǎn)者，是水生生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的一部分，對促進物質(zhì)循環(huán)、能量流動有著重要意義，同時也是水環(huán)境毒理學評價的標準試驗藻種。為了給小球藻的水生態(tài)風險評估及相應產(chǎn)品的開發(fā)提供參考數(shù)據(jù)，本文系統(tǒng)分析了小球藻培養(yǎng)影響因素，概括了其產(chǎn)生的毒理效應，并對其營養(yǎng)價值與應用前景等進行了綜述。本文認為溫度、光照、pH、營養(yǎng)鹽、氮磷比是小球藻規(guī)?；囵B(yǎng)過程中的影響因素，重金屬、農(nóng)藥、新型納米材料、抗生素等污染物可對小球藻產(chǎn)生毒性效應，小球藻在污水處理、生物能源等領域具有較好的應用前景。

關鍵詞：小球藻；水生態(tài)風險評估；營養(yǎng)價值；生物柴油；污水處理

中圖分類號：S949，X52文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0026

Aquatic Environmental Toxicology of Chlorella pyrenoidosa Chick.： Research Progress and Application Prospect

QIAN Xinyu1， LIU Jian1， YANG Xiaoxi1， WANG Yuqin1， ZHENG Yao1，2， WU Wei1，2（1Wuxi Fishery College， Nanjing Agricultural University， Wuxi 214081， Jiangsu， China； 2Freshwater Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Wuxi 214081， Jiangsu， China）

Abstract： Chlorella， a primary producer in the water body， is an indispensable part of the aquatic ecosystem. It is of great significance for chlorella to promote material circulation and energy flow. Chlorella is also a standard test algae species for toxicological evaluation of aquatic environment. In order to provide a basis for assessing the aquatic ecological risk of chlorella and developing its relative industrial chain， this paper analyzed the influencing factors during the process of chlorella culture， summarized the toxicological effects of pollutants on chlorella， and discussed its nutritional value and application prospect. Results show that the temperature， light， pH， nutrients， nitrogen/phosphorus ratio are the influencing factors in the process of large-scale cultivation of chlorella. The heavy metals， pesticides， new type of nano materials， antibiotics and etc. could cause significant toxic effects on chlorella. Chlorella has a good application prospect in the process of sewage treatment， bioenergy utilization and other fields.

Keywords： chlorella； water ecological risk assessment； nutritional value； biodiesel； wastewater treatment

0引言

小球藻（Chlorella pyrenoidosa Chick.）是綠藻門、綠藻綱、綠球藻目、卵孢藻科、小球藻屬的一種普生性單細胞綠藻，也是一種廣泛分布于自然界的高蛋白、高多糖、低脂肪、富含多種維生素及礦物質(zhì)的藻類，以淡水水域種類最多，存在少量海水種。目前，世界上已知的小球藻有10種左右，加上其變種可達數(shù)百種之多。小球藻直徑約3～8μm，呈球型或橢圓形，體積微小，無鞭毛，因繁殖快、藻液分布均勻不易沉降以及與污染物接觸充分等原因備受關注。此外，小球藻還可以增強動物免疫能力，具有促進生長、抗氧化、抗腫瘤等生理功能。目前，小球藻已經(jīng)廣泛應用于動物飼料、食品添加劑、美容產(chǎn)品、食品開發(fā)、醫(yī)藥保健、生物能源等領域[1]。

近年來，對小球藻的研究逐漸深入且廣泛。作為水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，小球藻是水體微藻群落中的常見優(yōu)勢種，其在水體氮、磷轉化及生態(tài)平衡調(diào)節(jié)中占有重要的地位。作為一種單細胞蛋白，其不僅可作為水體中水生動物幼體和浮游動物的天然餌料，而且因富含營養(yǎng)，可作為功能食品開發(fā)。小球藻能起到穩(wěn)定和優(yōu)化水體微藻群落結構，快速吸收轉化有毒有害物質(zhì)，實現(xiàn)養(yǎng)殖水質(zhì)的凈化[2]。同樣，小球藻作為水環(huán)境毒理學常用的標準試驗淡水綠藻種和指示生物，用以評價水體生態(tài)的穩(wěn)定性和相關物質(zhì)的生態(tài)毒理效應[3]。

在此背景下，小球藻的應用領域在不斷地拓寬。但目前小球藻的規(guī)?；囵B(yǎng)技術存在一定的缺陷。現(xiàn)今小球藻大多采用的是粗放式的培養(yǎng)技術，極易受到光照、溫度等自然因素的影響以及雜菌、雜藻的污染，而且培養(yǎng)的小球藻可富集培養(yǎng)水體中可能存在的重金屬、抗生素等微污染物質(zhì)并產(chǎn)生毒理作用，抑制小球藻的生長與繁殖，影響小球藻的質(zhì)量安全，從而限制了小球藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，如何獲得穩(wěn)定高產(chǎn)的小球藻純種、獲得規(guī)?；兣囵B(yǎng)的安全的小球藻藻液是制約其應用與開發(fā)的關鍵因素。本研究分析了影響小球藻生長繁殖的主要因素，對小球藻規(guī)?；?、精細化培養(yǎng)技術進行了歸納總結，在此基礎上對其有效的開發(fā)利用進行了綜述，以便為微藻產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。

1小球藻的培養(yǎng)技術概況

小球藻的培養(yǎng)方式可以分為自養(yǎng)、異養(yǎng)和混合培養(yǎng)3種方式。小球藻是光合自養(yǎng)生物，但是小球藻也可改變其代謝途徑進行異養(yǎng)生長，同時小球藻的異養(yǎng)或兼養(yǎng)培養(yǎng)可以提高小球藻的細胞密度，有利于油脂的積累。異養(yǎng)培養(yǎng)（55%）的小球藻脂肪含量是自養(yǎng)培養(yǎng)（14%）的4倍。但適合異養(yǎng)培養(yǎng)的藻種受培養(yǎng)條件的影響很大，很難實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[4-5]。

1919年小球藻的純培養(yǎng)物在實驗室進行純培養(yǎng)，小球藻可以進行光合作用，從而為小球藻的自養(yǎng)研究拉開了序幕。自養(yǎng)是主要的營養(yǎng)方式，利用光合作用將二氧化碳轉化成碳水化合物儲存起來。自養(yǎng)培養(yǎng)具有操作簡單，培養(yǎng)成本低和適合絕大多數(shù)微藻等優(yōu)點，是目前實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化微藻培養(yǎng)的主要方式。在光合作用的過程中，小球藻的光合元件將吸收的光能轉化為生物可以利用的還原劑和高能磷酸鍵，并且將兩者用于二氧化碳的固定和其他需要能量的過程[6]。但是自養(yǎng)培養(yǎng)也存在一些缺點，例如藻的生長量偏低，藻的生長易受光照等條件限制等困難。

小球藻的異養(yǎng)培養(yǎng)是指用一種或多種有機物作為能源（如碳源），可在黑暗中生長。在無光條件下，小球藻以異養(yǎng)方式利用有機碳源，尤其是較低價值糖類物質(zhì)，這種培養(yǎng)方式避免了光自養(yǎng)培養(yǎng)過程中光抑制或光限制等問題，優(yōu)點是能進行高密度培養(yǎng)、生長周期短、降低能耗并節(jié)約成本、藻體生長量大和油脂含量高等，可達到工業(yè)化大規(guī)模高密度培養(yǎng)小球藻生產(chǎn)高附加值代謝產(chǎn)物的目的[7]。但也存在缺點：有機碳源的使用導致生產(chǎn)成本過高且過量使用會抑制藻的生長，培養(yǎng)過程中易被污染。

由于小球藻兼具自養(yǎng)和異養(yǎng)2種營養(yǎng)方式，混合培養(yǎng)應運而生，混合培養(yǎng)是指同時吸收CO2和有機碳，同時進行光合代謝和呼吸代謝營養(yǎng)方式。即有光的吸收和轉化、有機物的同化、二氧化碳的運用等?；旌吓囵B(yǎng)的小球藻生物量更大、生長速度更快，但也具備異養(yǎng)培養(yǎng)的缺點[8-10]。

小球藻的高密度大規(guī)模培養(yǎng)是實現(xiàn)小球藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必經(jīng)之路，但必須采用一定的培養(yǎng)系統(tǒng)以保證小球藻油脂的生產(chǎn)和產(chǎn)油的穩(wěn)定性。最常見的培養(yǎng)系統(tǒng)有密閉式和開放式2種，且不同的培養(yǎng)系統(tǒng)有各自特點，開放式培養(yǎng)主要是在戶外，用一些池塘或者盆進行培養(yǎng)，主要利用自然的條件，生產(chǎn)規(guī)?；?，成本低，但是因為很多因素都是自然條件，并不能人工控制，所以不確定變化很大。密閉式培養(yǎng)主要是利用光生物反應器進行小球藻的培養(yǎng)，用封閉的玻璃管，玻璃筒，玻璃水槽來進行培養(yǎng)[11]。因此，需要根據(jù)其生長特性、氣候狀況等多種因素，綜合考慮從而選擇合適產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的培養(yǎng)方式。

2小球藻培養(yǎng)過程中的影響因素

2.1溫度

溫度是影響小球藻代謝活動的重要因素之一，除了影響小球藻的生長外，還能影響小球藻的代謝產(chǎn)物。小球藻最適培養(yǎng)溫度為20～30℃，低于15℃或高于35℃，都不利于小球藻的生長。

2.2光照

光照對于小球藻有著重要作用，小球藻的光合作用及其他代謝活動都需要光照才能正常進行。自然光照和人工光照都可以促進小球藻的生長，若有條件，自然光照更優(yōu)[12]。光質(zhì)對小球藻的光合作用也有很大的影響。小球藻細胞中的葉綠素等光合色素對不同光質(zhì)的吸收利用有很大差異。實驗發(fā)現(xiàn)，懸浮液中培養(yǎng)的小球藻在紅黃光的照射下培養(yǎng)一段時間后，小球藻的生物量和產(chǎn)氧量與用白光培養(yǎng)的對照組并沒有顯著差異。實驗結果表明，紅黃光很可能是小球藻光合作用吸收利用的主要光質(zhì)[13]。

2.3 pH

pH是影響小球藻培養(yǎng)的重要因素。藻類生長在不同pH條件的環(huán)境中，環(huán)境酸堿度和碳酸鹽平衡系統(tǒng)及不同形態(tài)無機碳分配關系不同，從而影響了小球藻生長。不同的pH影響了小球藻的光合作用，進而影響了小球藻對于無機物的積累，同時pH對小球藻的葉綠素熒光、葉綠素含量、細胞密度和生長競爭能力也有著顯著影響[14]。不同的pH對小球藻的生長均有一定程度的促進與抑制作用，小球藻適應值為pH 6～10，最適值為pH 7～8[15]。只有控制好pH，才能成功培養(yǎng)小球藻。

2.4營養(yǎng)鹽

營養(yǎng)鹽是培養(yǎng)小球藻生長的必需物質(zhì)，如果短時間缺少營養(yǎng)鹽，雖不會造成小球藻的快速死亡，但是會導致小球藻的生長分裂停止。在單胞藻的培養(yǎng)中添加NaHCO3，不僅能有效地增加培養(yǎng)液中CO2的供給，而且還能緩解pH的升高，從而促進藻類細胞快速繁殖，尋找合適的碳源，成為小球藻培育達到高產(chǎn)高效的最終目的[15]。但值得注意的是，在藻類生長的同時CO2不斷被吸收消耗，NaHCO3解離出的CO32-不斷增加會和Ca2+結合形成沉淀，沉淀會附著在瓶壁影響光照和小球藻的繁殖。

2.5氮磷比

合適的氮濃度可以明顯縮短小球藻的生長適應期，使藻細胞快速過渡到對數(shù)生長期，以獲得較高的藻細胞數(shù)量和干重。氮磷比不僅決定藻類生長繁殖，而且是微藻種間競爭的關鍵因子。合適的氮濃度可以明顯縮短小球藻的生長適應期，使藻細胞快速過渡到對數(shù)生長期，以獲得較高的藻細胞數(shù)量和干重。此外，氮濃度和磷濃度還會對藻細胞內(nèi)的脂質(zhì)含量、組成具有顯著影響。

有學者以NaNO3和KH2PO3作為氮源和磷源，研究了氮磷比對蛋白核小球藻和湛江等鞭金藻種間競爭的影響。結果表明：在單養(yǎng)模式下，蛋白核小球藻生長適宜為N/P 4～22，N/P>22時其生長受抑制，而湛江等鞭金藻生長受N/P影響不明顯；共養(yǎng)模式可促進蛋白核小球藻的生長，而抑制湛江等鞭金藻的生長；在N/P為13和16時蛋白核小球藻種群競爭優(yōu)勢最為明顯[16]。

此外，氮磷濃度還會對小球藻產(chǎn)脂率產(chǎn)生一定影響。研究表明正常生長的普通小球藻在經(jīng)過一段時間的缺氮培養(yǎng)后，油脂含量也有所提高。氮缺乏可導致微藻蛋白質(zhì)含量降低，而碳水化合物或油脂含量升高。氮脅迫雖然可以大幅度提高微藻胞內(nèi)油脂的含量，但同時微藻的生長也受到了限制，生物量較低，油脂產(chǎn)率因而并沒有得到大幅度的提高。在能源短缺和全球變暖兩大危機的背景下，微藻生物柴油作為一種優(yōu)良的可再生能源具有重大戰(zhàn)略意義，微藻能源產(chǎn)業(yè)化也已成為世界各國研究與發(fā)展的重點。

3小球藻水環(huán)境毒理學研究進展

3.1重金屬

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，各類重金屬的使用日益增加，重金屬污染的來源主要包括工業(yè)污染、交通污染、生活垃圾污染、農(nóng)業(yè)污染等等。環(huán)境中常見的重金屬污染物有：汞（Hg）、鎘（Cd）、錳（Mn）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）等。重金屬對藻類的毒性作用主要表現(xiàn)為阻止細胞分裂，抑制藻類的生長速率，降低酶的活性以及影響光合作用效率等。目前針對重金屬對藻類毒性效應的研究大多集中于重金屬對藻類生長繁殖的影響上。

重金屬對小球藻的毒性影響是時間和金屬濃度共同作用的。低濃度的Cr3+使藻細胞的葉綠素含量增加，在一定程度上刺激了葉綠素的合成，高濃度的Cr3+可能破壞了小球藻的葉綠體，導致光合色素濃度的降低，限制了色素的合成；隨著Cr3+濃度的逐漸增加，小球藻中可溶性糖和蛋白質(zhì)的含量基本呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢[17]。葉綠素a對重金屬脅迫的變化更為敏感，這表明葉綠素a含量的抑制率隨重金屬濃度的增加而增加。重金屬Mn2+和Pb2+可能在低濃度時促進藻類的生長，但在高濃度時顯示出明顯的抑制作用[18]。小球藻在重金屬脅迫下具有逐漸適應的過程，隨著脅迫時間的延長，小球藻受到的生長抑制作用減弱。

3.2農(nóng)藥

農(nóng)藥對小球藻的毒性作用機理十分復雜，經(jīng)過長時間不斷進行農(nóng)藥對小球藻的毒性試驗研究，人們越來越深入了解到農(nóng)藥對小球藻的毒性作用大致可以分為3類。

第一類是影響藻類的生物膜，研究發(fā)現(xiàn)，對硫磷、久效磷和辛硫磷等有機磷農(nóng)藥可以通過使藻類細胞產(chǎn)生大量的活性氧，從而導致藻類細胞膜發(fā)生脂氧化，嚴重時出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，破壞蛋白和小球藻的細胞膜。

第二類是影響藻類的光合作用，抑制藻類光合作用的農(nóng)藥大都是除草劑，除草劑都是通過抑制光合色素的含量來抑制光合作用從而抑制雜草的生長。苯嗪草酮、草凈津、特丁通這3種除草劑都會使蛋白核小球藻的葉綠素等光合色素含量顯著下降，從而影響藻類的光合作用[19]。

第三類是影響藻類的生化成分，在農(nóng)藥有害物質(zhì)脅迫下，細胞內(nèi)活性氧自由基急劇增加，細胞抗氧化能力下降，自由基作用于脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應，氧化最終產(chǎn)物為丙二醛（MDA），具有細胞毒性。溴氰菊酯的質(zhì)量濃度越高，小球藻MDA含量的增加趨勢越快。此外，王攀婷等發(fā)現(xiàn)汞和氯氰菊酯并存會降低對浮游植物的毒性。低濃度和高濃度組汞和氯氰菊酯水生毒理聯(lián)合效應相加指數(shù)均小于1，這可能是由于藻類細胞中的酶、葉綠素和蛋白質(zhì)水平的變化引起的，均表現(xiàn)拮抗作用[20]。

3.3新型納米材料

隨著新型納米材料在材料科學和納米科技中的廣泛應用，其生物安全性受到越來越多的重視。由于新型納米材料的小粒徑，使其具有更大的遷移性和跨膜能力，導致水生生物體暴露于新型納米材料的危險性日益增加。因此，研究新型納米材料對藻類的作用具有十分重要的意義。

首先，不同新型納米材料對于藻類的毒性作用不同。納米氧化物對藻類的生長狀況、葉綠素含量、蛋白質(zhì)含量、酶活性以及細胞結構等均能產(chǎn)生一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)納米TiO2對小球藻的毒性隨其濃度的增加而增強，并導致小球藻表面出現(xiàn)塌陷。金屬納米粒子同樣對小球藻有著極大的毒性作用，傅鳳等[21]發(fā)現(xiàn)2 mg/L納米Cu，包括納米Cu溶出的Cu2+及納米粒子本身，都能夠完全抑制橢圓小球藻的生長。

新型納米材料對藻類的致病機理主要分為2類。第一類是金屬離子毒性，納米CuO能夠誘導萊衣藻產(chǎn)生活性氧（ROS），改變細胞內(nèi)部結構，使藻細胞光合系統(tǒng)受損，葉綠素含量顯著降低。第二類是氧化損傷，這是目前較為公認的一種導致細胞受損死亡的致毒機制。當細胞內(nèi)部產(chǎn)生低濃度的ROS時，細胞內(nèi)部的抗氧化酶系統(tǒng)開始抵抗氧化脅迫，使細胞維持在正常水平；當細胞內(nèi)部ROS濃度不斷升高時，抗氧化酶系統(tǒng)開始逐漸無法抵御，導致細胞內(nèi)部發(fā)生線粒體損傷、脂質(zhì)過氧化反應等，從而使細胞功能喪失，直至引起細胞凋亡。

當重金屬污染物與新型納米材料在水環(huán)境中共存時，如TiO2可能對小球藻產(chǎn)生聯(lián)合毒性作用[22]。一般而言，新型納米材料的比表面積很高，可以吸附重金屬等其他污染物并具有運載其進入生物體內(nèi)的能力，導致其毒性增加。同時納米TiO2可以促進藻類細胞中超氧自由基的產(chǎn)生，抑制SOD、CAT和其他抗氧化酶的抗氧化能力，影響藻類的光合速率和呼吸速率[23]。

3.4抗生素

抗生素通常用來預防和治療重大疾病，但是約有70%的抗生素無法被機體代謝會被排入污水中。藻類作為初級生產(chǎn)者，是水體污染首當其沖的受害者。對于常用抗生素對小球藻生長的研究，主要有青霉素和頭孢他定等日常使用比較廣泛的抗生素。青霉素和頭孢噻肟是破壞細菌細胞壁合成的抗生素，對小球藻生長影響較小[24]。氯霉素、鏈霉素和慶大霉素是抑制細菌蛋白質(zhì)合成的抗生素，對小球藻毒性較大。山梨酸鉀并不影響小球藻的生長，乳酸鈉會抑制小球藻細胞生長，且添加濃度越高抑制作用越明顯?？梢钥闯?，目前對于抗生素對小球藻毒理作用的研究進展，還停留在研究單種抗生素對小球藻生長的影響上，用于評估抗生素聯(lián)合毒性作用的研究還比較少。

由于環(huán)境中的污染物不是單一存在的，抗生素往往會和重金屬污染物產(chǎn)生聯(lián)合毒性。四環(huán)素和銅對小球藻的聯(lián)合毒性作用是拮抗的，而諾氟沙星和銅的聯(lián)合毒性作用是協(xié)同的[25]。抗生素和重金屬混合物對小球藻的毒性隨著暴露時間的增加而增加，即具有時間依賴性的，但不同濃度的混合物對時間的依賴程度不同[26]。由于抗生素和重金屬對小球藻的綜合毒性相對而言比較復雜，目前的理論研究還存在一定的空白和不足。

生物炭因其較高的pH、較大的比表面積和豐富的含氧官能團，在重金屬污染治理方面成為研究重點[27]。而小藻球因其來源廣、培養(yǎng)成本低、吸附量大、去除率高，也是近年來水體污染修復的重要材料之一。將小藻球和小麥秸稈生物炭（WS500）聯(lián)合修復水體，發(fā)現(xiàn)當WS500炭添加量為50 mg/L時，最大吸附量為203.339 mg/g；小球藻添加量為500 mg/L時最大吸附量為67.851 mg/g。WS500與小球藻聯(lián)合吸附優(yōu)于兩者單獨作用時的吸附效果，且隨著初始溶液中Pb濃度的升高，WS500開始發(fā)揮其吸附性，WS500與小球藻的單獨吸附時對Pb的去除率之和約等于聯(lián)合吸附[28]。

4小藻球的營養(yǎng)價值

小球藻具有極高的營養(yǎng)價值，其細胞內(nèi)中富含多種高價值活性物質(zhì)，包括蛋白質(zhì)、多糖、脂類、葉綠素、類胡蘿卜素、多種維生素及礦物元素等，因此在食品、飼料和營養(yǎng)品等領域具有廣泛的應用價值。小球藻蛋白質(zhì)含量高達50%～70%，含量超過大豆、牛肉等高蛋白食物。此外，細胞內(nèi)還含有8種必需氨基酸、不飽和脂肪酸、碳水化合物，并富含多種維生素，以及鈣、鐵、鉀、鋅等礦物元素，長期服用可維持和補充人體健康所不可缺少的營養(yǎng)成分。小球藻特有的促生長因子（CGF），能促發(fā)機體活力，提高人體免疫力。小球藻細胞內(nèi)的葉綠素和葉黃素等色素，可以使機體提高抗氧化能力，減緩衰老。

4.1養(yǎng)殖動物飼料添加劑

小球藻富含動物生長所需的多種養(yǎng)分和生物活性物質(zhì)，包括CGF、多糖、生物素以及葉綠素與葉酸等，具有獨特的生物學功效，在動物飼料中的應用效果明顯。小球藻對蘇尼特羔羊育肥性能的影響發(fā)現(xiàn)，小球藻制劑對羔羊育肥具有明顯的正效應，公羔羊育肥效果明顯高于母羔羊[29]。在飼料中用小球藻粉和菜粕混合蛋白源代替魚粉完全不影響鯽魚的生長性能[30]。開發(fā)單細胞藻類蛋白源飼料對于降低養(yǎng)殖成本，拓展飼料來源具有重要意義。

4.2功能性食品

小球藻作為功能性食品或保健品廣泛應用于食品行業(yè)中。日本學者研究出的小球藻面條，小球藻餅干，蜂蜜綠藻精等已經(jīng)批量生產(chǎn)，中國學者也研制出了小球藻營養(yǎng)掛面、小球藻米粉等食品。小球藻粉還能對青稞面包的烘焙品質(zhì)和抗氧化能力產(chǎn)生不同的影響。小球藻粉的添加，對青稞面包含水量的影響不大，但卻能在一定程度上延緩面包水分的散失，使面包具有更好的保水性。添加小球藻粉使青稞面包的硬度、咀嚼性和膠著性明顯增加，彈性和回復性略有降低，而對面包內(nèi)聚性的影響不大。小球藻因高蛋白、富含類胡蘿卜素、維生素等特點，具有多種保健功能。在免疫調(diào)節(jié)方面，小球藻內(nèi)豐富的生長因子在小鼠實驗中被發(fā)現(xiàn)具有良好的免疫調(diào)節(jié)作用。在腸道毒素清除方面，小球藻內(nèi)豐富的植物纖維素和葉綠素對體內(nèi)化學毒物和重金屬具有較好的吸附作用。在降血壓、降血脂方面，小球藻內(nèi)豐富的多不飽和脂肪酸如亞油酸等具有調(diào)節(jié)血脂，降低血液黏度等功效。在抗衰老方面，小球藻富含超氧化物歧化酶（SOD）和β-胡蘿卜素具有很強的抗氧化能力，可以清除機體新陳代謝產(chǎn)生的各種自由基。

雖然小球藻作為食品原料及綠色天然的營養(yǎng)強化劑應用于食品中越來越成為一種新興的食品時尚與潮流，但部分小球藻食品加工技術存在很多不足。小球藻細胞壁堅硬，直接服用難以消化吸收，因而需要破壁后食用，目前物理和化學破壁技術仍在研發(fā)中。小球藻的特殊藻腥味和色澤影響了小球藻食品應用的推廣，去腥和提高小球藻的色澤、品質(zhì)等也成為了亟待解決的問題。此外，小球藻作為初級生產(chǎn)者，往往是環(huán)境污染的第一批受害者，食品安全性也有待提高。

5小球藻的應用前景

5.1養(yǎng)殖污水處理領域

小球藻作為一類常見的單細胞綠藻，可以有效的去除污水中過量的氮、磷、金屬離子，達到凈化水質(zhì)的目的。小球藻可通過同化作用將無機氮（NO3--N，NO2--N，HNO3，NH3-N，N2）轉化為有機氮，這些氮元素參與了微藻細胞中肽、蛋白質(zhì)、葉綠素、酶、ADP、ATP、RNA和DNA等物質(zhì)的合成。藻類能利用磷的主要形式為PO43--P，它的攝取需要能量。在微藻代謝過程中，磷主要以H2PO4-和HPO42-的形式通過磷酸化作用被納入微藻生物質(zhì)中，其中大部分涉及到ADP轉化為ATP的過程。此外，小藻球對水體重金屬污染修復也具有較好應用前景。藻類細胞壁是由纖維素、果膠質(zhì)、藻酸銨巖藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多層微纖維組成的多孔結構，具有較大的表面積。同時，細胞壁上的多糖、蛋白質(zhì)、磷脂等多聚復合體給藻類提供了大量可以與金屬離子結合的官能團，其中以多糖提供的羧基最為重要。

經(jīng)過十幾年的研究，小球藻污水處理技術已經(jīng)發(fā)得到了蓬勃發(fā)展，目前較為成熟的技術主要有3種。

第一種是藻菌共生技術，菌藻共生體通常由小球藻和細菌間的自絮凝作用形成。菌藻共生體系的作用機理是微藻通過光合作用向水體提供氧氣，提高水中溶解氧含量，使細菌去除污染物能力增強；同時，細菌的代謝產(chǎn)物或呼吸產(chǎn)物可為藻類的光合作用提供原料。因此，利用菌藻的協(xié)同作用可降解有機物污染物，達到凈化污水的目的。固定態(tài)藻–菌共生系統(tǒng)對NH3-N，PO43--P和TP的處理效果優(yōu)于單一固定態(tài)小球藻和單一固定態(tài)芽孢桿菌[31]。與其他物理、化學及工程方法相比，該技術成本低、能耗小、治理效果較好，對環(huán)境污染小，有利于資源化，是治理水質(zhì)污染的新途徑。

第二種是藻體固化技術。微藻固定化是以細菌固定化技術為基礎而發(fā)展的一種生物技術，利用物理或化學方法將游離的藻細胞固定于某個區(qū)域，進而可以保持細胞的活性，提高利用率。常用的固定方法有吸附法和包埋法。固定化小球藻能去除人工污水中99.99%的氨氮和95.71%的總磷，懸浮態(tài)小球藻則能去除人工污水中98.92%的氨氮和91.56%的總磷[32]。實驗結果證明，固定化藻類的去除率高于懸浮態(tài)藻類。

第三種是光生物反應器技術。光生物反應器是最有前景的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效調(diào)控藻類的光照、溫度、碳源等，從而有效的增加微藻的生物量，同時對微藻進行高效低成本的采收，最大程度地降低污染。在光生物反應器培養(yǎng)條件下，不同水力停留時下螺旋藻對氮、磷營養(yǎng)鹽的去除效果相似，NH3-N、TN、TP去除率分別為98.52%～99.03%、90.43%～95.22%、88.25% ～96.81%，同時螺旋藻的采收生物量為0.42 g/d[33]。但是，目前有關光生物反應器與污水凈化研究較少。

5.2生長與油脂積累研究領域

隨著化石能源的日益枯竭和人們對環(huán)境保護的不斷重視，生物柴油作為新型的清潔能源，受到廣泛關注。小球藻油脂含量較高，生長速度快，是一種理想的能源微藻[34]。高昂的生產(chǎn)成本是微藻產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的一大阻礙，而提高油脂產(chǎn)量是有效的解決途徑之一[35]。為解決微藻生長與油脂積累之間的矛盾，利用藻菌共培養(yǎng)技術在缺氮條件下將無菌小球藻與細菌以不同初始比例進行共培養(yǎng)，通過測定藻細胞生物量、油脂含量和脂肪酸比例等來研究藻菌共培養(yǎng)對小球藻生長和油脂積累的影響。采用半連續(xù)培養(yǎng)模式，不同更新率下小球藻獲得最大生長率時的最佳更新率為30%；從更新率與油脂含量、三酰甘油脂（TAG）濃度的擬合曲線得出獲得最大油脂積累量的最佳更新率為21%，可見調(diào)節(jié)更新率可獲得高微藻生物量及高油脂產(chǎn)量。

吲哚-3-乙酸（IAA）作為植物體內(nèi)普遍存在的內(nèi)源生長素，在微藻中的作用與在高等植物中的作用是相似的，在培養(yǎng)基中添加極低濃度的IAA對促進細胞分裂、提高藻類的生物量有著明顯作用。在微藻培養(yǎng)過程中，生物量與油脂產(chǎn)量二者呈顯著的負相關關系，在前期適應期引入IAA后藻細胞產(chǎn)生了更多的油脂[36]。IAA誘導對于小球藻中性脂及油脂積累起到了促進作用，產(chǎn)生這一現(xiàn)象可能是由于前期引入的IAA使藻細胞分裂速率及葉綠素合成效率提升，進而提高了小球藻光合作用，促使積累了更多淀粉等能量物質(zhì)，而后通過脂肪酸合成途徑形成TAG，貯存于脂肪體中，從而導致了后期小球藻的油脂總量升高。

沼液對小球藻的油脂積累也會產(chǎn)生一定效果。小球藻產(chǎn)油率為17.28%～32.89%，沼液會影響小球藻體內(nèi)新陳代謝，改變小球藻油脂含量及其組成成分。在一定范圍內(nèi)，沼液濃度越高，小球藻油脂產(chǎn)率越高，但沼液濃度過高后，小球藻生長受到抑制，導致油脂含量降低。在沼液濃度為30%時，小球藻產(chǎn)生的油脂符合生物柴油對碳鏈長度的要求。

研究表明，脅迫生長對小球藻的油脂積累具有一定誘導作用，而紫外線脅迫因操作簡單、誘導效果明顯、對環(huán)境影響較少，被認為是一種高效的處理方式之一[37]。孫小琴等[38]在研究紫外輻射對小球藻光合性能及油脂積累的影響時發(fā)現(xiàn)，在最佳輻射劑量40 mJ/cm2條件下，小球藻的生物量達到515 mg/L，光合性能維持在較高水平，油脂含量、油脂產(chǎn)量分別達到46%、237 mg/L。相對于對照組，40 mJ/cm2劑量的小球藻的油脂含量、油脂產(chǎn)量分別提高了39.40%和39.22%，accD和gapA的相對表達量分別提高了約2.5倍和5倍，Me、Pk相對表達量基本不變。40 mJ/cm2劑量的小球藻油中單不飽和脂肪酸含量較高，達到40.17%，比對照組提高了16.5%，有利于生物柴油的生產(chǎn)，實際應用價值較高。

5.3生物能源領域

基因工程技術在小球藻研究中的應用表現(xiàn)為以下幾個方面：小球藻基因在農(nóng)作物的應用；小球藻遺傳轉化系統(tǒng)的完善；通過基因工程技術提高小球藻的產(chǎn)油產(chǎn)烴能力；小球藻作為生物反應器生產(chǎn)外源性物質(zhì)。轉基因小球藻可用來生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)物如抗生素、重組疫苗、激素等，用于疾病的預防和防治。運用基因工程手段改造的小球藻，將會應用于更廣的領域[39]。

生物柴油是一種無毒、對環(huán)境無害、可生物降解的可再生能源，被認為是理想的可替代石化柴油的適用于柴動力機的生物質(zhì)能。小球藻是目前研究較深入、非常有吸引力的、用于生產(chǎn)生物柴油的微藻藻種，是優(yōu)質(zhì)的生物柴油原料，具有其他生物柴油原料不可比擬的優(yōu)勢。梅帥等[40]通過生物柴油脂肪酸甲酯的組成、黏度、碘值、十六烷值、冷濾點等指標比較了3種不同小球藻生物柴油品質(zhì)，進而快速篩選藻株，得到了適合生產(chǎn)生物柴油的藻株。小球藻與陸生植物相比，具有更高的光合作用效率，可以更有效地利用二氧化碳；與能源作物相比，具有更快的生長速率和更高的油脂產(chǎn)出效率，節(jié)約土地資源，生產(chǎn)生物柴油的成本更低。此外小球藻提取生物柴油后的附產(chǎn)品可作為飼料原料，但經(jīng)對其營養(yǎng)和安全性能分析發(fā)現(xiàn)，不同的方式提取小球藻生物柴油后所得副產(chǎn)品成分不同，因此若將其用作飼料原料需謹慎使用[41]。

小球藻作為水體環(huán)境的初級生產(chǎn)者，是水生生物的重要食物來源之一，其衍生產(chǎn)品也廣泛應用于食品保健行業(yè)。在此背景之下，為了保證食品安全，小球藻的安全健康生長就不可忽視。然而，目前有關重金屬、農(nóng)藥、納米材料、抗生素等對小球藻潛在毒性的研究十分有限，人們對此還知之甚少。在筆者看來，今后應加強研究環(huán)境污染物對小球藻的毒性效應和作用機理，從而評估其生態(tài)風險性，并篩選出具有高效、毒性低、殘留少、易降解的種類，對食品安全、保護生態(tài)環(huán)境等都有重要的積極作用。同時，由于陸生資源的開發(fā)利用日趨達到極限，而水生藻類資源豐富，加上人工培育產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大、技術逐漸成熟、藻類資源日趨可觀，相信未來隨著小球藻光生物反應器等各種培養(yǎng)技術的不斷提高，小球藻的產(chǎn)量將會急劇增加，小球藻在各個領域的運用也會越來越廣泛。

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