硅藻的價值及應用

陳玉婷 李 楠

（溫州大學生命與環(huán)境科學學院，浙江溫州 325035）

硅藻是具有硅質細胞壁的單細胞光合真核生物，其分布十分廣泛，種類繁多，是海洋的初級生產(chǎn)者，對全球生物量初級生產(chǎn)力的貢獻高達25%[1]。硅藻因其獨特的細胞結構和生物特性，被廣泛應用于眾多領域。

1 硅藻的價值

1.1 營養(yǎng)價值

硅藻含有豐富的蛋白質、多糖、脂類、多種無機鹽，如鈣、鎂、鐵等以及多種維生素等營養(yǎng)成分。因其不含纖維素，能很容易被水產(chǎn)動物攝取和消化，而被稱為“天然餌料”。為了提升硅藻的營養(yǎng)價值，在大規(guī)模的人工培養(yǎng)硅藻過程中，培養(yǎng)基中的多種礦物質可提高藻體天然脂質的含量。另外，也可通過鹽度脅迫增加硅藻代謝產(chǎn)物含量或通過藻種改良技術來提高硅藻的營養(yǎng)價值成分。因此，硅藻作為一種良好的動物飼料來源和人類的營養(yǎng)食品，在食品和營養(yǎng)行業(yè)占有重要地位。

1.2 醫(yī)藥價值

硅藻中含有豐富的脂類物質，主要是異五烯酸和多不飽和脂肪酸，這些化合物在抗菌防御機制中起著關鍵作用。硅藻中含有的一些特殊蛋白質和復合多糖化合物對多種慢性疾病治療也具有一定療效。

海洋硅藻（Odontella aurita）含有的類胡蘿卜素、巖藻黃素和甾醇類等化學物質，具有潛在的抗氧化和抗癌特性。硅藻在弱光條件下比其他藻類生長得更好，這可能是因為存在巖藻黃素，即使在低光水平下也能達到光飽和[2]。巖藻黃素是一種主要的光合色素，是海洋硅藻的捕光色素，它可以吸收光能傳遞給葉綠素并且轉移過量的光能，使細胞免受傷害，在細胞中常以巖藻黃素-葉綠素a/c色素復合蛋白的形式存在[3]。中肋骨條藻的有機提取物[4]和羽狀硅藻（Haslea ostrearia）的水提取物[5-6]在體外均表現(xiàn)出抗腫瘤活性和抗HIV作用。同時，硅藻還具有多種防御機制，能夠對抗多種致病生物，預防各種慢性、急性細菌和病毒疾病，如艾滋病毒和阿爾茨海默氏癥[7-8]等。

1.3 環(huán)境評價與保護價值

硅藻是一種簡單的單細胞生物，特點是具有硅質細胞壁[9]。在細胞壁形成的過程中，硅藻可將硅以極低的濃度從自然環(huán)境中吸收，并以硅酸的形式通過硅酸轉運體，穿過細胞膜，積累在細胞壁[10]。在硅藻細胞壁內(nèi)，二氧化硅可作為一個有效的緩沖系統(tǒng)調(diào)節(jié)pH、促進硅藻的碳濃縮機制（CCM）[11]、提高碳沉降速度、增加淺海和大陸邊緣的碳沉積[12]。同時，硅藻較快的下沉速度能夠有效地將過量營養(yǎng)物質從地表水輸送到沉積物，以減少藍綠藻等有害物種對其的利用，既有助于通過細菌在沉積物水平上的作用，實現(xiàn)營養(yǎng)物質的循環(huán)利用[13]，又在廢水處理中具有重要意義。硅藻存在于各種自然環(huán)境中，如海水、河流、池塘和多種行業(yè)生產(chǎn)活動廢水等環(huán)境，可在如酸性、高鹽酸性、高鹽、重金屬污染和自然或人為過程造成的湖泊富營養(yǎng)化等不同條件下，依然能夠維持其自身的穩(wěn)定性。在此基礎上，通過分析硅藻樣品的表層沉積物水平，可利用區(qū)域特定硅藻和指標評價湖泊、海洋等水資源的現(xiàn)狀環(huán)境特征。

硅藻因其獨特的光合作用、細胞代謝特性，能夠處理農(nóng)業(yè)或其他行業(yè)生產(chǎn)活動所產(chǎn)生的廢水中的硝酸鹽、鐵、磷酸鹽、鉬、二氧化硅等污染物，并對如銅、鎘、鉻、鉛等重金屬具有很強的抵抗力[14-17]。因此，硅藻在重金屬污染水體的生物修復中具有潛在的應用價值，但生物吸附的特異性和速度還有待進一步研究。具有金屬耐蝕性的硅藻還是有效的候選材料，可作為廢水處理的替代工具。

2 硅藻的應用

2.1 水產(chǎn)餌料

硅藻是包括魚類、橈足類和貝類在內(nèi)的水生食物鏈中的主要生產(chǎn)者[18]。考慮到硅藻的大小以及營養(yǎng)成分，它們很容易被浮游動物吸收和消化[19]，因此在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有較大的經(jīng)濟價值，如喂養(yǎng)雙殼類軟體動物幼蟲和后期幼蟲以及蝦等水生生物。在海洋和淡水生境中，硅藻是不同食物鏈層面的主要浮游植物。硅藻在海洋生態(tài)系統(tǒng)中對其他藻類的優(yōu)勢可能與它們的硅質細胞壁有關，硅質細胞壁比纖維素細胞壁需要更少的能量，從而導致更高的分裂率。除了作為蛋白質、碳水化合物、脂質和維生素的倉庫，它們的營養(yǎng)成分似乎很適合浮游動物獲得比其他藻類物種更高的生長[20]。硅藻還可以為水產(chǎn)養(yǎng)殖食物鏈提供足夠水平的氨基酸[21]和維生素。硅藻還能促進Pb、Zn和Fe等金屬的生物放大，這使它們成為全球營養(yǎng)循環(huán)的關鍵貢獻者[22]。

2.2 藥物傳遞材料

生物納米材料在水和有機溶劑中具有良好的溶解性，可跨越生物屏障，解決了一般藥物分子溶解性和穩(wěn)定性差、不能通過生物膜等缺點。在此基礎上，硅藻納米結構作為藥物載體材料被廣泛應用于藥物傳遞。因此，目前科學研究較多的是用聚合物封裝藥物，使其高效地將有效成分傳遞至藥物活性位點并發(fā)揮作用。封裝的納米藥物在特定的靶向部位也有很好的作用，減少了藥物傳遞過程中的無效溶解。硅藻中的二氧化硅可以成功地作為藥物載體應用于口腔和植入藥物輸送[23]。因此，硅藻在開發(fā)生物可降解聚合物包裹納米粒子給藥方面具有重要意義。

2.3 二氧化硅開采

雖然已發(fā)現(xiàn)在合成胞內(nèi)或胞外化合物和生物量方面的若干生物技術應用，但硅藻是唯一可用于二氧化硅開采的微藻。硅藻的獨特之處在于硅殼。根據(jù)硅藻的種類和生長條件[24]，硅殼呈現(xiàn)出廣泛的形態(tài)，有助于納米結構的研究。Parkinson等[25]對這些結構的應用進行了總結：研磨產(chǎn)品（如牙膏）、除臭劑、脫色劑、各式各樣的過濾劑（例如用于水凈化）、色譜分離材料（例如用于蛋白質凈化的凝膠過濾）、催化劑載體和生物傳感器等；由導電聚合物和金屬制成的等直徑納米材料（管狀或圓柱形）的微加工，可用于電子加工和藥物傳遞的膠囊。硅藻土是一種地質沉積物，由多種硅質海洋和淡水單細胞生物（尤其是硅藻）的化石骨架組成，可用作殺蟲劑[26]。

2.4 生物燃料

在替代石油的燃料來源中，微藻特別是硅藻優(yōu)勢明顯，美國能源部的研究項目已經(jīng)確切證實硅藻具有極高的生長能力，在單位面積及單位時間上比陸生作物提供更多的能量。更重要的是，其生產(chǎn)不必占用糧食生產(chǎn)土地[27]。硅藻已經(jīng)成為生物柴油大規(guī)模生產(chǎn)的潛在替代品。因為海藻體內(nèi)存在大量的脂類和長鏈多聚（不）飽和脂肪酸，非常適合生產(chǎn)生物柴油[28-29]。歐洲和許多發(fā)展中國家已經(jīng)開始使用生物柴油作為柴油的替代品，目前它占生物燃料總量的82%。

2.5 合成納米顆粒

目前，已有大量報道關于利用硅藻來制備多種不同的金屬納米顆粒，如金、銀、鉑等納米粒子。以硅藻培養(yǎng)體Navicula atomus和Diadesmis gallica為原料，可以合成EPS金-二氧化硅生物納米復合材料。淡水硅藻可以用來合成特定尺寸和形狀的硅鍺納米顆粒。硅藻生物合成的金納米顆粒具有誘導細胞凋亡、抗微生物和抑制病原體在宿主體內(nèi)復制的作用，被廣泛應用于抗癌和抗菌藥物的研發(fā)。合成的金屬納米粒子與一些生物活性物質的協(xié)同作用，使得硅藻納米材料還具有治療慢性疾病的功能。硅藻復雜的結構和有趣的模式在納米技術中被突出地用于生產(chǎn)納米材料。這些生物二氧化硅納米粒子、納米纖維和納米聚合物因其獨特的光學、機械、化學和耐熱特性而得到廣泛的應用。此外，由Coscinodiscus、Thalassiosira和Cyclotella等物種合成的生物二氧化硅在納米尺度上進行修飾，以創(chuàng)建天然的活體納米設備[30]。它們具有醫(yī)學應用，如磁共振、超聲醫(yī)學成像的造影劑以及靶向釋放藥物、酶、抗體和核酸的治療平臺[31]。此外，硅藻可以用二氧化硅取代光敏二氧化鈦來作為太陽能電池的重要組成部分，二氧化硅天然地被硅藻用來建造它們的細胞壁。硅藻甚至可以將太陽能電池薄膜上覆蓋硅藻，將光捕獲到納米尺度的孔隙中，從而將太陽能效率提高許多倍。

2.6 抗菌作用

隱環(huán)藻（Cyclotella cryptica）、肋骨藻（Skeletonema costatum）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）均已被證明含有與二甲基硫化物結合而形成的丙烯酸。雖然這種化合物不具有抗生素活性，但它可以通過化學或酶的方式分解釋放出具有抗生素活性的化合物丙烯酸。在許多大型藻類和微藻屬中都發(fā)現(xiàn)了游離或結合于二甲基硫化物的丙烯酸。硅藻具有抗菌或抗真菌作用[32-33]。抗菌化合物通常存在于硅藻的脂肪酸復合物中[34]，中肋骨條藻對水產(chǎn)養(yǎng)殖病原體的抗菌活性已被證明：Vibrio（1種貝類或魚類病原體）的生長受到抑制[35]。而抗菌活性在很大程度上取決于提取活性化合物的技術，即有機提取、水提取、有機結合水提取。

2.7 提取生物活性物質

硅藻含有豐富的生物活性物質，如脂類、蛋白質、復合多糖、酯類、甾醇和?；悺ⅫS酮類等[36-37]。硅藻細胞膜由游離脂肪酸和硅材料組成，因此，硅藻是油脂、飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸（PUFA）的豐富來源之一。對于硅藻中不飽和脂肪酸的研究目前多集中于一種細胞內(nèi)合成被廣泛用于醫(yī)藥行業(yè)的二十碳五烯酸（EPA）。PUFA是細胞膜參與脂質儲存和信號轉導途徑的重要組成部分，然而PUFA生物資源的短缺一直制約著其廣泛應用，廉價的EPA生物資源已成為迫切需求。使用硅藻生產(chǎn)多不飽和脂肪酸比傳統(tǒng)從脂肪魚中提取多不飽和脂肪酸更有優(yōu)勢。首先，硅藻的多不飽和脂肪酸含量很高，在某些物種中，多不飽和脂肪酸的相對含量可達細胞干重的5%～6%。其次，硅藻是單細胞微藻，生長速度快，可以利用生物反應器等生物技術手段（如基因操縱和改良培養(yǎng)條件）連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)硅藻，調(diào)控其代謝以促進多不飽和脂肪酸的合成[38]。因此，從硅藻中提取和純化多不飽和脂肪酸比從脂肪魚中提取和純化多不飽和脂肪酸要簡單得多[39]。硅藻可以產(chǎn)生和積累一系列生物活性代謝物，如胞外聚合物[40-41]。海洋硅藻三角褐指藻中分離得到2種單乳糖二酰基甘油，其主要用于細胞凋亡的抗癌藥物合成。這些生物活性代謝物可作為抗癌、抗菌和抗氧化藥物的來源[42]。

3 結論

硅藻被賦予廣泛的實用價值，并被應用于不同領域。在人們面臨化石燃料枯竭、全球變暖、人口增長導致營養(yǎng)不足等棘手的全球問題時，硅藻可能是解決這些問題的關鍵生物。除了在海洋中，硅藻還被發(fā)現(xiàn)可以穩(wěn)定存在于其他的生態(tài)環(huán)境如湖泊、海岸和河流中。雖然硅藻的天然資源儲藏豐富，但仍需要通過多種培養(yǎng)技術進行大規(guī)模生產(chǎn)，才能滿足龐大的市場需求。