利用畜禽糞生產小球藻的工藝設計及發展前景

文│于長青 陳大勇 魏傳玉 仝寶生（內蒙古永業生物技術有限責任公司）

小球藻細胞中含有豐富的蛋白質、必需氨基酸、脂肪、糖類、微量元素和多種維生素，而且又有繁殖快、產量高的特點，大面積培養小球藻作為家畜或特種水產的飼料添加劑已逐漸被人們所重視。而利用畜禽糞的沼液養殖小球藻， 實現 “飼料→動物→糞便→沼液→小球藻飼料”的循環生產方式，解決沼氣生產對環境的二次污染問題，提高沼氣的經濟附加值，具有巨大作用和重要意義。

一、小球藻的研究現狀

1.小球藻簡介。1890年，荷蘭微生物學家Beijerinck首先在瓊脂平板上成功分離到了一種叫做小球藻的純培養物，并建立了小球藻屬（Chlorella Beijerinck）。此屬自建立以來，迄今已發現15種左右，加上變種有上百種之多。

小球藻屬（Chlorella Beijerinck）屬于綠藻門（Chlorophyta）綠球藻目（Chlorococcales）卵囊藻科（Oocystaceae）。在自然界分布極廣，在海洋、湖泊、池塘、溝渠、潮濕土壤等環境中都可以生長繁殖，以淡水種類居多。小球藻具有明顯的營腐生生活的傾向，所以在含有機質的污水中均能大量生長。小球藻能利用光能自養，也能在異養條件下利用有機碳源進行生長、繁殖。

2.小球藻的營養特點。小球藻細胞內含有豐富的葉綠素，屬于單細胞綠藻，光合作用非常強，是其他植物的幾十倍。其含有豐富的蛋白質、維生素、礦物質、食物纖維、核酸及葉綠素等，是維持和促進人體健康所不可缺少的營養素，特別是含有生物活性物質糖蛋白、多糖體以及高達13%的核酸等物質，具有增強人體免疫力、防止病毒增殖、抑制癌細胞增殖、抑制血糖上升，降低血清膽固醇含量，排除毒素，迅速修復機體損傷等功能。小球藻中富含小球藻生長因子（CGF），能迅速恢復機體造成的損傷，并可作為食品風味改良劑。小球藻對身體的保健作用比螺旋藻要強好幾倍，且小球藻抗病毒的能力極為強悍，吸毒排毒的能力也極強。

小球藻規模化生產

近幾年，隨著微藻生物技術的發展和微藻保健食品市場的擴大，國內形成了以螺旋藻為主的微藻食品，并在3000多種保健食品中占有一定的地位。而小球藻產品，除了極少數的幾個生產藻粉的廠家外，其余的產品幾乎沒有，或仍處于實驗室研究階段。

二、利用畜禽糞生產小球藻的工藝

1.小球藻的規模化生產方式。生理學上，微藻的營養方式可分為三類：自養、異養和兼養。其中絕大多數微藻是自養的。其自養培養方式是利用無機碳源和光能進行培養的一種方式，是當前包括小球藻在內的絕大多數微藻規模化生產的培養模式。小球藻的規模化生產通常采用以下幾種方式：

（1）密閉和半密閉光合反應器大規模培養。小球藻細胞的密度較高，分離采收成本較低，各種生長因子及工藝可以采用自動化、集約化管理，提高了生產效率和產品質量，避免受其他生物和非生物物質的污染，但由于玻璃管道光合反應器一次性投資大，且仍有許多技術問題尚未完全解決，目前尚無工業化應用的報道，但這是未來發展的趨勢。

小球藻光合工廠

（2）生物發酵罐培養。這種方法是在發酵罐里迅速大量培養小球藻細胞，再到室外接受強光照促進色素和其他生物活性物質的轉化。該方法也有很多技術問題還沒有解決，包括小球藻從發酵罐出來后對光照適應性差，葉綠素等色素含量低，藻粉顏色偏黃，生物活性物質轉化少，含量低等，并且投資巨大，生產成本高。這些因素限制了該技術的廣泛應用。

（3）跑道式露天開放池培養。這種方法培養面積大、生長因子難以控制、二氧化碳補加困難、產量低且收獲成本高、易被其他生物污染，產品質量不如其他生產方式。但它具有設施簡易，投資少，可以利用有機碳源進行異養，總生產成本低等特點，并且絕大部分生產設施可以與螺旋藻生產通用，因此，目前國內小球藻規模化生產多采用此種方式。

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現階段，絕大多數小球藻的培養都是采用無機培養基進行光自養培養。目前，對于溫度、二氧化碳濃度、光照強度、營養液、pH值、攪拌等因子的影響已經有了很好的了解，可以通過多種方式達到最佳的培養條件。已沒有多少可以提高的空間，但培養成本仍然偏高。目前的研究表明，小球藻大規模培養的方式與產品開發有關。Oswald總結了當前國際上主要的培養方式，包括：密閉無菌培養，使用試劑級化學藥品、凈化水、加EDTA和維生素等營養成分，主要是制取高級醫藥用品，精細化學藥品和高級油脂等產品；開放半無菌培養，使用分析純化學藥品、凈化水，主要生產藻粉、健康食品、色素和醫藥制品；開放藻菌混養，以蔬菜、肉類加工、發酵和工業蒸餾的潔凈的有機液體廢料為培養基，生產藻粉、健康食品、動物飼料和醫藥制品；以動物、家禽和魚類等殘余食物、屠宰場的廢物等為培養基，生產飼料、肥料等；以家庭污水和降解的植物廢物等為培養基，生產氧氣和肥料等。

2.利用畜禽糞生產小球藻的工藝設計。通過小球藻可以實現“飼料→動物→糞便→沼液→小球藻飼料”的循環生產方式。有效地解決治理養殖場的污染問題，同時拓寬通過畜禽糞生產沼氣的綜合利用的范圍，變廢為寶，把經過充分厭氧發酵，緩速兼備、營養全面、成分齊全的優質有機肥沼液用于生產小球藻，實現了農業廢棄物多層次利用和農業資源合理配置。

這種循環方式具有很多優點，包括整體效應優化，以畜禽糞和沼氣為紐帶，把養殖業與養藻業有機連接起來，優化耦合，形成污染物低排放或零排放的一種農業生產體系；資源永續利用，通過生產小球藻消化沼液中的氮、磷、鉀和其他有機養分，使水質達到回收利用標準；系統閉合循環，利用小球藻作為精飼料，把養殖排放的畜禽糞資源化利用，實現養殖業系統閉合無害化循環。

3.利用畜禽糞生產小球藻的技術要點。

（1）沼液處理。利用畜禽糞生產出的沼液依次經過沉淀池、濾液塔，通過調節酸堿度，濾去浮渣、雜質，同時添加輔助營養物質，使其盡可能滿足適宜小球藻生長的要求。

（2）接種。沼液處理后，按1∶3～1∶5比例加入淡水，即可進行接種培養。選取生活力強、生長旺盛、顏色正常的藻種，在晴天的上午8～10時，按1∶10或1∶20的比例進行接種。接種量大可使藻種在培養液中占優勢，利用生物間的頡頏作用對其他雜藻起到抑制作用，這樣既可減少污染機會，又可縮短藻的培養周期。

（4）調節酸堿度。由于藻類的光合作用和呼吸作用，以及對培養液中營養鹽的不平衡吸收，常常會使培養液的pH值改變，有時這種變化會在短時間內發生。當培養液的pH值超出藻類的最適宜范圍時，就會抑制藻類的生長。因此，在日常管理中要格外關注培養液pH值的變化。可以用醋酸溶液或碳酸氫鈉溶液來調節培養液的pH值。

（5）病蟲防治。每天定時觀察藻液的顏色是否正常，是否有沉淀和附壁現象，液面有無菌膜以及有無敵害生物污染跡象等，必要時配合顯微鏡檢查，了解掌握藻類的生長情況。結合當時環境條件的變化進行綜合分析，找出影響藻類生長的原因，并采取相應的對策。為了防止病蟲害及雜藻污染，最有效的方法是始終為藻體的生長創造適宜的生長環境，控制好藻液的濃度，適時進行擴繁或采收利用。

三、小球藻在養殖業上的應用

1.小球藻對動物體的作用機理。小球藻中含有β—D型葡聚糖和甘露寡糖，前者可以刺激淋巴細胞，后者對多種病原菌有顯著的吸附作用。使用小球藻既能增強動物體免疫系統功能，提高抗病毒感染能力，又能有效抑制病原菌的侵害，起到疫苗和抗生素的雙重作用。

2.小球藻在動物體內的作用。

（1）直接殺滅細菌。小球藻對金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏桿菌、痢疾志賀氏菌有直接殺滅作用。

（2）增強動物免疫。小球藻能對動物體內免疫系統產生如下變化：淋巴細胞數量增加10倍；活性吞噬細胞數量增加2～3倍。自然殺傷細胞殺菌能力提高4倍；細胞和體液免疫水平同步提高。

（3）解毒保肝、促進生長發育。根據臺北醫學院王凌芳等人最近報道，在仔豬飼料中加入2%小球藻干粉作添加劑，結果試驗組仔豬的肝總脂、甘油三酸酯、膽甾醇含量均比對照組低，并對乙基硫氨酸引起的中毒反應較對照組輕，且恢復也快。故他們認為小球藻中含有某種保肝解毒成分。

（4）維持腸道內細菌群的均衡。為預防或治療疾病，在動物飼料中添加多種抗生素及磺胺劑，往往會導致全體菌群的死亡。小球藻含有抗藥性特強的物質，長期使用，不但可以增強食欲，提高對飼料的消化、吸收率，而且還能消除發育障礙。

3.小球藻在養殖業上的應用。小球藻具有耐熱、耐酸、耐抗生素等特點，非常適合做成飼料添加劑。同時，因為其蛋白含量很高，破壁后也可當作蛋白飼料添加。

小球藻可以以懸液、膏或干粉等形式加入飼料中。懸液的優點在于，家畜除利用小球藻的生物性物質外，還可利用存在于溶液中的細胞生命活動的全部產物（維生素、酶和抗菌素）以及小球藻培養過程中加入培養基中的礦物質和微量元素。把小球藻以一定比例添加到日糧中發現，其對家畜的消化有良好的影響。

關于小球藻懸液對牛生產性能的影響，經過一系列試驗得出：使用小球藻懸液的犢牛，平均日增重579克，比未喂懸液的犢牛，日增重多73克（14.4%）。另外，可以用小球藻懸液治療犢牛的維生素缺乏癥。小球藻懸液還可作為病原微生物引起的新陳代謝紊亂、消化不良的防治劑。另外，試驗證明，使用小球藻的小公羊生長強度和增重比較大。因此，如沒有附加其他飼料，只是給日糧中添加小球藻懸液，也能獲得足夠的增重。

在豬的104天育肥期間，小球藻懸液可作為蛋白質-維生素-礦物質補加劑，加入3.5月齡仔豬的飼料中。試驗組平均日增重比對照組高63克或9.7%，兩組增重分別為711克和648克。自日糧中得到補加劑的試驗仔豬，每增重1千克，消耗3.98個飼料單位，而一般的豬則需消耗4.22個飼料單位，前者節約飼料5.6%以上。

四、展望

小球藻細胞中含有豐富的蛋白質、必需氨基酸、脂肪、糖類、微量元素和多種維生素，干重可達50%以上，而且又有繁殖快、產量高的特點，大面積培養小球藻作為家畜或特種水產的飼料添加劑，已逐漸被人們所重視。而利用畜禽糞的沼液生產小球藻，實現“飼料→動物→糞便→沼液→小球藻飼料”的循環生產方式，解決沼氣生產對環境的二次污染問題，提高沼氣的經濟附加值，具有巨大作用和重要意義。隨著畜禽糞生產小球藻生產技術的逐漸成熟，小球藻作為一種天然綠色環保的新型添加劑，它的前途是非常廣闊的。如果能夠大力地推廣使用，會給養殖戶帶來可觀的經濟效益，有力地促進養殖業的可循環產業發展。