藍藻在生態環境食品醫藥新能源等領域的研究進展

劉　陽，牟金明（吉林農業大學農學院，吉林長春　130000）

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藍藻在生態環境食品醫藥新能源等領域的研究進展

劉陽，*牟金明
（吉林農業大學農學院，吉林長春130000）

摘要：藍藻又稱藍細菌，是一類進化歷史悠久的原核微生物。近幾年，藍藻因其結構和功能的特殊性而成為科學研究的熱點微生物。從生物固氮、生態環境、醫藥食品保健、新能源開發等方面對藍藻的研究進展進行綜述，為今后更深入的開發和利用藍藻提供了參考。

關鍵詞：藍藻；生態環境；食品醫藥；新能源開發

藍藻是一種單細胞自養型微生物，其細胞中含有葉綠素a、葉黃素和胡蘿卜素以及藻膽素（藻紅素、藻藍素），細胞壁化學組成主要為肽聚糖，沒有核膜和核仁，細胞中央含有核物質，通常呈網狀，除核糖體外，不具有葉綠體、線粒體、高爾基體、內質網、大液泡等細胞器。藍藻是地球上最古老的生物類群之一。1978—1980年間，一些學者發現了結構較為完整的絲狀微化石，這些微化石中含有的藍藻年齡為35億年。由此可以看出，地球在距今35億年前就已經出現了藍藻。根據古生物學資料可知，在35億～ 38億年前藍藻一直是生物圈里的主要物種。在距今約6億～ 7億年前動植物已適應地球環境之后，藍藻時代結束，但藍藻并未退出生物圈的大舞臺[1]。本文主要總結了藍藻在生態環境、食品醫藥及新能源等幾大方面的研究應用現狀。

1　藍藻與生態環境

1.1藍藻與水華

江河湖海等系統中的物質循環、能量流動都是處于相對穩定的動態平衡中。由于水體的富營養化，部分藍藻等水生生物大量繁殖，在水面形成一層有腥臭味的藍綠色浮沫，稱為“水華”。這時水體會出現高溶解氧、高耗氧量，致使部分水生生物無法正常生長、發育、繁殖甚至死亡，在營腐生生物的分解作用下，這些死亡生物體內的有毒有害物質會釋放到水中。當魚類、貝類處于有毒水華區域內，攝食這些有毒生物，生物毒素可通過食物鏈或食物網在其體內積累，當其富集量超過人體可接受水平時，如果不慎被人食用，就會引起中毒，嚴重時可導致死亡。目前，確定有10余種水華現象引發毒素的毒性比眼鏡蛇毒素高80倍。據統計，全球（每年）因食用被水華毒素污染的水產品中毒事件約300多起。在所有淡水藻類中，毒素最強、污染范圍最廣的為藍藻，但并不是所有藍藻都產毒，目前認為有毒的藍藻主要是水華束絲藻、銅綠微囊藻、水華魚腥藻等，這些種類藍藻在夏秋季形成的水華中大量存在。它們死亡后將細胞內的毒素釋放到周圍水中，對人類健康和生物系統的穩定性造成極大威脅[2]。隨著生物計算機技術的發展，利用藍藻來制造生物芯片，通過檢測水體中藍藻特有的代謝產物來推測藍藻的含量[3]，對預防和控制水華具有重要的指導意義。

1.2藍藻與土壤肥力

藍藻在新陳代謝類型上屬于光能無機自養型，正常狀況下幾乎不從環境中吸收有機物來提供自身生長發育所需的能量物質，所以不能降解生物體的遺體、排泄物等來提高土壤肥力；但是部分藍藻能夠利用空氣中的游離氮。科學家在20世紀80年代推算過，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大約有8×107t，而自然界每年通過生物固氮所提供的氮素則高達4×108t[4]。固氮藍藻死亡后，其遺體被環境中的其他生物分解，細胞內存在的有機氮變成化合態氮，為土壤和水體增加了適量養分。在藍藻規模上不足以引起水體和土壤污染的情況下，可以將藍藻廣泛用于農作物肥料的研制及應用中，這樣可以減少人類對化學合成肥料的過度依賴，減少環境壓力。研究表明，在水稻田中接種適宜生長的固氮藍藻后，水稻長勢良好，秧苗移植后返青快，分蘗能力強，稻谷產量提高7％～10％。

固氮藍藻不僅能夠提高土壤肥力，還能夠修復鹽堿地生態功能。固氮藍藻修復鹽堿土的機理主要是由于其具有很好的耐鹽性和調節滲透壓的能力。研究發現，陸生固氮藍藻生長的土壤中其他微生物數量均有增加[5]。固氮藍藻在鹽堿地改良上不僅具有投入低的優點，而且能改變土壤的結構，使土壤的理化性質得到本質上的改善[6]。對于利用固氮藍藻修復鹽堿地生態功能的研究，還有很多工作要做。不僅要擴大固氮藍藻的應用范圍，使其不僅能有效地改良鹽堿土，而且能改良干旱及半干旱地區的鹽堿化草原及沙漠等。

1.3藍藻與土壤、水體中重金屬離子的處理

受人類活動日益影響，不少有毒重金屬進入生物圈循環之中，造成了嚴重的環境污染和持久性危害。例如，汽車尾氣中的鉛經大氣循環等過程進入生物圈中造成目前地表鉛濃度顯著提高，致使現在人體內鉛的含量比原始人增加約100倍，嚴重損害了人體健康[7]。

目前，比較常用的重金屬污染物處理主要采用物理化學方法，如化學沉淀法、離子交換法、活性炭吸附法等等，但是這些物理化學方法大都效率低、投資成本高、能耗高、金屬回收率低，有的甚至造成二次污染[8]。較之于物理化學方法，生物處理法則避免了以上各種弊端，具有十分廣闊的應用前景。據研究顯示，藍藻對鉛、銅等重金屬離子具有較高的吸附能力，起吸附作用的主要是外壁多糖[9]。在吸附過程中，藍藻細胞壁上的官能團（如羧基、巰基、咪唑基、醛基、磷酸根等）與重金屬離子之間通過靜電作用力等結合形成有機物——金屬化合物具有較高的穩定性，可阻止有毒重金屬離子進入細胞。除了細胞壁上的殘基基團起作用外，許多藍藻還會向周圍環境排泄分泌物多糖、糖醛酸等胞外多糖，這些復雜的大分子陰離子絡合物形成的黏液也能絡合一些重金屬離子[10]。然而這也帶來了一些負面作用，據報道，在中國除新疆、西藏外，其余各地均有螺旋藻生產養殖基地，但是由于螺旋藻吸收水域中的重金屬離子，導致許多螺旋藻產品中重金屬超標。因此，如何合理有效地利用藍藻吸附能力將成為今后研究的熱點。

2　藍藻與食品醫藥

2.1藍藻與醫藥

據有關研究報道，藍藻含有多種抗病毒和抗菌活性成分。現已從藍藻中分離出包括抗真菌、抗酶抑制劑、殺蟲劑和免疫抑制劑等一系列天然活性物質[11]。藍藻中的藻膽蛋白具有光敏效應，可開發成為光敏劑用于腫瘤的激光治療；藍藻含有不飽和脂肪酸DHA和EPA，可用于預防和治療高血脂所致的動脈粥樣硬化、冠心病和舒張血管，還能增強大腦記憶力，有“腦黃金”的美譽；另外，藍藻中所含的胡蘿卜素、類胡蘿卜素都具有一定的預防和治療心腦血管疾病的作用[12]。1997年從藍藻中分離得到一種水溶性糖蛋白Cyanovirin，這種水溶性糖蛋白具有獨特的抗病毒活性，能與病毒表面衣殼蛋白上的甘露寡糖結合，阻止病毒與宿主細胞表面的受體結合，干擾病毒的正常侵入及傳播途徑[13]。由于藍藻特殊的生存環境和悠久的進化歷史，其細胞中存在功能獨特的活性成分。因此，隨著人們對藍藻的研究，有望從藍藻中分離出抗菌抗病毒藥物。

2.2藍藻與人類食品、動物飼料

藍藻中含有豐富的藻膽蛋白、多糖、藻毒素等，因此藍藻的培養與利用也成為食品和動物飼料領域的熱點，藍藻的用途主要有提取天然色素、藻膽蛋白、多糖、藻毒素等。天然色素物質（如葉綠素、胡蘿卜素、藻藍素等）可分別通過相應的萃取方式提取出來，目前螺旋藻中的藻藍素、類胡蘿卜素作為天然色素已用于食品中并進行商業生產。藍藻中含有藻膽蛋白，其含量可達細胞干質量的10％～20％[14]。經過生物處理后能得到很好的蛋白質資源且蛋白含量高，營養均衡，可替代豆餅等蛋白質產品，用作飼料行業的原料。

螺旋藻，因在顯微鏡下可見其形態為螺旋狀而得名。螺旋藻因其營養均衡全面，1987年被聯合國糧農組織推薦為21世紀人類最理想的保健食品。螺旋藻中含有的維生素B族，尤其是VB12含量特別豐富，在治療心血管系統疾病及再生障礙性貧血方面有著很重要的作用；螺旋藻多糖具有顯著的抗輻射、抗突變、增強機體免疫等功能，可作為保健食品的重要功能成分[15]；螺旋藻中豐富的β-胡蘿卜素可以增強身體的抵抗力、降低癌癥發病率，具有較高的商業價值；螺旋藻中γ-亞麻酸含量在天然食物中較豐富；螺旋藻中還含有鐵、鋅、銅、鈣等微量、半微量礦物質元素，其本身也易于被人體消化吸收，長期食用可以改善人體生理機能[16-18]。

3　藍藻與新能源

在化石能源日益匱乏的今天，生物質能源的重要性逐漸凸顯，成為排在煤、石油、天然氣之后的第四大重要能源。與此同時，藍藻暴發日益頻繁的環境問題也亟待解決。藍藻沼氣發酵、藍藻制氫等技術既可以滿足能源需求，也可以緩解環境壓力，成為現在研究的熱點。

3.1藍藻產沼氣

利用藍藻和豬糞共同發酵產生沼氣，沼氣可以直接作為燃料或用來發電，發酵后的殘渣直接輸入農田漚肥[19]。由于不含纖維素，藍藻很容易降解。研究發現，發酵時豬糞與藍藻干物質質量比例為3∶7，藍藻發酵液的濃度為2.9％時，沼氣產量最高[20]。藍藻與污泥混合厭氧發酵也可產沼氣。在發酵前對其進行一定的物理化學處理，促使其細胞壁破裂，可以加速藍藻的厭氧發酵過程，從而縮短發酵時間，提高沼氣產量。

3.2藍藻產氫氣

藍藻也可以用于生物制氫。可用于生物制氫的微生物包括光合細菌、藍藻和綠藻等，其中藍藻制氫是最理想的生物制氫方式之一，因為藍藻能夠直接光解水放氫，將太陽能轉化為氫能；而且藍藻生長營養需求低，只需光、空氣、水和簡單的無機鹽即可。藍藻制氫作為一種有前途的生物制氫方式，多年來一直受到人們的重視。藍藻的產氫機制是以太陽能為能源、以水為原料，通過光合作用及相關酶系將水分解為氫氣和氧氣。藍藻中參與放氫生理過程的酶主要有固氮酶、吸氫酶和可逆氫酶3種。不同的藍藻含有不同的產氫酶系，其中固氮酶除了催化固氮外還可以催化氫的產生，吸氫酶可以氧化固氮酶放出的氫，可逆氫酶既可以吸收氫也可以釋放氫[21]。一些藍藻含有異形細胞，異形細胞具有良好的保護機制，使固氮酶在氧氣環境中不致失活，此過程中，正常細胞進行放氧光合作用，把合成的有機物轉移到異形細胞，異形細胞為固氮酶提供電子和ATP，進而繼續固氮產氫。光發酵和暗發酵耦合制氫技術，比單獨使用一種方法制氫具有更多優勢。將2種發酵方法結合在一起，相互交替、相互利用、相互補充，可提高氫氣的產量。從目前來看，生物制氫技術仍存在不少尚待解決的問題，主要體現在高產氫藻株的篩選與構建、室外大規模高密度培養、光照下生物體持續穩定產氫速率等幾個方面[22]。

4　展望

藍藻在生物圈中作為一個古老而龐大的物種，無論如何人類都不會漠視它的作用。藍藻細胞中各種天然物質可以在食品、醫藥、化妝品、紡織、石油等多種領域得到廣泛應用，這些產業對生態環境壓力小、破壞力小，不會超出環境的承受能力。藍藻還可以為人類提供優質蛋白源，為解決全球饑餓問題和營養不良問題做出極大貢獻。藍藻作為生物肥源，其固氮作用也值得探索；藍藻在土壤肥力改良和重金屬污染處理中也起到很大作用。隨著分子生物學、生命科學、生物信息學的發展以及相關學科的交叉研究，研究人員將逐步揭開藍藻中所蘊含的寶貴信息，通過進一步的研究來應對人類與環境特別是現代農業和污染治理的迫切需求。

參考文獻：

[1]孟軍，趙建成.藍藻的起源和演化[J].生物學通報，2000，35（1）：19-20.

[2]劉萍，敖宗華，湯曉智，等.藍藻毒素研究進展[J].微生物學通報，2002，29（3）：85-89.

[3]危忠，尹海龍，徐祖信.湖泊藍藻水華數字化預警系統構建探討[J].四川環境，2009，28（1）：33-38.

[4]趙琳.生物固氮與生態農業[J].江西農業學報，2006，18（5）：166-168.

[5]康金花，關桂蘭，郭沛新，等.陸生固氮藍藻對土壤環境的影響[J].干旱區研究，1998，15（3）：31-33.

[6]張巍，馮玉杰.固氮藍藻在鹽堿化土地生態修復中應用的研究進展[J].土壤，2008，40（4）：510-516.

[7]蔡佳亮，黃藝，鄭維爽.生物吸附劑對廢水重金屬污染物的吸附過程和影響因子研究進展[J].農業環境科學學報，2008，27（4）：1 297-1 305.

[8]江用彬，季宏兵.藻類對重金屬污染水體的生物修復[J].地理科學進展，2007，26（1）：57-67.

[9]李建宏，曾昭琪，薛宇鳴，等.極大螺旋藻富積重金屬機理的研究[J].海洋與湖沼，1998（3）：275-279.

[10]陸開形，唐建軍，蔣德安.藻類富集重金屬的特點及其應用展望[J].應用生態學報，2006，17（1）：118-122.

[11]Reshef V，Mizrachi E，Maretzki T，et al.New acylated sulfogly-colipids and digalactolipids and related known glycolipids from cyano-bacteria with a potential to inhibit the revenue transcriphase of HIV-1[J].J Nal Prod，1997（60）：641-644.

[12]李巖，周文廣，張曉東，等.微藻資源的綜合開發與應用[J].山東科學，2010，32（4）：84-87.

[13]Boyd M R，Gustafson K R，Mcmahon J B，et al.Discovery of cyanovirin-N，a novel human immunodeficiency

virus-inactivating protein that binds viral surface envelope glycoprotein gp 120：potential app lications to microbicide development[J].Antimicrobial Agents and Chemotherapy，1997，41（7）：1 521-1 530.

[14]瞿文川，余源盛，蘇晨偉.巢湖藍藻水華藻膽蛋白的分離與鑒定[J].湖泊科學，1995，7（3）：278-280.

[15]孫忠科，杜巍，任戈，等.藍藻與功能食品開發[J].食品研究與開發，2007，28（6）：177-179.

[16]高碧珍，高丹玲.螺旋藻藥理作用研究進展[J].海峽藥學，2000，12（2）：5-7.

[17]程雙奇，曹世民，鄭偉，等.螺旋藻的營養評價[J].營養學報，1990，12（4）：415-417.

[18]張健，林淑注，梁宏，等.螺旋藻的有效成分與價值[J].資源開發與市場，1997，13（2）：88-89.

[19]王壽權，嚴群，阮文權.藍藻豬糞共發酵產沼氣及動力學研究[J].食品與生物技術學報，2008，27（5）：108-112.

[20]宋偉，韓士群，周慶，等.藍藻泥干發酵潛力研究[J].現代農業科技，2009（24）：251-253.

[21]喻國策，王建龍.藍藻制氫研究進展[J].中國生物工程雜志，2005，25（12）：86-91.

[22]管英富，鄧麥村，金美芳，等.微藻光生物水解制氫技術[J].中國生物工程雜志，2003，23（4）：8-12.

Progress of the Research on Cyanobacteria in the Field of Ecological Environment Medicine Food and Health Care New Energy

LIU Yang，*MU Jinming
（Agricultural College，Jilin Agricultural University，Changchun，Jilin 130000，China）

Abstract：Blue-green algae known as Cyanobacteria is a kind of prokaryotic microorganisms of a long evolutionary history.In recent years，Cyanobacteria has became a hot spot of scientific research for its special structure and function.This article summarizes the research progress of Cyanobacteria from the aspects of biological nitrogen fixation，ecological environment，medicine，food and health care，new energy development，etc.to provide a reference for the future development and utilization of Cyanobacteria.

Key words：Cyanobacteria；ecological environment；medicine food and health；new energy

*通訊作者：牟金明（1962—），男，博士，副教授，研究方向為農田生態與作物種植規劃。

作者簡介：劉陽（1987—），女，碩士，研究方向為農田生態與作物種植規劃。

收稿日期：2015-11-03

文章編號：1671-9646（2016）02a-0068-03

中圖分類號：Q78

文獻標志碼：A

doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.02.020