藻类植物资源研究进展

藻类植物资源开发利用研究进展徐渊（河北师范大学生命科学学院生物科学2009级学号：2008013859）摘要：藻类是一种非常重要的植物资源，与人类的生活息息相关。目前对藻类植物资源的开发利用还远远不够，藻类资源的开发利用潜力巨大。本文主要概述了藻类植物资源在生物燃料，生物医药，环境保护等方面的研究进展。关键词：藻类植物生物燃料藻类多糖进入21世纪，人类在取得巨大成就的同时，也面临着许多危机。能源需求不断增加而传统能源的储量不断减少，能源危机加剧［1］。工业生产，化石燃料燃烧造成大气污染、水污染、酸雨、温室效应等一系列环境问题。环境污染，抗生素的滥用致使人体免疫力下降，细菌出现抗药性，哮喘、艾滋病、癌症等多种疾病发病率升高。人类健康受到很大威胁。从藻类中提取油脂，生产柴油，可以缓解能源危机。藻类多糖可以应用于多类疾病的治疗。藻类对水质的敏感，可用于监测水质。藻类植物资源有多方面的重要价值，所以值得人类大力开发利用。下文将详细叙述目前人类在藻类植物资源开发利用方面的研究进展。1藻类植物资源在开发生物燃料方面的研究进展就目前来看，人类通过藻类开发的生物能源主要有生物柴油和生物乙醇，利用藻类开发生物能源，有许多方面的优势。但是仍然面临着许多技术难题。美国和日本在开发生物能源的研究方面处于世界领先的位置。1．1藻类植物资源在开发生物燃料方面的优势未来生物燃料的的发展方向应该是通过藻类植物来生产［2］。这是因为藻类有许多方面的优势，①作为低等植物，藻类繁殖能力特别强，光合作用效率高，在单位面积上具有很高的产量。②藻类植物种类非常多，而且分布范围很广阔，利用藻类生产生物燃料不会受气候和地域的干扰[3]。③藻类的油脂含量非常高。④藻类可以大量吸收空气中的二氧化碳，对缓解温室效应有一定意义。⑤藻类在生长的过程中可以吸收水体中的氮元素和磷元素，防止水体富营养化。⑥藻类可以在海洋中生长，可以利用海洋来培养藻类，开发藻类资源，这样就不会占用耕地。另外，用玉米和甘蔗为原料可以生产乙醇，并且是目前国际上生物乙醇生产原料。生物乙醇有低毒性，容易降解，并且燃烧后对环境污染小等优点。但是现在全球人口增长很快，用粮食来生产燃料乙醇以代替石油，煤等化石燃料是非常不切合实际的。而以海洋藻类来生产乙醇，可以避免用粮食生产乙醇的缺点，有非常好的前景。1．2藻类生物柴油的研究现状生物柴油是从油料作物，藻类中提取油脂或利用动物油脂，再通过与醇类物质发生酯交换反应来合成的。生物柴油环保，使用时安全，并且可再生。用油料植物生产柴油的技术已经很成熟，并且广泛的应用于工业生产。利用藻类生产生物柴油主要有藻类培养，藻类收集，提取藻类中的油脂，酯交换反应生产生物柴油，把粗制品生物柴油加工成精品等几步。在利用藻类生产石油的过程中，从藻类中提取柴油的技术已经掌握，培养出含有高油脂的藻类的技术，藻类收集中的固液分离技术以及利用基因工程改造藻类技术还在进一步改进[4]。正是由于部分的技术还不太成熟，导致利用藻类生产石油的成本较高，无法大规模应用于工业生产。不过，目前以美国为代表的许多国家都致力藻类生物柴油的研究，为了开发藻类生物柴油，2007年11月，美国国际能源公司启动了“海藻变油”计划，该计划的目的是完全利用海藻的光合作用来生产可生物柴油，2010年6月，美国能源部发布国家藻类生物燃料技术路线图，美国政府支持了蓝宝石能源公司（SapphireEnergy）的生物柴油开发，这个公司利用含盐的水中加入营养物质来培养藻类，生产柴油。在中国，中国科学院所属相关单位和国内高校利用微藻开发生物柴油，并且在藻种的选育，微藻的开放池大规模培养，微藻光生物反应器等方面有许多成就[5]。1．3藻类生物乙醇的研发现状微生物的发酵可以将糖类等物质转化为生物乙醇。一些微藻或者大型藻类都可以用来生产生物乙醇。通过藻类来生产生物乙醇主要有以下几个步骤，①培养出生产乙醇的藻类。②用超声波，机械剪切或酶处理等方法使藻体破裂，释放出所需要的糖类物质。③得到的糖类物质如多糖或者异多糖等糖化，使之分解为单糖。④通过发酵工程，单糖转化为乙醇。⑤利用蒸馏技术，除去低浓度乙醇中的杂质，获得高浓度液态乙醇。虽然藻类生长迅速能在短时间内积累大量碳水化合物，目前一些大型藻类生产乙醇已经具备产业化规模。但是，仍然在用藻类生产乙醇的工程中仍然遇到不少技术问题，对于大型藻类，它的化学成分非常复杂，在藻类多糖分解后，形成多种单糖，这使得开发利用技术复杂，降低了生物乙醇的生产效率而提高了生产成本。对于微藻，主要问题是如何筛选和培育出生长迅速的抗逆藻株以及如何使研发出高效率，低成本的乙醇发酵技术[6]。值得一提的是美国藻醇(Algenol)公司现在已经能够利用微藻直接生产乙醇，即不再经过发酵过程。这种技术的主要步骤是先通过蓝藻的光合作用产物在蓝藻细胞内直接生产出乙醇并且细胞内的乙醇会进入藻液，然后利用太阳能将藻液中的乙醇凝集在藻液覆盖膜的表面，最后将乙醇从覆盖面收集起来。2藻类多糖药用生物活性研究进展从藻类植物中提取的藻类多糖有很高生物活性，目前发现具有抗病毒，抗菌消炎，抗氧化衰老，抗哮喘，抗癌，免疫调节，治疗肾衰竭，降低血糖等多方面的生物活性。2.1藻类多糖的抗病毒活性一些藻类中含有硫酸化多糖，硫酸化的多糖能抑制沙粒病毒、杆状病毒、痘苗病毒亚组和疱疹病毒等包膜病毒的复制过程。硫酸化多糖还能干扰病毒在宿主细胞上的吸附[7]。墨角藻多糖，半乳聚糖，木甘露聚糖等硫酸化藻类多糖都具有抗病毒能力。一些红藻和褐藻中的硫酸化多糖以及呋喃半乳糖和墨角藻多糖都有抗HSV病毒的活性。以褐藻中的钝顶螺旋藻多糖为例，研究者发现钝顶螺旋藻多糖对对单纯疱疹病毒Ⅰ型无直接灭活作用,但是经过钝顶螺旋藻多糖处理的细胞，可以抑制病毒向宿主细胞的吸附，延迟细胞的病变。研究者还发现钝顶螺旋藻多糖能抑制病毒复制以及单纯疱疹病毒Ⅰ型糖蛋白mRNA的表达[8]。2.2藻类多糖的抗菌消炎活性目前，由于抗生素的滥用，细菌的耐药性问题已经相当严重。为了解决这个问题，必须寻找新的抗菌途径。藻类多糖的抗菌活性是解决这一问题的有效途径之一。褐藻中的水溶性多糖有一定的消炎作用。褐藻门中的网地藻、厚网藻能够抑制真菌。褐藻胶是褐藻门藻类中提取的一种主要成分是多聚古罗糖醛酸和多聚甘露糖醛酸的物质，褐藻胶可以降解成褐藻胶寡糖，褐藻胶寡糖对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌都有抑制作用。有很大的应用价值。2.3藻类多糖的抗肿瘤活性研究者发现一些藻类多糖不但能抑制细胞色素P4501A这种致癌物质的活性，而且诱导谷胱甘肽转移酶这种可以解毒致癌物质的酶。螺旋藻多糖具有一定的抗肿瘤作用而且不良反应小，另外，肿瘤患者化疗和放疗过程中会造成的自身的正常细胞的损伤，而螺旋藻多糖对此有一定治疗或预防作用[9]。褐藻糖胶是褐藻中的一种多糖，它在褐藻细胞间存在。墨角藻中褐藻糖胶能够抑制人结肠癌细胞HCT-15的生长,而且能抑制对人肝癌细胞的增殖。2.4藻类多糖的抗氧化活性导致机体衰老的原因是多方面的，其中一个重要原因是由于机体的抗氧化能力不够抵抗自由基或者氧化剂的损害。而许多研究表明抗氧化能预防衰老。研究表明，从多种藻类中提取的硫酸化多糖都具有抗氧化能力，如绿藻门中的石莼，红藻门中的海人草。紫球藻多糖也有的抗氧化以及清除自由基的能力。研究者用动物做实验证实褐藻多糖硫酸酯不但能清除自由基而且能提高抗氧化酶活性及阻断脂质过氧化链式反应，从而保护机体免受氧化损伤[10]。2.5改善肾功能活性肾脏是人体重要的器官，肾脏疾病对人体的危害非常大。褐藻多糖硫酸酯在治疗肾病方面有许多应用。有实验指出褐藻多糖硫酸酯能够中和、清除代谢废物，有降低血脂、抗血小板聚集、改善血液流变学，减少尿蛋白量，保护肾功能等多种作用。能用在肾病综合征和早期和中期肾衰竭治疗，且没有副作用，还能改善肾功能。2.6藻类多糖在其他方面的作用除了以上的生物活性外，一些微藻多糖调血脂和降血压的效果显著，因而非常重要的研究价值[11]。褐藻硫酸多糖在动物中已证实能增强特异性免疫功能和非特异性免疫功能。另外，藻类多糖还有抗溃疡等活性。3藻类在水质监测及净化方面的研究进展随着工业化和城市化，水污染问题越来越引人关注，人们可以利用藻类进行水质监测和水质净化。周丛藻类，是水体中附着在基质上的藻类，在水质监测和净化方面应用很广泛。3.1藻类在水质监测方面的应用周丛藻类有，采集方便，对环境有独特的敏感，可用于长期监测，藻类样品易于鉴定等多方面的优点。应用周丛藻类进行水质监测，这是因为研究发现，随着水中营养物质的含量，尤其是一些限制性营养元素的含量发生变化时，周丛藻类的种类数目，生物量，群落结构都会随着发生变化，利用这些变化，就能得到许多与环境相关的生物响应信息，从而评估水质情况。一些研究指出，周丛藻类都总能做酸性矿水排泄污染检测可靠的生物指标，而且与受污染水域的污染状况无关。另外，附着在石头上藻类能反映水质全貌。利用周丛藻类进行水质监测得到了广泛应用。在美国，应用硅藻进行河流健康评价，硅藻已经被美国藻采样纳入到生物监测的例行评估工作中[12]。3.2藻类在水质净化中的应用周丛生物能有效吸附水体N,P等营养物质，固定二氧化碳，降低碳酸盐浓度，释放氧气，调节PH，过滤并吸附固体悬浮物。研究发现周丛藻类能蓄积Cd、Cr、Pb，同时由于Cr和Pb可以减少周丛藻类群落对Cd的吸收，从而使Cd对周丛藻类群落的毒性减小，这说明周丛藻类可吸附重金属离子，减少重金属离子对水环境的污染[13]。另外，着生刚毛藻比较特殊，既能净化富营养水体中的氮磷，又能抑制水华藻类。现在，很多自来水厂用周丛藻类净化水质，用周丛藻类净化水质得到到了普遍的认可。4藻类植物在其他一些方面的开发利用研究进展从褐藻中能提取的海藻酸，可溶性的海藻酸盐可以用来制海藻纤维，海藻纤维可用在染料吸附、阻燃材料、电磁屏蔽材料等多个方面[14]。盐藻有营养丰富，可用于动物饲料，在水产动物饲料中添加盐藻粉，能提高增重，增强抗病力。在奶牛日粮中添加盐藻粉，日粮中N的表观消化率提高[15]。另外，还有研究认为藻类在清除核污染方面能起重要的作用。5总结及展望藻类植物在地球上分布非常广泛。人类已经在工业，农业，医药，食品，环境保护等方面开发利用藻类。藻类资源开发利用的空间很大，目前在生物燃料的开发，藻类多糖生物医药活性的研究，水质监测与净化等多方面取得了令人惊讶的成绩。尤其是生物柴油和生物乙醇等的生物能源的开发，为解决人类能源危机指出了一条出路。需要指出的是，藻类开发利用的方面还面对着一些问题，在生物燃料开发方面，如何提高现有低效率的生产技术，降低成本，实现大规模工业化生产还待进一步探索。在藻类多糖的生物医药活性研究方面，一些藻类多糖的结构研究并不深入，生物活性作用机制还不明确。在水质监测与净化方面，如何筛选出对特定污染物敏感的藻类物种还需要研究，藻类对污染物的生理响应及去除机理不明确。目前，人们已经认识到了藻类植物资源对人类生存和发展的重要性，世界上许多国家已经很重视藻类植物资源的开发利用，同时，对藻类的研究有了许多新的研究结果，藻类开发技术也不断提高，相信随着人类对藻类的研究不断深入，藻类会给人类带来更多的效益。参考文献：［1］徐少琨，张峰，向文洲，等．微藻应用于煤炭烟气减排的研究进展［J］．地球科学进展，2011，26(9):944-953．［2］姚国欣，王建明.第二代和第三代生物燃料发展现状及启示［J］.中外能源，2010,15（9）：23-37.［3］张琴，王贤贤，张姗姗.用于生物制氢和生物燃料的工程藻类的研究进展［J］.发酵科技通讯，2012,41（3）：51-54.［4］王萌，陈章和．藻类生物柴油研究现状与展望［J］.生命科学，2011，23(1):944-953．［5］张利雄，闵恩泽.从近期美国在生物质炼油化工厂建设的投入思考其在我国的发展［J］.石油学报(石油加工)，2011，27(2):155-161．［6］庞通，刘建国，林伟，等.藻类生物燃料乙醇制备的研究进展［J］.渔业现代化，2012,39（5）：63-71.［7］王芳，王业菊，李金