程宇凱，秦可娜，魏亮亮，涂劍成，趙慶良

(1.南昌水業(yè)集團(tuán)，南昌330025;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是指生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氮(N)、磷(P)等無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入相對(duì)封閉或水流緩慢的水體后，在適宜的水域物理化學(xué)環(huán)境因素綜合作用下，引起藻類及其他浮游生物大量繁殖，水質(zhì)惡化，甚至魚類及水生生物大量死亡的現(xiàn)象[1].目前環(huán)境領(lǐng)域中所說的水體富營(yíng)養(yǎng)化多指由于人類的過度活動(dòng)引起的水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集的而使?jié)舛冗^高的現(xiàn)象，通常情況下，水體富營(yíng)養(yǎng)化在諸如湖泊及水庫(kù)等封閉水體中較容易出現(xiàn)[2－3];當(dāng)前我國(guó)湖泊面積70 988 km2，約占全國(guó)陸地總面積的0.8%，大于1 km2的天然湖泊有2 300余個(gè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)和貧營(yíng)養(yǎng)的湖泊(水庫(kù))面積比例分別占到總湖泊(水庫(kù))面積的 27.8%、57.4% 和 14.8%，水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[4].此外，我國(guó)的湖泊環(huán)境非常脆弱，再加上湖泊中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來源廣、背景濃度高，使得湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程有進(jìn)一步加速的趨勢(shì)，如武漢東湖、杭州西湖、云南滇池、南京玄武湖、江蘇太湖等富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[5－6].

1 富營(yíng)養(yǎng)化水體中的藻類

藻類是水體生態(tài)系統(tǒng)中最主要初級(jí)生產(chǎn)者，絕大部分藻類個(gè)體較小、營(yíng)養(yǎng)豐富、生長(zhǎng)繁殖迅速、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能對(duì)太陽(yáng)能高效利用，是水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要特征[7－8]，不同的水體中的藻類分布不同，其中在淡水水體中的藻類主要有綠藻，藍(lán)藻等，而在咸水水體中的藻類主要有甲藻、藍(lán)藻等.雖然藻類是水體富營(yíng)養(yǎng)化的罪魁禍?zhǔn)祝?，藻類作為一種高蛋白和高糖的天然物質(zhì)，其自身有很多經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值，怎樣對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的藻類加以利用，成為我們控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的另一條出路.

2 藻體蛋白的性質(zhì)及生態(tài)功能

2.1 藻類的生態(tài)學(xué)特性

藻類通過光合作用進(jìn)行生長(zhǎng)，可在富營(yíng)養(yǎng)化水體中大量繁殖，因此利用水面生產(chǎn)高質(zhì)量的藻類蛋白質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)江河湖海農(nóng)牧化，可解決耕地資源減少給農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來的困難等問題[9].藻類生長(zhǎng)過程中的光合作用可吸收CO2，并釋放氧氣，在完成藻類自身生長(zhǎng)的同時(shí)，優(yōu)化空氣質(zhì)量.例如在實(shí)際生產(chǎn)過程中若生產(chǎn)200 g鮮藻，約放氧66.6 L，相當(dāng)于246 m2草坪的放氧能力[10].所以，藻類蛋白資源的開發(fā)利用，在實(shí)現(xiàn)藻體中有用物質(zhì)資源化利用的同時(shí)，將發(fā)揮藻類生態(tài)學(xué)功能，必將為人類社會(huì)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn).

2.2 藻類中蛋白的含量及特性

藻類具有極強(qiáng)的光合成能力，藻類的光能利用率可達(dá)18%，光合效率達(dá)43%，是一般農(nóng)作物的1.4～3倍，故其具有生長(zhǎng)繁殖快，周期短(人工栽培時(shí)從接種培養(yǎng)到收獲只需5～8 d).此外，藻類中蛋白質(zhì)含量極高，一般藻體干細(xì)胞中蛋白質(zhì)的含量約占到50% ～70%，故每公斤干藻含植物中蛋白可達(dá)500～700 g，該部分蛋白可作為食品、保健品等加以開發(fā)利用[4].藍(lán)藻作為藻類中較特殊的一種，在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中大量繁殖生長(zhǎng)，其主要成分為藻膽蛋白、多糖、脂肪、氨基酸等，通常情況下1t藍(lán)藻干物質(zhì)經(jīng)加工后可生產(chǎn)天然藍(lán)色素50 kg、藻多糖 10 kg、藻毒制品 1 kg[11].

2.3 藻類蛋白的營(yíng)養(yǎng)學(xué)特性

藻體中含有大量的高蛋白物質(zhì)和不飽和脂肪酸(PUFA)，其中PUFA的主要成分為二十五碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)，上述營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不僅價(jià)值高，且無腥臭味，不含膽固醇[12]，另外，藻體蛋白中還有魚類等賴以生存的微量元素.所以，藻體蛋白還可以作為漁業(yè)中的飼料，即達(dá)到了去處藻類的作用，還可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益.

3 藻體蛋白的綜合開發(fā)利用

3.1 藻藍(lán)蛋白在食品、醫(yī)療等領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用

藻藍(lán)蛋白是藍(lán)藻、紅藻等藻類中特有的捕光色素蛋白[13]，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占藻體細(xì)胞干質(zhì)量的18%，在食品、醫(yī)療、化妝品等工業(yè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[14－15].藻藍(lán)蛋白作為一種少見的水溶性色素蛋白，顏色鮮艷，可作為天然食用色素改善食品色澤;藻藍(lán)蛋白具有齊全的氨基酸組成，必需氨基酸含量高，是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的蛋白質(zhì)，如目前我國(guó)已有10余種以螺旋藻片和膠囊為主要成分的保健食品.據(jù)科學(xué)研究表明，藻藍(lán)蛋白具有刺激紅細(xì)胞集落生成，可提高人體免疫力、促進(jìn)血紅細(xì)胞生成、抑制癌細(xì)胞，故其在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.陳紅兵[16]等研究發(fā)現(xiàn)藻藍(lán)蛋白對(duì)短暫性腦缺血后的神經(jīng)元損傷有明顯的保護(hù)作用;李繼發(fā)[17]等研究表明藻藍(lán)蛋白對(duì)胰島細(xì)胞具有一定的保護(hù)作用;章申峰[18]等報(bào)道濃度大于40 μmol/mL的藻藍(lán)蛋白可在體外顯著抑制肺腺癌細(xì)胞的生長(zhǎng);Haizhen Wang[19]等發(fā)現(xiàn)藻藍(lán)蛋白的p亞基具有抗癌作用.此外，藻藍(lán)蛋白還具有抗氧化、清除自由基等特性[20]，能起到補(bǔ)血、豐胸的作用;Patel等[21]進(jìn)行了藻藍(lán)蛋白體外抗氧化活性研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)過氧化氫基團(tuán)和羥基的消除效果良好.Romay等[22]證明從極大節(jié)旋藻中提取的藻藍(lán)蛋白具有抗炎癥和抗氧化的作用.藻藍(lán)蛋白還具有優(yōu)良的熒光特性、理想的光敏作用，其具有很強(qiáng)的二次電子發(fā)射能力和優(yōu)良的光電性能，可作為細(xì)胞和分子的熒光標(biāo)記物[23－24].目前，藻藍(lán)蛋白常用的提取方法有反復(fù)凍融法、雙水相萃取技術(shù)、化學(xué)試劑處理法、膜分離技術(shù)、溶脹法、擴(kuò)張床吸附技術(shù)、超聲波法等[25－26].

3.2 藻類中蛋白在光電材料中的開發(fā)應(yīng)用

藻膽蛋白中具有光合作用的捕光功能的蛋白主要分為藻藍(lán)蛋白、別藻藍(lán)蛋白、藻紅藍(lán)蛋白和藻紅蛋白四大類.藻膽蛋白一般含有α和β亞基，上述亞基中則含1～2個(gè)輔基色素，使得藻膽蛋白具有特殊的光譜吸收性質(zhì)，對(duì)光的響應(yīng)性靈敏度高，通常情況下可在可見光范圍內(nèi)完成光電信息轉(zhuǎn)換，故有研究者已將基于藻膽蛋白開發(fā)出新型的生物光電材料.周林等采用靜電組裝技術(shù)成功地制備了基于B－藻紅蛋白的多層復(fù)合薄膜，所制的薄膜的最大吸光度和光致發(fā)射強(qiáng)度均與組裝層數(shù)呈線性遞增關(guān)系，光學(xué)效應(yīng)明顯[27].周明等通過將人體紅細(xì)胞膜上的血型糖蛋白A中的跨膜片段基因和藻紅藍(lán)蛋白基因片段的N端的分子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了α－PEC的分子構(gòu)建，為藻紅藍(lán)蛋白在生物光電材料中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)[28].總體上，藻蛋白的可逆光致變色特性強(qiáng)、耐熱性好、耐疲勞性強(qiáng)、可固定性好，具有的獨(dú)特的應(yīng)用前景.如趙開弘等人經(jīng)過對(duì)天然藻紅藍(lán)蛋白α亞基(α～PEC)研究指出:1)在pH為7.2下提取的α～PEC穩(wěn)定性較好，可長(zhǎng)期保持較高的可逆光致變色特性;2)α～PEC具有較好的熱穩(wěn)定性，在60℃以下能長(zhǎng)期保持高光化學(xué)活性;3)α～PEC在反復(fù)循環(huán)光照上萬次后仍具有光化學(xué)活性，耐疲勞性強(qiáng);4)瓊脂糖是α～PEC較好的固定包埋劑，包埋工藝簡(jiǎn)單，透明度高，有利于通過對(duì)α～PEC的固定化構(gòu)建光電器件，實(shí)現(xiàn)光電信息轉(zhuǎn)換[29].

3.3 藻膽蛋白生物探針開發(fā)

藻膽蛋白作為一種新型的性能優(yōu)良的生化探針廣泛應(yīng)用于免疫細(xì)胞化學(xué)、免疫組織化學(xué)、流式細(xì)胞熒光測(cè)定、熒光激活細(xì)胞分選、共聚焦激光顯微鏡、單分子檢測(cè)等熒光免疫分析測(cè)試[30].20世紀(jì)80年代初，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Glazer等[31]最先研制藻膽蛋白探針，通過雙功能試劑SPDP將藻紅蛋白和生物素等交聯(lián)，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)后的藻紅蛋白其發(fā)射光譜和熒光產(chǎn)量沒有改變，并且藻紅蛋白熒光檢測(cè)具有極高的靈敏度.Parks等人[32]于1984年又將別藻藍(lán)蛋白開發(fā)為熒光探針.此后，藻膽蛋白熒光探針相繼在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、人源疾病病毒、動(dòng)物病毒、植物病毒檢測(cè)中應(yīng)用，陳良華[33]將藻紅蛋白熒光探針應(yīng)用在煙草花葉病毒的免疫熒光檢測(cè)，具有較好的特異性;顏世敢等[34]首次應(yīng)用純化的R－藻紅蛋白與H9亞型禽流感病毒抗體交聯(lián)制備熒光探針，成功用于H9亞型禽流感病毒的檢測(cè).與傳統(tǒng)熒光染料相比，藻膽蛋白熒光探針具有如下優(yōu)點(diǎn)[35]:1)藻膽蛋白在pH=4～10之間吸收光譜無明顯變化，液、固狀態(tài)的藻膽蛋白均十分穩(wěn)定;2)光吸收能力強(qiáng)，色基多，熒光量子產(chǎn)額高;3)熒光波長(zhǎng)在550～700 nm的橙紅光區(qū)，熒光背景干擾少;4)藻膽蛋Stokes位移大，高達(dá)80 nm，而普通熒光素通常小于30 nm;5)藻膽蛋白等電點(diǎn)在4.7～5.3范圍內(nèi)，生理溶液中帶負(fù)電荷，較難發(fā)生非特異性吸附;6)天然生物大分子不會(huì)使其熒光猝滅;7)其表面具有如－SH基等活性基團(tuán)，交聯(lián)方便;8)藻膽蛋白在溶液狀態(tài)下極其穩(wěn)定，與抗體結(jié)合后不影響其光譜特性，且能保持抗體免疫特征.藻膽蛋白正因?yàn)橛猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，其在免疫檢測(cè)上顯示出廣泛的應(yīng)用前景.

3.4 藻膽蛋白在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

水體富營(yíng)養(yǎng)化引起藍(lán)藻等水生植物異常生長(zhǎng)，導(dǎo)致部分水體出現(xiàn)水華或赤潮現(xiàn)象嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)平衡，因此及時(shí)掌握藍(lán)藻分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)藻連續(xù)實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)，是水華預(yù)警的重要環(huán)節(jié)[36].藻藍(lán)蛋白和藻紅蛋白是藍(lán)藻進(jìn)行光合作用時(shí)吸收、轉(zhuǎn)化和傳遞光能的重要輔助色素，這兩種色素具有特征性的熒光光譜吸收峰和發(fā)射峰，可用來進(jìn)行熒光特性分析，故在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮巨大的作用.雖然熒光分析法會(huì)受到細(xì)胞世代、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、光照條件等外部因素影響，但因其操作簡(jiǎn)易仍然是檢測(cè)藍(lán)藻生物量的較好方法，目前國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用這種方法監(jiān)測(cè)水庫(kù)、湖泊中的藍(lán)藻并對(duì)其進(jìn)行衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè).陳緯棟等[37]通過對(duì)藍(lán)藻活體進(jìn)行熒光光譜掃描，確定藻藍(lán)蛋白的最佳熒光激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)，建立了藍(lán)藻生物量與藻藍(lán)蛋白特征熒光強(qiáng)度之間的關(guān)系.Dekker等[38]通過對(duì)藻藍(lán)蛋白進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，較為詳細(xì)的研究了澳大利亞昆蘭士東南水域中的藍(lán)藻.李發(fā)榮等[39]使用熒光水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀及時(shí)獲取了藍(lán)藻生物量數(shù)據(jù)，并與3S技術(shù)結(jié)合，形成可視化的滇池藍(lán)藻濃度分布圖，為水環(huán)境監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐.

3.5 藻蛋白中藻毒素的開發(fā)應(yīng)用

已知的藍(lán)藻藻蛋白毒素主要是兩類:1)肝毒素，主要包括七肽微囊藻毒素、moipurin等，以微囊藻毒素為代表;2)神經(jīng)毒素，主要以魚腥藻毒素為代表[40].如滇池中藍(lán)藻的主要優(yōu)勢(shì)藻為微囊藻，微囊藻毒素主要是由Microcystis、Anabaena、Oscillatoria、Nostoe等屬中的種類產(chǎn)生[41]，上述藻毒素可引起肝損傷，是已知的促腫瘤形成因子之一.但是，藻毒素作為一種天然的毒素，在生物、制藥等方面有很大的用處，故對(duì)藻毒素的開發(fā)應(yīng)用的前景十分明朗.如在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中較為常見的魚腥藻分子結(jié)構(gòu)具有半剛性，不易被酶解，能作用于突觸后膜，是一種高效擬膽堿去極化神經(jīng)肌肉阻滯劑[42－43]，由于其高活性和分子剛性，成為研究煙堿樣膽堿受體與配基相互作用的有效探針[44].申晴等[45]將微囊藻毒素(MC－LR)做為模板，以鄰氨基酚為單體，應(yīng)用循環(huán)伏安法在金電極的表面電聚合成膜分子印跡材料，制成了可快速檢測(cè)富營(yíng)養(yǎng)化水體中微囊藻毒素的傳感器.另微囊藻毒素因其穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其對(duì)肝臟極強(qiáng)的靶毒性引起醫(yī)學(xué)界高度重視，有研究學(xué)者設(shè)想將其脫毒后作為研究肝病的專一性載體.

3.6 藻蛋白中色素的提取及應(yīng)用

從微藻中可以提取的色素主要有β－胡蘿卜素、蝦青素、藻藍(lán)蛋白等[46].如 β－胡蘿卜素可以從杜氏澡中提取，蝦青素可從雨生紅球藻中提取，而藻膽蛋白可從藍(lán)藻、紅藻、雨藻中提取.所有這些色素在社會(huì)生產(chǎn)生活中都有很廣泛的用途，是未來藻蛋白開發(fā)過程中的一個(gè)重要方向.藻藍(lán)蛋白色素多從念珠藻、藍(lán)藻、螺旋藻中提取，主要成分為藻青素[47].如從螺旋藻提取的可食用色素[15]以葉黃素及胡蘿卜素為主要組分，另其中含有的藍(lán)色素更是目前天然食用色素品種中較罕見的色素之一.目前，從藻類中提取色素的常規(guī)工藝主要包括CO2超臨界萃取技術(shù)(SPE)和溶劑法等[27－28].從藻蛋白中提取色素可解決目前天然色素開發(fā)中原料來源少、價(jià)格昂貴等問題，還可解決水體富營(yíng)養(yǎng)的問題，可謂一舉兩得.

3.7 藻膽蛋白作為藥品的研究及應(yīng)用

藻蛋白的特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)使得其在藥品的開發(fā)方面具有很大的潛力，如藻膽蛋白具有一定的抗病毒活性，對(duì)抑制肝腫瘤細(xì)胞的淋巴細(xì)胞活性方面效果顯著，可提高肌體免疫性.2003 年，Shih等[48]研究發(fā)現(xiàn)從鈍頂螺旋藻中提取的別藻藍(lán)蛋白能有效抑制腸道病毒，有望開發(fā)成抗腸道病毒藥物.哈佛醫(yī)學(xué)院的Schwardz和Shilar在1986年就發(fā)現(xiàn)藻膽蛋白對(duì)一些癌細(xì)胞有抑制作用[49].此后Morcos等用0.25 mg/mL的藻藍(lán)蛋白處理小鼠骨髓瘤細(xì)胞，在激光輻射對(duì)照下細(xì)胞存活率由15%提升到71%.研究還表明藻藍(lán)蛋白對(duì)骨髓造血具有刺激作用，可用于臨床輔助治療各種血液疾病，對(duì)血癌有治療作用[50];另外，藻體中的多糖可提高機(jī)體抗病毒和抗腫瘤能力，提高機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)作用等[40].除此之外，藻體蛋白在艾滋病的防治方面具有很大的開發(fā)潛力，如1997年 Boyd等[41]從藍(lán)藻 Nostoc ettipsosporum中分離得到一種具有獨(dú)特的抗病毒活性的水溶性糖蛋白 Cyanovirin，Cyanovirin能與病毒表面衣殼蛋白上的甘露寡糖結(jié)合，阻止病毒與宿主細(xì)胞表面的受體結(jié)合，對(duì)各種嚴(yán)重的RNA逆轉(zhuǎn)錄病毒具有抗病毒活性.上述獲得的抗病毒多肽經(jīng)基因工程改造并大規(guī)模生產(chǎn)后可作為艾滋病治療藥物[29].

3.8 藻蛋白其他方面的應(yīng)用

藻類除了在以上幾個(gè)方面的應(yīng)用之外，在生物抗生素、動(dòng)植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑方面也有很大的開發(fā)前景，下面就介紹一下藻蛋白在這兩方面的一些應(yīng)用.

生物抗生素:利用海洋微藻可以用來生產(chǎn)用于人類或動(dòng)物健康方面的活性化合物，從藍(lán)藻中已分離提取的諸如有機(jī)酸、脂肪酸、溴酚、丹寧、多糖及醇類的許多抗生素，具有抗癌、抗細(xì)菌、抗真菌及抗病毒活性化合物的作用，有些抗生素甚至在抗腫瘤、抗艾滋病方面有重要作用.

動(dòng)、植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑和調(diào)節(jié)劑:小球藻蛋白及螺旋藻蛋白的部分組成成分能加速動(dòng)物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，某些微藻蛋白提取液能促進(jìn)植物生根、發(fā)芽、生長(zhǎng)等.

4 結(jié)語(yǔ)

藻類蛋白的高利用價(jià)值越來越受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，并且有大量的學(xué)者就富營(yíng)養(yǎng)水體的藻類利用展開了研究.可以看出的是，對(duì)藻類的開發(fā)利用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中藻類的資源化利用，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污染水體的綜合治理，可謂一舉兩得.另外，藻體蛋白的綜合利用涉及光電材料、生物探針、衛(wèi)生保健、醫(yī)藥開發(fā)、色素生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域，不僅應(yīng)用范圍廣，而且與我們?nèi)祟惖娜粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，前景十分廣闊.

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