李立欣 樸庸健 馬放

摘要 綜述了斜生柵藻的生長(zhǎng)條件（光照強(qiáng)度、溫度、pH和培養(yǎng)基成分）、基因工程及應(yīng)用方面（動(dòng)物飼料、指示生物、污水處理和能源領(lǐng)域）的研究現(xiàn)狀，并展望了斜生柵藻今后的研究方向。

關(guān)鍵詞 斜生柵藻；影響因素；基因工程；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào) S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）25-0001-02

Abstract The culturing conditions （light intensity，temperature，pH and medium component）， genetic engineering and the applications animal feed，biological indicator，sewage treatment and energy field of Scenedesmus obliquus were summarized in detail， and the research directions of Scenedesmus obliquus were also prospected in the future.

Key words Scenedesmus obliquus；Influence factor；Genetic engineering；Application

斜生柵藻（Scenedesmus obliquas）是一種常見(jiàn)的淡水微藻，屬植物界，綠藻門(mén)，綠球藻目，柵藻科，柵藻屬[1]。在溫暖地區(qū)，它是一種廣泛分布于湖泊、水庫(kù)、池塘、沼澤等靜水水體中的淡水單細(xì)胞綠藻，因具有易存活、繁殖能力強(qiáng)、環(huán)境耐受性強(qiáng)、氮磷利用率高等特點(diǎn)而被廣泛用于廢水培養(yǎng)和廢水處理中[2-3]。斜生柵藻是迄今已知含油量較高的藻種之一，可作為生產(chǎn)生物柴油的原料[4]。斜生柵藻體內(nèi)能夠積累較高的蝦青素，還可以作為動(dòng)物飼料或食品添加劑等[5]。因此，斜生柵藻的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，在食品、能源及污染物治理領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景。筆者綜述了斜生柵藻的生長(zhǎng)條件、基因工程及應(yīng)用方面研究進(jìn)展，并展望了斜生柵藻今后的研究方向，以期為斜生柵藻的進(jìn)一步研究及應(yīng)用提供參考。

1 斜生柵藻生長(zhǎng)條件及優(yōu)化培養(yǎng)

斜生柵藻的生長(zhǎng)除了受光照、溫度等外界條件的影響外，還受營(yíng)養(yǎng)條件等因素的影響。因此，可以通過(guò)控制培養(yǎng)條件實(shí)現(xiàn)對(duì)斜生柵藻的擴(kuò)大培養(yǎng)。

1.1 光照強(qiáng)度

光是影響藻生長(zhǎng)的重要因素之一，在適光范圍內(nèi)，增加光照強(qiáng)度可加快光合作用速率，從而有利于藻細(xì)胞的生長(zhǎng)[6]。殷燕等[6]認(rèn)為光照強(qiáng)度為 50 μmol/（m2·s） 條件下，斜生柵藻的藻細(xì)胞密度、葉綠素a濃度及吸收系數(shù)值相對(duì)最大，可以看出光照強(qiáng)度對(duì)其生長(zhǎng)有重要影響。

1.2 溫度

溫度是影響藻類(lèi)生長(zhǎng)的一個(gè)重要的環(huán)境因子，溫度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響程度是由其對(duì)光合作用以及能量代謝等生理生化過(guò)程的平衡關(guān)系來(lái)決定的。郭鎖蓮[7]研究了溫度對(duì)斜生柵藻FSP-3生長(zhǎng)的影響，當(dāng)培養(yǎng)溫度為28 ℃時(shí)，藻細(xì)胞的生物量最大，細(xì)胞密度和葉綠素含量等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到較高水平。當(dāng)溫度下降3 ℃時(shí)，總脂的最高值出現(xiàn)，顯示出低溫促進(jìn)油脂積累的現(xiàn)象，由此可以得出最適生長(zhǎng)溫度與最佳油脂積累溫度具有一定差異。

1.3 pH pH是藻類(lèi)生長(zhǎng)環(huán)境的重要理化指標(biāo)，在微藻自養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)影響光合作用中CO2的可用性，并對(duì)微藻細(xì)胞新陳代謝有著重要作用[2]。當(dāng)pH在6.5～7.5時(shí)，斜生柵藻生長(zhǎng)程度較好，藻密度較高。當(dāng)斜生柵藻的顏色由綠色變成黃色時(shí)，培養(yǎng)基的初始pH為6.0或8.0，此時(shí)斜生柵藻生長(zhǎng)速度緩慢，光密度較低。斜生柵藻最適宜的pH 為7.5，該pH與模擬污水處理時(shí)所需的pH相符[3]。斜生柵藻FSP-3的最適培養(yǎng)條件：接種量1×106 個(gè)/mL，培養(yǎng)溫度28 ℃，光照強(qiáng)度6 000 lx和初始pH為6.0～6.5。在優(yōu)化的培養(yǎng)條件下，斜生柵藻的生長(zhǎng)狀況良好，生物量不斷增加，斜生柵藻的胞內(nèi)組分的含量進(jìn)一步提高[7]。

1.4 培養(yǎng)基成分

季祥等[8]為了提高可作為生物質(zhì)能源微藻原料的富油斜生柵藻的生物量，以 BG11 培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，對(duì)碳（C）、氮（N）、磷（P）3種營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，異養(yǎng)培養(yǎng)斜生柵藻的最適碳源為葡萄糖；最適氮源為硝酸鈉；3 種營(yíng)養(yǎng)鹽最佳水平組合為0.15 mg/mL 磷酸氫二鉀、20.00 mg/mL 葡萄糖、2.00 mg/mL硝酸鈉。并進(jìn)行了擴(kuò)大培養(yǎng)，取得了良好的效果[4]。

微量元素鈷是浮游藻類(lèi)代謝、生長(zhǎng)所需要的一種元素。當(dāng)Co2+質(zhì)量濃度在 0.120 0～0.229 1 μg/L時(shí)，斜生柵藻的生長(zhǎng)增殖較快；當(dāng)Co2+質(zhì)量濃度大于 0.284 9 μg/L時(shí)，斜生柵藻的生長(zhǎng)增殖則受到不同程度的抑制[9]。

低濃度重金屬離子對(duì)斜生柵藻和銅綠微囊藻生長(zhǎng)均無(wú)明顯抑制作用，低濃度Cu2+、Zn2+、Mn2+對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)影響不顯著，但濃度較高時(shí)，抑制作用較強(qiáng)[10]。

李靜靜[11]認(rèn)為柵生柵藻生長(zhǎng)的適宜Mn2+濃度是0.5～10.0 mg/L，適宜Zn2+濃度是1.0～10.0 mg/L，超過(guò)最適濃度范圍的上限，則表現(xiàn)出對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)抑制作用。

2 斜生柵藻基因工程的研究

藻類(lèi)的基因工程研究主要集中在模式藻株中，目前仍未建立斜生柵藻等大部分經(jīng)濟(jì)藻的遺傳轉(zhuǎn)化體系。另外，由于藻株間的個(gè)體差異性，模式藻株的轉(zhuǎn)化體系直接應(yīng)用于其他藻株中有很大難度。通過(guò)提高斜生柵藻外源基因的轉(zhuǎn)化效率及其基因的表達(dá)水平，才能進(jìn)一步研究基因功能及代謝調(diào)控，提高斜生柵藻代謝產(chǎn)物的利用效率[7]。郭鎖蓮[7]利用斜生柵藻為試驗(yàn)材料，建立了高效的遺傳轉(zhuǎn)化體系，從而實(shí)現(xiàn)了酵母絮凝基因在斜生柵藻體內(nèi)的成功表達(dá)，轉(zhuǎn)基因柵藻細(xì)胞具有較強(qiáng)的自絮凝能力。

3 斜生柵藻的應(yīng)用

3.1 動(dòng)物飼料

蝦青素是類(lèi)胡蘿卜素的含氧衍生物，屬于類(lèi)胡蘿卜素的一種，有較強(qiáng)的抗氧化活性，并且具有多種保健功效，是一種極具應(yīng)用潛力的次生代謝物質(zhì)，目前蝦青素主要用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的色素添加劑，售價(jià)高達(dá)1 200萬(wàn)元/t，估計(jì)全球每年需求量超過(guò) 20億美元[5]。凌善鋒[12]考察了亞硒酸鈉濃度對(duì)斜生柵藻生物量的影響以及 2.0 g/L亞硝基胍和不同紫外輻射照度脅迫對(duì)斜生柵藻中蝦青素含量的影響，獲得了較高的蝦青素含量。并證實(shí)了添加水楊酸誘導(dǎo)斜生柵藻積累蝦青素的分子機(jī)制[5]。斜生柵藻除了生產(chǎn)蝦青素外，由于其細(xì)胞內(nèi)含豐富的蛋白質(zhì)，還可以用作某些經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)、甲殼類(lèi)及軟體動(dòng)物的飼料或飼料添加劑[13-14]。

3.2 指示生物

因斜生柵藻對(duì)水環(huán)境污染物具有一定的耐受性，可以用作水質(zhì)評(píng)價(jià)的指示性生物。朱術(shù)超等[15]研究了3種藥物及個(gè)人護(hù)理品對(duì)斜生柵藻生長(zhǎng)及光合系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，光合系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對(duì)于反映PPCPs 對(duì)藻類(lèi)的毒性特征具有較高的敏感性及一定的特異性，可作為PPCPs污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的潛在候選生物標(biāo)志物。

3.3 在污水處理方面的應(yīng)用

斜生柵藻通過(guò)光合作用為微生物降解有機(jī)污染物質(zhì)提供氧氣，其本身可直接利用水體中的氮、磷等物質(zhì)不斷生長(zhǎng)，進(jìn)而來(lái)降低水體中有機(jī)物、氮、磷的含量，達(dá)到凈化水質(zhì)的功效。Ho等[16]利用分離得到的7株斜生柵藻處理污水，氮去除率均超過(guò)70%，除氮效果顯著；Li等[17]得到一株淡水斜生柵藻LX1，利用污水二級(jí)出水進(jìn)行生長(zhǎng)，對(duì)二級(jí)出水氮、磷物質(zhì)去除明顯，所得的生物量和油脂含量均高于其他文獻(xiàn)報(bào)道的生物量和油脂含量。好氧顆粒污泥和斜生柵藻的耦合系統(tǒng)對(duì)模擬污水的 COD、氨氮和總磷的去除率分別穩(wěn)定在93.89%、87.64%和91.35%，結(jié)果表明，共生體系優(yōu)于單獨(dú)體系，可強(qiáng)化提高污水中有機(jī)物和氮、磷的去除效果[3]。張玉琳等[18]通過(guò)固定化斜生柵藻來(lái)凈化畜禽廢水中氨氮和磷，取得了較好的效果。張瑩等[19]證實(shí)斜生柵藻能夠完全去除低濃度無(wú)機(jī)磷，并且去磷效果明顯。唐霞等[20]認(rèn)為純柵藻對(duì)石油降解菌表現(xiàn)出非常良好的促進(jìn)作用，并利用除菌后的斜生柵藻與石油組分降解菌構(gòu)建了一個(gè)高效降解原油的菌藻共生體系。

斜生柵藻除了對(duì)有機(jī)廢水有優(yōu)良的去除效果，同時(shí)對(duì)無(wú)機(jī)重金屬?gòu)U水也表現(xiàn)出了良好的吸附特性。劉益浩[21]研究了斜生柵藻對(duì)重金屬的吸附效果，分別從溫度、pH、藻的投加量和吸附時(shí)間等方面考察了斜生柵藻對(duì)銅、鋅、錳、鉛4種重金屬的影響，證明了斜生柵藻對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的吸附性。Bahar等[22]報(bào)道斜生柵藻對(duì)重金屬砷具有良好的吸附性能，在砷污染地下水修復(fù)方面具有巨大應(yīng)用前景。Jie等[23]研究了斜生柵藻對(duì)金屬釩的吸附能力，認(rèn)為在正常情況下對(duì)釩的吸附率達(dá)43%，當(dāng)添加SO2-4和Zn2+時(shí)，斜生柵藻對(duì)金屬釩的吸附率高達(dá)77%，并對(duì)其吸附機(jī)理進(jìn)行了解析。

3.4 在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

在傳統(tǒng)能源消耗量日益增加情況下，斜生柵藻在生物能源方面的巨大潛力引起了較大關(guān)注。斜生柵藻不僅可用于生產(chǎn)生物柴油，在生產(chǎn)氫氣和燃料乙醇方面也有巨大潛能。

有研究者通過(guò)對(duì)微擬球藻和斜生柵藻等6株產(chǎn)油微藻的產(chǎn)油性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)斜生柵藻不僅有較高的油脂含量，而且還具有優(yōu)良的脂肪酸組成，細(xì)胞中富含亞麻酸等多種不飽和脂肪酸，為生物柴油的生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)[19]。研究者隨后進(jìn)一步證明了斜生柵藻可以作為生產(chǎn)生物柴油的理想藻株[24]。Xiao等[25]報(bào)道稱(chēng)，斜生柵藻具有良好的產(chǎn)油能力，在一定條件下，油脂含量最高可占干重的55.0%，且產(chǎn)率最高可達(dá)58.6 mg/（L·d），可作為生產(chǎn)生物柴油的理想材料。Mandal等[13]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在磷源缺乏時(shí)，油脂含量達(dá)到干重的30%。在氮源缺乏的情況下，油脂含量可達(dá)干重的43%，遠(yuǎn)高于對(duì)照組，且比磷缺乏時(shí)油脂含量高；Li等[17]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在氮濃度為2.5 mg/L、磷濃度為0.1 mg/L時(shí)，斜生柵藻的油脂含量最高可達(dá)53%。Breuer等[26]報(bào)道斜生柵藻在合成生產(chǎn)甘油三酰（生物柴油半成品）方面具有巨大前景，最多可積累油脂達(dá)干重的35%，油脂產(chǎn)率在250～320 mg/（L·d）。叢威等[27]通過(guò)建立共生菌體系來(lái)提高斜生柵藻生物量、油脂質(zhì)量，取得了很好的效果。Miranda等[28]、Choi等[29]對(duì)斜生柵藻產(chǎn)乙醇、產(chǎn)氫等方面進(jìn)行了大量研究，證實(shí)了其在產(chǎn)乙醇、產(chǎn)氫方面具有較高產(chǎn)率。

4 結(jié)論

斜生柵藻可以用于CO2的減排、廢水處理和生物能源的生產(chǎn)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。然而，因其研究時(shí)間相對(duì)較晚、實(shí)驗(yàn)室以及實(shí)際應(yīng)用程度不高等因素限制了其大規(guī)模應(yīng)用。綜上所述，對(duì)斜生柵藻研究和應(yīng)用提出以下意見(jiàn)：針對(duì)斜生柵藻的應(yīng)用領(lǐng)域偏少問(wèn)題，應(yīng)擴(kuò)大其領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，特別是污水處理及能源、資源回收方面；借助傳統(tǒng)育種以及基因工程育種手段，將選育出具有自絮凝特性的高效產(chǎn)油斜生柵藻，降低其采收成本；斜生柵藻的綠色、經(jīng)濟(jì)、高效油脂提取技術(shù)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)及完善；利用實(shí)際污水規(guī)?；囵B(yǎng)富油斜生柵藻也是今后研究的重點(diǎn)。

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