王秀良 , 張全斌 , 段德麟

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266071; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

大型海藻是指主要自然分布在海邊潮間帶及潮下帶的低等植物類群。人類利用海藻的歷史悠久, 在亞太地區(qū)的國家如中國、日本、韓國、菲律賓等, 以及歐洲、北美如愛爾蘭、加拿大等地也有將海藻作為食品的傳統(tǒng)。早在公元前1600年的夏、商時(shí)期就有記載, 中國利用海藻為藥用植物[1]。在日本, 很早就有從石花菜中提取瓊膠的技術(shù)[2], 在歐洲, 人們利用海帶、墨角藻、泡葉藻做鉀鹽和鈉鹽, 也有用海藻來做肥料和動物飼料[3]。

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì), 目前, 全世界海藻相關(guān)產(chǎn)品總產(chǎn)值約為50億～70億美元[4]。2016年全世界海藻產(chǎn)量約3千萬噸, 其中96.5%為人工養(yǎng)殖而來[5]。我國海藻養(yǎng)殖源于建國后我國國防及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迫切需要而開展的, 最早是以收集天然馬尾藻為原料進(jìn)行制碘, 其后進(jìn)行褐藻制膠及綜合利用, 因海藻自然資源的受限, 才開始開展嘗試海帶、紫菜等藻類的人工繁育及養(yǎng)殖。目前在全世界, 我國已形成了以海帶、紫菜、龍須菜、裙帶菜等大型海藻養(yǎng)殖及加工為主的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè), 這為國家、社會及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

本文對我國海藻繁育、養(yǎng)殖及綜合開發(fā)的歷程進(jìn)行簡要回顧, 針對中國科學(xué)院海洋研究所在海藻該領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行總結(jié), 對未來海藻研發(fā)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行展望; 為適應(yīng)當(dāng)前轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的需求, 更好地實(shí)現(xiàn)海藻產(chǎn)業(yè)從量向質(zhì)的方向轉(zhuǎn)變, 兼顧海藻增養(yǎng)殖對我國海洋生態(tài)環(huán)境及綠色發(fā)展的效益, 為我國海藻研發(fā)及應(yīng)用提供啟發(fā)和參考。

1 海藻養(yǎng)殖的價(jià)值及意義

海藻養(yǎng)殖可為社會提供食品[6]、工業(yè)用產(chǎn)品[7]、醫(yī)用材料及藥源等。也可作為飼料、肥料和水產(chǎn)養(yǎng)殖的活鮮餌料。海藻養(yǎng)殖也可為海洋生態(tài)環(huán)境的改善發(fā)揮重要作用[8]。與陸生植物相比, 海藻具有較高的碳同化能力[9], 以每100 g干海帶含碳31.2 g, 含氮1.36 g來計(jì)算, 2016年我國生產(chǎn)的海帶可以固碳約38萬噸, 吸收氮約1.6萬噸, 這對于我國碳匯經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將發(fā)揮重要和積極作用。

2 海藻育苗及養(yǎng)殖的回顧

自20世紀(jì)50年代起, 我國嘗試開展海帶、紫菜等藻類的人工繁育, 從最初利用野生海帶進(jìn)行人工增殖, 到建立了海帶等海藻人工育苗技術(shù)體系, 為海藻規(guī)?；B(yǎng)殖提供了充足的種苗。中國科學(xué)院海洋研究所及相關(guān)兄弟單位, 在以曾呈奎先生等為代表的老一輩海藻學(xué)家?guī)ьI(lǐng)下, 從海藻試驗(yàn)生態(tài)、生活史、繁殖的研究, 到繁育、養(yǎng)殖技術(shù)應(yīng)用和中試, 通過不斷實(shí)踐和探索, 建立了許多重要關(guān)鍵技術(shù), 如海帶自然光低溫育苗度夏技術(shù), 海帶淺海筏式養(yǎng)殖技術(shù), 海帶陶罐施肥技術(shù), 紫菜果孢子絲狀體貝殼室內(nèi)培養(yǎng)技術(shù), 海帶、裙帶菜克隆繁育技術(shù), 紫菜自由絲狀體擴(kuò)繁及附苗技術(shù)等, 這不僅引領(lǐng)了我國海水養(yǎng)殖第一次浪潮, 也為其他水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)種類的繁育和養(yǎng)殖提供了借鑒, 同時(shí), 這也為我國海帶、紫菜產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居世界首位提供了技術(shù)支撐, 并贏得了全世界的認(rèn)可和尊重。

目前, 福建夏苗培育不僅滿足南方海帶養(yǎng)殖苗種的需求, 也為我國北方地區(qū)海帶養(yǎng)殖提供補(bǔ)充種苗來源。海帶筏式養(yǎng)殖技術(shù)及自然光全人工夏苗低溫培育技術(shù)是實(shí)現(xiàn)我國海帶養(yǎng)殖產(chǎn)量巨增的前提;紫菜生活史的闡明及殼孢子的發(fā)現(xiàn), 也為紫菜養(yǎng)殖提供了重要的種苗來源。海帶養(yǎng)殖病害研究, 也為海帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐[10-11]。通過室內(nèi)培養(yǎng),可獲得單孢子及酶解葉狀體細(xì)胞苗用于紫菜苗種供應(yīng)[12]。我國南方(廣東、福建、浙江)主要養(yǎng)殖壇紫菜(Pyropia haitanensis), 北方養(yǎng)殖(江蘇、山東)主要是條斑紫菜(Pyropia yezonesis)。近年來, 隨著全球氣候變暖, 我國紫菜產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)了“南菜北養(yǎng)”的趨勢, 而且養(yǎng)殖規(guī)模在不斷增加。現(xiàn)在紫菜育苗, 以培育貝殼絲狀體育苗為主, 以培養(yǎng)自由絲狀體育苗為輔[13-15]。隨著細(xì)胞工程技術(shù)的不斷應(yīng)用, 許多人利用海帶、裙帶菜的絲狀體(配子體), 進(jìn)行分離和保存[16], 其后也開發(fā)出以配子體克隆繁育技術(shù)為主的育苗工藝[17-19], 這可以避免海帶、裙帶菜因孢子體采苗帶來的種質(zhì)混雜。Zhang等[20]報(bào)道 36千克(濕重)海帶配子體, 可制出4億株海帶苗, 滿足1 300公頃的海帶養(yǎng)殖。我國從“九五”起, 就開始了紫菜自由絲狀體的培養(yǎng)和采苗技術(shù)的攻關(guān), 但至今依然沒能在生產(chǎn)中得到推廣和應(yīng)用[15]。

3 海藻遺傳及育種現(xiàn)狀

我國目前是世界上人工養(yǎng)殖海藻產(chǎn)量最多的國家[5], 也是最早開展海帶、裙帶菜品種選育的國家,迄今為止, 海帶、裙帶菜、紫菜及龍須菜均培育出了許多新品種[6], 但這依然滿足不了當(dāng)前各地區(qū)、各海域養(yǎng)殖特別是專一加工的需要。中國科學(xué)院海洋研究所最早提出海帶新品種對海帶養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要, 并參與了我國第一個海帶新品種“海青一號”的培育工作[21]。此后培育的“860”和“1170”兩個高碘、高膠海帶新品系推動了我國海帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[22], 近期通過不同地理品系的雜交培育的海帶“205”也為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)[23]。中科院海洋所培育出的裙帶菜新品種“海寶一號”[24]及龍須菜“981”, 分別為新世紀(jì)以來我國裙帶菜及龍須菜育種領(lǐng)域完成的首個海藻新品種, 其中龍須菜“981”為我國龍須菜的養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)[25]。在海藻遺傳學(xué)分析方面, 對海帶進(jìn)行了高密度 SNP標(biāo)記遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建, 并實(shí)現(xiàn)海帶葉片長度、寬度的QTL定位[26], 從分子水平開展了海帶母系遺傳的研究[27]; 完成海帶葉綠體基因組[28]及核基因組測序。通過建立裙帶菜群體, 實(shí)現(xiàn)了性別關(guān)聯(lián)的遺傳連鎖定位[29]。另外, 對褐藻膠代謝[30-31]及甘露醇代謝[32]相關(guān)的基因進(jìn)行解析, 為褐藻質(zhì)量性狀的遺傳解析打下基礎(chǔ)。此外還開展了孤雌裙帶菜育苗的室內(nèi)研究[33], 中國科學(xué)院海洋研究所海藻遺傳及育種研究在全世界彰顯了其優(yōu)勢和特色。

4 海藻養(yǎng)殖對改善生態(tài)環(huán)境的作用

由于海水魚及其他海洋動物的超負(fù)荷養(yǎng)殖, 帶來富營養(yǎng)化及水體污染等許多問題, 海藻與水產(chǎn)動物混養(yǎng)模式的建立, 將為避免或消除水體的富營養(yǎng)化做出貢獻(xiàn)[34]。早在 20世紀(jì) 80年代, 曾呈奎就提出了水產(chǎn)農(nóng)牧化的建議和設(shè)想[35], 近年來, 中國科學(xué)院海洋研究所又積極倡導(dǎo)通過海洋牧場的建設(shè), 實(shí)現(xiàn)海水養(yǎng)殖的工程化、集約化、生態(tài)化[36]。這對我國許多海域和島嶼實(shí)施的海洋牧場的建設(shè)發(fā)揮了重要引領(lǐng)作用。拿山東榮城市桑溝灣為例, 海灣面積約為 130平方公里,筏架設(shè)施最遠(yuǎn)布置在離岸 15公里處, 每年可以生產(chǎn)100噸魚類、13萬噸貝類、2 000噸鮑魚、80萬噸海帶,平均產(chǎn)出為每年每平方水域7000噸水產(chǎn)品[8]。另外是離岸式養(yǎng)殖技術(shù), 主要因?yàn)榻逗Ｓ蚩衫妹娣e有限,需要開發(fā)出新型深海大流養(yǎng)殖筏架工藝和技術(shù), 需要工程裝備的技術(shù)集成, 滿足離岸養(yǎng)殖的需要。目前, 該技術(shù)已在山東榮成、長島海域進(jìn)行了推廣和應(yīng)用。

5 海藻活性物質(zhì)與高值化利用

中國科學(xué)院海洋研究所也是我國最早從事海藻化工技術(shù)研發(fā)的單位, 率先開展海藻化學(xué)研究、化工制備研發(fā)。1953年利用馬尾藻試制褐藻膠獲得成功, 經(jīng)北京醫(yī)學(xué)院試制彈性印模(牙模), 證明可以使用[37], 1954年建立了我國第一個褐藻膠車間, 奠定了我國海藻化工行業(yè)的基礎(chǔ)。隨著我國人工養(yǎng)殖海帶成功, 開展了海帶綜合利用研究, 研究了海帶主要化學(xué)成分隨季節(jié)、地區(qū)等的變化規(guī)律, 初步確定了一套較完整的海帶綜合利用方案, 可以同時(shí)提取褐藻膠、甘露醇、碘、氯化鉀等成分[38]。20世紀(jì)60年代初期對工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化, 確定了海帶綜合利用工藝路線, 在我國率先開發(fā)出海帶的“三大寶”：碘、褐藻膠、甘露醇, 結(jié)束了我國碘缺乏的歷史[39]。20世紀(jì)50年代開始紀(jì)明侯等也對瓊膠開始開展研究,1957年改進(jìn)了一種瓊膠凝膠強(qiáng)度測定器, 研究了瓊膠的提取與處理?xiàng)l件, 確定了瓊膠制備工藝[40]。20世紀(jì) 70年代史升耀等率先開展瓊膠素和珠狀瓊膠素凝膠的研制, 提出了堿-DEAE纖維素法制備瓊膠素[41]。20世紀(jì) 70年代起開始開展卡拉膠研究, 研究了我國不同紅藻中卡拉膠的提取和處理?xiàng)l件, 確定了卡拉膠制備工藝。上述研究為我國海藻高值化利用產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在海藻化學(xué)領(lǐng)域, 先后有“水產(chǎn)品綜合利用——海帶及鹵水提碘”獲得全國科學(xué)大會獎, “海藻的綜合利用”, “瓊膠素的研制”, “后期紫菜制取細(xì)菌培養(yǎng)基用瓊膠”,“鑄造膠的研制及應(yīng)用研究”, “甲醛、堿預(yù)處理海帶低溫低堿消化提取褐藻膠工藝”, “卡拉膠、瓊膠的研制”, “海藻碘的應(yīng)用研究——活性碘海藻晶”, “卡拉膠寡糖與甘露醇衍生物的制備與生物活性”等成果分別獲得省部級獎勵。

海藻也含有許多陸地植物所不具有的活性物質(zhì),這是海洋藥物的重要來源。中國科學(xué)院海洋研究所在20世紀(jì)70年代以海帶中的甘露醇為原料, 合成了煙酸甘露醇脂, 并開展了藥理臨床試驗(yàn)研究證明煙酸甘露醇酯具有較好的降低血脂和擴(kuò)張血管作用,作為國內(nèi)首創(chuàng)新藥在1985年獲批投產(chǎn)上市[42]。徐祖洪等在國內(nèi)首先開展褐藻天然硫酸多糖—褐藻多糖硫酸酯的研究, 建立了利用海帶綜合利用副產(chǎn)物制備褐藻多糖硫酸酯的工藝, 提升了海帶綜合利用價(jià)值[43], 發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯是海帶利水消腫主要活性成分, 對慢性腎衰具有顯著治療作用[44], 研制了治療慢性腎衰的海洋新藥褐藻多糖硫酸酯(原料藥)和海昆腎喜膠囊, 并在 2003年獲得新藥證書,臨床試驗(yàn)結(jié)果表明該藥對慢性腎衰患者具有降低血清尿素氮、肌酐, 改善腎功能, 延緩腎衰進(jìn)展的臨床療效, 總有效率 85.5%, 明顯優(yōu)于對照藥物,同時(shí)對如惡心、嘔吐、納差、腹脹、身重、困倦、尿少、浮腫等情況有良好的改善作用。膠囊藥劑是人們經(jīng)常服用的藥物之一, 藥劑的外殼就是空心膠囊。韓麗君等利用海藻多糖原料開發(fā)了海藻多糖空心膠囊, 與傳統(tǒng)的明膠膠囊相比, 具有低含水量、低水汽透過性、抗脆碎、高溫耐受性、化學(xué)惰性、快速崩解、室溫可溶等優(yōu)勢, 是一種優(yōu)質(zhì)的明膠膠囊替代產(chǎn)品, 于2005年獲得藥輔證書。近年來, 張全斌等聚焦腎病、神經(jīng)退行性疾病、血管疾病等海洋活性糖類化合物的發(fā)現(xiàn)與評價(jià), 發(fā)現(xiàn)了多個具有顯著活性的海藻多糖/寡糖[45]。王斌貴和史大永等對海藻鹵代化合物進(jìn)行了研究, 分離到數(shù)百個海藻鹵代化合物, 部分化合物具有顯著降糖、抗腫瘤等活性[46-47]。

6 結(jié)論與展望

海藻產(chǎn)業(yè)是海洋農(nóng)業(yè)的重要組成部分, 相比其它水產(chǎn)行業(yè), 其產(chǎn)業(yè)鏈最長, 建立的繁育、養(yǎng)殖及加工利用技術(shù)最完備。以海帶為例, 從20世紀(jì)50年代起, 我國年產(chǎn)僅幾十噸, 現(xiàn)在已達(dá) 100萬噸(成品),而且我國整個海藻養(yǎng)殖產(chǎn)量以每年8%的速度遞增?；仡櫄v史, 該領(lǐng)域依然面臨許多問題。1)養(yǎng)殖種類有限, 迫切需要增加養(yǎng)殖海藻新種類、新品種; 2)海藻苗種培育及海上養(yǎng)殖依然受到病害的侵?jǐn)_, 需要繼續(xù)加強(qiáng)海藻病害的研究和應(yīng)用; 3)海藻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵是苗種, 如何建立高效、集約化的種苗培育技術(shù)工藝, 滿足規(guī)?；Ｔ屦B(yǎng)殖的需要是重中之重; 4)采用新技術(shù)開發(fā)海藻功能食品、保健品、化妝品等新產(chǎn)品, 不僅可以促進(jìn)海藻產(chǎn)業(yè)向更高水平的發(fā)展, 也為百姓健康提供更多、更好的海藻產(chǎn)品。

我們深信, 隨著科技不斷發(fā)展和進(jìn)步, 中國海藻產(chǎn)業(yè)將從過去的粗放型發(fā)展階段進(jìn)入綠色、高效發(fā)展階段, 這不僅可以緩解當(dāng)前因全球氣候變暖、海洋酸化所帶來的許多海洋環(huán)境問題, 也為促進(jìn)我國海洋經(jīng)濟(jì)向更高質(zhì)量方向發(fā)展做出貢獻(xiàn)。