富营养化湖泊中藻类蛋白特征及其资源化开发

程宇凯，秦可娜，魏亮亮，涂剑成，赵庆良

(1.南昌水业集团，南昌330025;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)

水体富营养化是指生物营养物质氮(N)、磷(P)等无机营养物质大量进入相对封闭或水流缓慢的水体后，在适宜的水域物理化学环境因素综合作用下，引起藻类及其他浮游生物大量繁殖，水质恶化，甚至鱼类及水生生物大量死亡的现象[1].目前环境领域中所说的水体富营养化多指由于人类的过度活动引起的水体中氮、磷等营养物质富集的而使浓度过高的现象，通常情况下，水体富营养化在诸如湖泊及水库等封闭水体中较容易出现[2－3];当前我国湖泊面积70 988 km2，约占全国陆地总面积的0.8%，大于1 km2的天然湖泊有2 300余个，据统计2013年我国富营养、中营养和贫营养的湖泊(水库)面积比例分别占到总湖泊(水库)面积的 27.8%、57.4% 和 14.8%，水体富营养化严重[4].此外，我国的湖泊环境非常脆弱，再加上湖泊中的营养物质来源广、背景浓度高，使得湖泊富营养化进程有进一步加速的趋势，如武汉东湖、杭州西湖、云南滇池、南京玄武湖、江苏太湖等富营养化严重[5－6].

1 富营养化水体中的藻类

藻类是水体生态系统中最主要初级生产者，绝大部分藻类个体较小、营养丰富、生长繁殖迅速、环境适应性强，能对太阳能高效利用，是水体富营养化的一个重要特征[7－8]，不同的水体中的藻类分布不同，其中在淡水水体中的藻类主要有绿藻，蓝藻等，而在咸水水体中的藻类主要有甲藻、蓝藻等.虽然藻类是水体富营养化的罪魁祸首，但是，藻类作为一种高蛋白和高糖的天然物质，其自身有很多经济实用价值，怎样对富营养化水体中的藻类加以利用，成为我们控制水体富营养化的另一条出路.

2 藻体蛋白的性质及生态功能

2.1 藻类的生态学特性

藻类通过光合作用进行生长，可在富营养化水体中大量繁殖，因此利用水面生产高质量的藻类蛋白质，可实现江河湖海农牧化，可解决耕地资源减少给农业的发展带来的困难等问题[9].藻类生长过程中的光合作用可吸收CO2，并释放氧气，在完成藻类自身生长的同时，优化空气质量.例如在实际生产过程中若生产200 g鲜藻，约放氧66.6 L，相当于246 m2草坪的放氧能力[10].所以，藻类蛋白资源的开发利用，在实现藻体中有用物质资源化利用的同时，将发挥藻类生态学功能，必将为人类社会的发展做出巨大的贡献.

2.2 藻类中蛋白的含量及特性

藻类具有极强的光合成能力，藻类的光能利用率可达18%，光合效率达43%，是一般农作物的1.4～3倍，故其具有生长繁殖快，周期短(人工栽培时从接种培养到收获只需5～8 d).此外，藻类中蛋白质含量极高，一般藻体干细胞中蛋白质的含量约占到50% ～70%，故每公斤干藻含植物中蛋白可达500～700 g，该部分蛋白可作为食品、保健品等加以开发利用[4].蓝藻作为藻类中较特殊的一种，在富营养化湖泊中大量繁殖生长，其主要成分为藻胆蛋白、多糖、脂肪、氨基酸等，通常情况下1t蓝藻干物质经加工后可生产天然蓝色素50 kg、藻多糖 10 kg、藻毒制品 1 kg[11].

2.3 藻类蛋白的营养学特性

藻体中含有大量的高蛋白物质和不饱和脂肪酸(PUFA)，其中PUFA的主要成分为二十五碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)，上述营养物质不仅价值高，且无腥臭味，不含胆固醇[12]，另外，藻体蛋白中还有鱼类等赖以生存的微量元素.所以，藻体蛋白还可以作为渔业中的饲料，即达到了去处藻类的作用，还可以产生巨大的经济效益.

3 藻体蛋白的综合开发利用

3.1 藻蓝蛋白在食品、医疗等领域的开发应用

藻蓝蛋白是蓝藻、红藻等藻类中特有的捕光色素蛋白[13]，其质量分数约占藻体细胞干质量的18%，在食品、医疗、化妆品等工业领域均有广泛应用[14－15].藻蓝蛋白作为一种少见的水溶性色素蛋白，颜色鲜艳，可作为天然食用色素改善食品色泽;藻蓝蛋白具有齐全的氨基酸组成，必需氨基酸含量高，是一种营养丰富的蛋白质，如目前我国已有10余种以螺旋藻片和胶囊为主要成分的保健食品.据科学研究表明，藻蓝蛋白具有刺激红细胞集落生成，可提高人体免疫力、促进血红细胞生成、抑制癌细胞，故其在医疗领域具有广泛的应用前景.陈红兵[16]等研究发现藻蓝蛋白对短暂性脑缺血后的神经元损伤有明显的保护作用;李继发[17]等研究表明藻蓝蛋白对胰岛细胞具有一定的保护作用;章申峰[18]等报道浓度大于40 μmol/mL的藻蓝蛋白可在体外显著抑制肺腺癌细胞的生长;Haizhen Wang[19]等发现藻蓝蛋白的p亚基具有抗癌作用.此外，藻蓝蛋白还具有抗氧化、清除自由基等特性[20]，能起到补血、丰胸的作用;Patel等[21]进行了藻蓝蛋白体外抗氧化活性研究，发现其对过氧化氢基团和羟基的消除效果良好.Romay等[22]证明从极大节旋藻中提取的藻蓝蛋白具有抗炎症和抗氧化的作用.藻蓝蛋白还具有优良的荧光特性、理想的光敏作用，其具有很强的二次电子发射能力和优良的光电性能，可作为细胞和分子的荧光标记物[23－24].目前，藻蓝蛋白常用的提取方法有反复冻融法、双水相萃取技术、化学试剂处理法、膜分离技术、溶胀法、扩张床吸附技术、超声波法等[25－26].

3.2 藻类中蛋白在光电材料中的开发应用

藻胆蛋白中具有光合作用的捕光功能的蛋白主要分为藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白、藻红蓝蛋白和藻红蛋白四大类.藻胆蛋白一般含有α和β亚基，上述亚基中则含1～2个辅基色素，使得藻胆蛋白具有特殊的光谱吸收性质，对光的响应性灵敏度高，通常情况下可在可见光范围内完成光电信息转换，故有研究者已将基于藻胆蛋白开发出新型的生物光电材料.周林等采用静电组装技术成功地制备了基于B－藻红蛋白的多层复合薄膜，所制的薄膜的最大吸光度和光致发射强度均与组装层数呈线性递增关系，光学效应明显[27].周明等通过将人体红细胞膜上的血型糖蛋白A中的跨膜片段基因和藻红蓝蛋白基因片段的N端的分子设计，实现了α－PEC的分子构建，为藻红蓝蛋白在生物光电材料中的应用打下了基础[28].总体上，藻蛋白的可逆光致变色特性强、耐热性好、耐疲劳性强、可固定性好，具有的独特的应用前景.如赵开弘等人经过对天然藻红蓝蛋白α亚基(α～PEC)研究指出:1)在pH为7.2下提取的α～PEC稳定性较好，可长期保持较高的可逆光致变色特性;2)α～PEC具有较好的热稳定性，在60℃以下能长期保持高光化学活性;3)α～PEC在反复循环光照上万次后仍具有光化学活性，耐疲劳性强;4)琼脂糖是α～PEC较好的固定包埋剂，包埋工艺简单，透明度高，有利于通过对α～PEC的固定化构建光电器件，实现光电信息转换[29].

3.3 藻胆蛋白生物探针开发

藻胆蛋白作为一种新型的性能优良的生化探针广泛应用于免疫细胞化学、免疫组织化学、流式细胞荧光测定、荧光激活细胞分选、共聚焦激光显微镜、单分子检测等荧光免疫分析测试[30].20世纪80年代初，美国加利福尼亚大学的Glazer等[31]最先研制藻胆蛋白探针，通过双功能试剂SPDP将藻红蛋白和生物素等交联，发现交联后的藻红蛋白其发射光谱和荧光产量没有改变，并且藻红蛋白荧光检测具有极高的灵敏度.Parks等人[32]于1984年又将别藻蓝蛋白开发为荧光探针.此后，藻胆蛋白荧光探针相继在医学检测、人源疾病病毒、动物病毒、植物病毒检测中应用，陈良华[33]将藻红蛋白荧光探针应用在烟草花叶病毒的免疫荧光检测，具有较好的特异性;颜世敢等[34]首次应用纯化的R－藻红蛋白与H9亚型禽流感病毒抗体交联制备荧光探针，成功用于H9亚型禽流感病毒的检测.与传统荧光染料相比，藻胆蛋白荧光探针具有如下优点[35]:1)藻胆蛋白在pH=4～10之间吸收光谱无明显变化，液、固状态的藻胆蛋白均十分稳定;2)光吸收能力强，色基多，荧光量子产额高;3)荧光波长在550～700 nm的橙红光区，荧光背景干扰少;4)藻胆蛋Stokes位移大，高达80 nm，而普通荧光素通常小于30 nm;5)藻胆蛋白等电点在4.7～5.3范围内，生理溶液中带负电荷，较难发生非特异性吸附;6)天然生物大分子不会使其荧光猝灭;7)其表面具有如－SH基等活性基团，交联方便;8)藻胆蛋白在溶液状态下极其稳定，与抗体结合后不影响其光谱特性，且能保持抗体免疫特征.藻胆蛋白正因为有上述优点，其在免疫检测上显示出广泛的应用前景.

3.4 藻胆蛋白在环境监测方面的应用

水体富营养化引起蓝藻等水生植物异常生长，导致部分水体出现水华或赤潮现象严重破坏了水体生态平衡，因此及时掌握蓝藻分布，实现对蓝藻连续实时原位监测，是水华预警的重要环节[36].藻蓝蛋白和藻红蛋白是蓝藻进行光合作用时吸收、转化和传递光能的重要辅助色素，这两种色素具有特征性的荧光光谱吸收峰和发射峰，可用来进行荧光特性分析，故在环境污染监测方面发挥巨大的作用.虽然荧光分析法会受到细胞世代、营养盐浓度、光照条件等外部因素影响，但因其操作简易仍然是检测蓝藻生物量的较好方法，目前国内外已广泛应用这种方法监测水库、湖泊中的蓝藻并对其进行卫星遥感监测.陈纬栋等[37]通过对蓝藻活体进行荧光光谱扫描，确定藻蓝蛋白的最佳荧光激发、发射波长，建立了蓝藻生物量与藻蓝蛋白特征荧光强度之间的关系.Dekker等[38]通过对藻蓝蛋白进行监测的方法，较为详细的研究了澳大利亚昆兰士东南水域中的蓝藻.李发荣等[39]使用荧光水质监测仪及时获取了蓝藻生物量数据，并与3S技术结合，形成可视化的滇池蓝藻浓度分布图，为水环境监测提供技术支撑.

3.5 藻蛋白中藻毒素的开发应用

已知的蓝藻藻蛋白毒素主要是两类:1)肝毒素，主要包括七肽微囊藻毒素、moipurin等，以微囊藻毒素为代表;2)神经毒素，主要以鱼腥藻毒素为代表[40].如滇池中蓝藻的主要优势藻为微囊藻，微囊藻毒素主要是由Microcystis、Anabaena、Oscillatoria、Nostoe等属中的种类产生[41]，上述藻毒素可引起肝损伤，是已知的促肿瘤形成因子之一.但是，藻毒素作为一种天然的毒素，在生物、制药等方面有很大的用处，故对藻毒素的开发应用的前景十分明朗.如在富营养化湖泊中较为常见的鱼腥藻分子结构具有半刚性，不易被酶解，能作用于突触后膜，是一种高效拟胆碱去极化神经肌肉阻滞剂[42－43]，由于其高活性和分子刚性，成为研究烟碱样胆碱受体与配基相互作用的有效探针[44].申晴等[45]将微囊藻毒素(MC－LR)做为模板，以邻氨基酚为单体，应用循环伏安法在金电极的表面电聚合成膜分子印迹材料，制成了可快速检测富营养化水体中微囊藻毒素的传感器.另微囊藻毒素因其稳定的化学结构，其对肝脏极强的靶毒性引起医学界高度重视，有研究学者设想将其脱毒后作为研究肝病的专一性载体.

3.6 藻蛋白中色素的提取及应用

从微藻中可以提取的色素主要有β－胡萝卜素、虾青素、藻蓝蛋白等[46].如 β－胡萝卜素可以从杜氏澡中提取，虾青素可从雨生红球藻中提取，而藻胆蛋白可从蓝藻、红藻、雨藻中提取.所有这些色素在社会生产生活中都有很广泛的用途，是未来藻蛋白开发过程中的一个重要方向.藻蓝蛋白色素多从念珠藻、蓝藻、螺旋藻中提取，主要成分为藻青素[47].如从螺旋藻提取的可食用色素[15]以叶黄素及胡萝卜素为主要组分，另其中含有的蓝色素更是目前天然食用色素品种中较罕见的色素之一.目前，从藻类中提取色素的常规工艺主要包括CO2超临界萃取技术(SPE)和溶剂法等[27－28].从藻蛋白中提取色素可解决目前天然色素开发中原料来源少、价格昂贵等问题，还可解决水体富营养的问题，可谓一举两得.

3.7 藻胆蛋白作为药品的研究及应用

藻蛋白的特殊化学结构使得其在药品的开发方面具有很大的潜力，如藻胆蛋白具有一定的抗病毒活性，对抑制肝肿瘤细胞的淋巴细胞活性方面效果显著，可提高肌体免疫性.2003 年，Shih等[48]研究发现从钝顶螺旋藻中提取的别藻蓝蛋白能有效抑制肠道病毒，有望开发成抗肠道病毒药物.哈佛医学院的Schwardz和Shilar在1986年就发现藻胆蛋白对一些癌细胞有抑制作用[49].此后Morcos等用0.25 mg/mL的藻蓝蛋白处理小鼠骨髓瘤细胞，在激光辐射对照下细胞存活率由15%提升到71%.研究还表明藻蓝蛋白对骨髓造血具有刺激作用，可用于临床辅助治疗各种血液疾病，对血癌有治疗作用[50];另外，藻体中的多糖可提高机体抗病毒和抗肿瘤能力，提高机体的免疫调节作用等[40].除此之外，藻体蛋白在艾滋病的防治方面具有很大的开发潜力，如1997年 Boyd等[41]从蓝藻 Nostoc ettipsosporum中分离得到一种具有独特的抗病毒活性的水溶性糖蛋白 Cyanovirin，Cyanovirin能与病毒表面衣壳蛋白上的甘露寡糖结合，阻止病毒与宿主细胞表面的受体结合，对各种严重的RNA逆转录病毒具有抗病毒活性.上述获得的抗病毒多肽经基因工程改造并大规模生产后可作为艾滋病治疗药物[29].

3.8 藻蛋白其他方面的应用

藻类除了在以上几个方面的应用之外，在生物抗生素、动植物生长促进剂方面也有很大的开发前景，下面就介绍一下藻蛋白在这两方面的一些应用.

生物抗生素:利用海洋微藻可以用来生产用于人类或动物健康方面的活性化合物，从蓝藻中已分离提取的诸如有机酸、脂肪酸、溴酚、丹宁、多糖及醇类的许多抗生素，具有抗癌、抗细菌、抗真菌及抗病毒活性化合物的作用，有些抗生素甚至在抗肿瘤、抗艾滋病方面有重要作用.

动、植物生长促进剂和调节剂:小球藻蛋白及螺旋藻蛋白的部分组成成分能加速动物细胞的生长速率，某些微藻蛋白提取液能促进植物生根、发芽、生长等.

4 结语

藻类蛋白的高利用价值越来越受到学者的广泛关注，并且有大量的学者就富营养水体的藻类利用展开了研究.可以看出的是，对藻类的开发利用不仅能够实现对富营养化水体中藻类的资源化利用，而且能够实现对污染水体的综合治理，可谓一举两得.另外，藻体蛋白的综合利用涉及光电材料、生物探针、卫生保健、医药开发、色素生产等诸多领域，不仅应用范围广，而且与我们人类的日常生活息息相关，前景十分广阔.

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