小球藻水环境毒理学研究进展及应用前景

钱信宇 刘简 杨晓曦 王钰钦 郑尧 吴伟

摘要：小球藻作为水体中的初级生产者，是水生生态系统不可或缺的一部分，对促进物质循环、能量流动有着重要意义，同时也是水环境毒理学评价的标准试验藻种。为了给小球藻的水生态风险评估及相应产品的开发提供参考数据，本文系统分析了小球藻培养影响因素，概括了其产生的毒理效应，并对其营养价值与应用前景等进行了综述。本文认为温度、光照、pH、营养盐、氮磷比是小球藻规模化培养过程中的影响因素，重金属、农药、新型纳米材料、抗生素等污染物可对小球藻产生毒性效应，小球藻在污水处理、生物能源等领域具有较好的应用前景。

关键词：小球藻；水生态风险评估；营养价值；生物柴油；污水处理

中图分类号：S949，X52文献标志码：A论文编号：cjas2020-0026

Aquatic Environmental Toxicology of Chlorella pyrenoidosa Chick.： Research Progress and Application Prospect

QIAN Xinyu1， LIU Jian1， YANG Xiaoxi1， WANG Yuqin1， ZHENG Yao1，2， WU Wei1，2（1Wuxi Fishery College， Nanjing Agricultural University， Wuxi 214081， Jiangsu， China； 2Freshwater Fisheries Research Center， Chinese Academy of Fishery Sciences， Wuxi 214081， Jiangsu， China）

Abstract： Chlorella， a primary producer in the water body， is an indispensable part of the aquatic ecosystem. It is of great significance for chlorella to promote material circulation and energy flow. Chlorella is also a standard test algae species for toxicological evaluation of aquatic environment. In order to provide a basis for assessing the aquatic ecological risk of chlorella and developing its relative industrial chain， this paper analyzed the influencing factors during the process of chlorella culture， summarized the toxicological effects of pollutants on chlorella， and discussed its nutritional value and application prospect. Results show that the temperature， light， pH， nutrients， nitrogen/phosphorus ratio are the influencing factors in the process of large-scale cultivation of chlorella. The heavy metals， pesticides， new type of nano materials， antibiotics and etc. could cause significant toxic effects on chlorella. Chlorella has a good application prospect in the process of sewage treatment， bioenergy utilization and other fields.

Keywords： chlorella； water ecological risk assessment； nutritional value； biodiesel； wastewater treatment

0引言

小球藻（Chlorella pyrenoidosa Chick.）是绿藻门、绿藻纲、绿球藻目、卵孢藻科、小球藻属的一种普生性单细胞绿藻，也是一种广泛分布于自然界的高蛋白、高多糖、低脂肪、富含多种维生素及矿物质的藻类，以淡水水域种类最多，存在少量海水种。目前，世界上已知的小球藻有10种左右，加上其变种可达数百种之多。小球藻直径约3～8μm，呈球型或椭圆形，体积微小，无鞭毛，因繁殖快、藻液分布均匀不易沉降以及与污染物接触充分等原因备受关注。此外，小球藻还可以增强动物免疫能力，具有促进生长、抗氧化、抗肿瘤等生理功能。目前，小球藻已经广泛应用于动物饲料、食品添加剂、美容产品、食品开发、医药保健、生物能源等领域[1]。

近年来，对小球藻的研究逐渐深入且广泛。作为水生生态系统中的初级生产者，小球藻是水体微藻群落中的常见优势种，其在水体氮、磷转化及生态平衡调节中占有重要的地位。作为一种单细胞蛋白，其不仅可作为水体中水生动物幼体和浮游动物的天然饵料，而且因富含营养，可作为功能食品开发。小球藻能起到稳定和优化水体微藻群落结构，快速吸收转化有毒有害物质，实现养殖水质的凈化[2]。同样，小球藻作为水环境毒理学常用的标准试验淡水绿藻种和指示生物，用以评价水体生态的稳定性和相关物质的生态毒理效应[3]。

在此背景下，小球藻的应用领域在不断地拓宽。但目前小球藻的规模化培养技术存在一定的缺陷。现今小球藻大多采用的是粗放式的培养技术，极易受到光照、温度等自然因素的影响以及杂菌、杂藻的污染，而且培养的小球藻可富集培养水体中可能存在的重金属、抗生素等微污染物质并产生毒理作用，抑制小球藻的生长与繁殖，影响小球藻的质量安全，从而限制了小球藻产业的发展。因此，如何获得稳定高产的小球藻纯种、获得规模化纯培养的安全的小球藻藻液是制约其应用与开发的关键因素。本研究分析了影响小球藻生长繁殖的主要因素，对小球藻规模化、精细化培养技术进行了归纳总结，在此基础上对其有效的开发利用进行了综述，以便为微藻产业的持续发展提供数据参考。

1小球藻的培养技术概况

小球藻的培养方式可以分为自养、异养和混合培养3种方式。小球藻是光合自养生物，但是小球藻也可改变其代谢途径进行异养生长，同时小球藻的异养或兼养培养可以提高小球藻的细胞密度，有利于油脂的积累。异养培养（55%）的小球藻脂肪含量是自养培养（14%）的4倍。但适合异养培养的藻种受培养条件的影响很大，很难实现大规模工业化生产[4-5]。

1919年小球藻的纯培养物在实验室进行纯培养，小球藻可以进行光合作用，从而为小球藻的自养研究拉开了序幕。自养是主要的营养方式，利用光合作用将二氧化碳转化成碳水化合物储存起来。自养培养具有操作简单，培养成本低和适合绝大多数微藻等优点，是目前实现产业化微藻培养的主要方式。在光合作用的过程中，小球藻的光合元件将吸收的光能转化为生物可以利用的还原剂和高能磷酸键，并且将两者用于二氧化碳的固定和其他需要能量的过程[6]。但是自养培养也存在一些缺点，例如藻的生长量偏低，藻的生长易受光照等条件限制等困难。

小球藻的异养培养是指用一种或多种有机物作为能源（如碳源），可在黑暗中生长。在无光条件下，小球藻以异养方式利用有机碳源，尤其是较低价值糖类物质，这种培养方式避免了光自养培养过程中光抑制或光限制等问题，优点是能进行高密度培养、生长周期短、降低能耗并节约成本、藻体生长量大和油脂含量高等，可达到工业化大规模高密度培养小球藻生产高附加值代谢产物的目的[7]。但也存在缺点：有机碳源的使用导致生产成本过高且过量使用会抑制藻的生长，培养过程中易被污染。

由于小球藻兼具自养和异养2种营养方式，混合培养应运而生，混合培养是指同时吸收CO2和有机碳，同时进行光合代谢和呼吸代谢营养方式。即有光的吸收和转化、有机物的同化、二氧化碳的运用等。混合培养的小球藻生物量更大、生长速度更快，但也具备异养培养的缺点[8-10]。

小球藻的高密度大规模培养是实现小球藻产业化发展的必经之路，但必须采用一定的培养系统以保证小球藻油脂的生产和产油的稳定性。最常见的培养系统有密闭式和开放式2种，且不同的培养系统有各自特点，开放式培养主要是在户外，用一些池塘或者盆进行培养，主要利用自然的条件，生产规模化，成本低，但是因为很多因素都是自然条件，并不能人工控制，所以不确定变化很大。密闭式培养主要是利用光生物反应器进行小球藻的培养，用封闭的玻璃管，玻璃筒，玻璃水槽来进行培养[11]。因此，需要根据其生长特性、气候状况等多种因素，综合考虑从而选择合适产业化生产的培养方式。

2小球藻培养过程中的影响因素

2.1温度

温度是影响小球藻代谢活动的重要因素之一，除了影响小球藻的生长外，还能影响小球藻的代谢产物。小球藻最适培养温度为20～30℃，低于15℃或高于35℃，都不利于小球藻的生长。

2.2光照

光照对于小球藻有着重要作用，小球藻的光合作用及其他代谢活动都需要光照才能正常进行。自然光照和人工光照都可以促进小球藻的生长，若有条件，自然光照更优[12]。光质对小球藻的光合作用也有很大的影响。小球藻细胞中的叶绿素等光合色素对不同光质的吸收利用有很大差异。实验发现，悬浮液中培养的小球藻在红黄光的照射下培养一段时间后，小球藻的生物量和产氧量与用白光培养的对照组并没有显著差异。实验结果表明，红黄光很可能是小球藻光合作用吸收利用的主要光质[13]。

2.3 pH

pH是影响小球藻培养的重要因素。藻类生长在不同pH条件的环境中，环境酸碱度和碳酸盐平衡系统及不同形态无机碳分配关系不同，从而影响了小球藻生长。不同的pH影响了小球藻的光合作用，进而影响了小球藻对于无机物的积累，同时pH对小球藻的叶绿素荧光、叶绿素含量、细胞密度和生长竞争能力也有着显著影响[14]。不同的pH对小球藻的生长均有一定程度的促进与抑制作用，小球藻适应值为pH 6～10，最适值为pH 7～8[15]。只有控制好pH，才能成功培养小球藻。

2.4营养盐

营养盐是培养小球藻生长的必需物质，如果短时间缺少营养盐，虽不会造成小球藻的快速死亡，但是会导致小球藻的生长分裂停止。在单胞藻的培养中添加NaHCO3，不僅能有效地增加培养液中CO2的供给，而且还能缓解pH的升高，从而促进藻类细胞快速繁殖，寻找合适的碳源，成为小球藻培育达到高产高效的最终目的[15]。但值得注意的是，在藻类生长的同时CO2不断被吸收消耗，NaHCO3解离出的CO32-不断增加会和Ca2+结合形成沉淀，沉淀会附着在瓶壁影响光照和小球藻的繁殖。

2.5氮磷比

合适的氮浓度可以明显缩短小球藻的生长适应期，使藻细胞快速过渡到对数生长期，以获得较高的藻细胞数量和干重。氮磷比不仅决定藻类生长繁殖，而且是微藻种间竞争的关键因子。合适的氮浓度可以明显缩短小球藻的生长适应期，使藻细胞快速过渡到对数生长期，以获得较高的藻细胞数量和干重。此外，氮浓度和磷浓度还会对藻细胞内的脂质含量、组成具有显著影响。

有学者以NaNO3和KH2PO3作为氮源和磷源，研究了氮磷比对蛋白核小球藻和湛江等鞭金藻种间竞争的影响。结果表明：在单养模式下，蛋白核小球藻生长适宜为N/P 4～22，N/P>22时其生长受抑制，而湛江等鞭金藻生长受N/P影响不明显；共养模式可促进蛋白核小球藻的生长，而抑制湛江等鞭金藻的生长；在N/P为13和16时蛋白核小球藻种群竞争优势最为明显[16]。

此外，氮磷浓度还会对小球藻产脂率产生一定影响。研究表明正常生长的普通小球藻在经过一段时间的缺氮培养后，油脂含量也有所提高。氮缺乏可导致微藻蛋白质含量降低，而碳水化合物或油脂含量升高。氮胁迫虽然可以大幅度提高微藻胞内油脂的含量，但同时微藻的生长也受到了限制，生物量较低，油脂产率因而并没有得到大幅度的提高。在能源短缺和全球变暖两大危机的背景下，微藻生物柴油作为一种优良的可再生能源具有重大战略意义，微藻能源产业化也已成为世界各国研究与发展的重点。

3小球藻水环境毒理学研究进展

3.1重金属

随着工业化和城市化的快速发展，各类重金属的使用日益增加，重金属污染的来源主要包括工业污染、交通污染、生活垃圾污染、农业污染等等。环境中常见的重金属污染物有：汞（Hg）、镉（Cd）、锰（Mn）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）等。重金属对藻类的毒性作用主要表现为阻止细胞分裂，抑制藻类的生长速率，降低酶的活性以及影响光合作用效率等。目前针对重金属对藻类毒性效应的研究大多集中于重金属对藻类生长繁殖的影响上。

重金属对小球藻的毒性影响是时间和金属浓度共同作用的。低浓度的Cr3+使藻细胞的叶绿素含量增加，在一定程度上刺激了叶绿素的合成，高浓度的Cr3+可能破坏了小球藻的叶绿体，导致光合色素浓度的降低，限制了色素的合成；随着Cr3+浓度的逐渐增加，小球藻中可溶性糖和蛋白质的含量基本呈现先上升后下降的趋势[17]。叶绿素a对重金属胁迫的变化更为敏感，这表明叶绿素a含量的抑制率随重金属浓度的增加而增加。重金属Mn2+和Pb2+可能在低浓度时促进藻类的生长，但在高浓度时显示出明显的抑制作用[18]。小球藻在重金属胁迫下具有逐渐适应的过程，随着胁迫时间的延长，小球藻受到的生长抑制作用减弱。

3.2农药

农药对小球藻的毒性作用机理十分复杂，经过长时间不断进行农药对小球藻的毒性试验研究，人们越来越深入了解到农药对小球藻的毒性作用大致可以分为3类。

第一类是影响藻类的生物膜，研究发现，对硫磷、久效磷和辛硫磷等有机磷农药可以通过使藻类细胞产生大量的活性氧，从而导致藻类细胞膜发生脂氧化，严重时出现裂纹现象，破坏蛋白和小球藻的细胞膜。

第二类是影响藻类的光合作用，抑制藻类光合作用的农药大都是除草剂，除草剂都是通过抑制光合色素的含量来抑制光合作用从而抑制杂草的生长。苯嗪草酮、草净津、特丁通这3种除草剂都会使蛋白核小球藻的叶绿素等光合色素含量显著下降，从而影响藻类的光合作用[19]。

第三类是影响藻类的生化成分，在农药有害物质胁迫下，细胞内活性氧自由基急剧增加，细胞抗氧化能力下降，自由基作用于脂质发生过氧化反应，氧化最终产物为丙二醛（MDA），具有细胞毒性。溴氰菊酯的质量浓度越高，小球藻MDA含量的增加趋势越快。此外，王攀婷等发现汞和氯氰菊酯并存会降低对浮游植物的毒性。低浓度和高浓度组汞和氯氰菊酯水生毒理联合效应相加指数均小于1，这可能是由于藻类细胞中的酶、叶绿素和蛋白质水平的变化引起的，均表现拮抗作用[20]。

3.3新型纳米材料

随着新型纳米材料在材料科学和纳米科技中的广泛应用，其生物安全性受到越来越多的重视。由于新型纳米材料的小粒径，使其具有更大的迁移性和跨膜能力，导致水生生物体暴露于新型纳米材料的危险性日益增加。因此，研究新型纳米材料对藻类的作用具有十分重要的意义。

首先，不同新型纳米材料对于藻类的毒性作用不同。纳米氧化物对藻类的生长状况、叶绿素含量、蛋白质含量、酶活性以及细胞结构等均能产生一定的影响。研究发现纳米TiO2对小球藻的毒性随其浓度的增加而增强，并导致小球藻表面出现塌陷。金属纳米粒子同样对小球藻有着极大的毒性作用，傅凤等[21]发现2 mg/L纳米Cu，包括纳米Cu溶出的Cu2+及纳米粒子本身，都能够完全抑制椭圆小球藻的生长。

新型纳米材料对藻类的致病机理主要分为2类。第一类是金属离子毒性，纳米CuO能够诱导莱衣藻产生活性氧（ROS），改变细胞内部结构，使藻细胞光合系统受损，叶绿素含量显著降低。第二类是氧化损伤，这是目前较为公认的一种导致细胞受损死亡的致毒机制。当细胞内部产生低浓度的ROS时，细胞内部的抗氧化酶系统开始抵抗氧化胁迫，使细胞维持在正常水平；当细胞内部ROS浓度不断升高时，抗氧化酶系统开始逐渐无法抵御，导致细胞内部发生线粒体损伤、脂质过氧化反应等，从而使细胞功能丧失，直至引起细胞凋亡。

当重金属污染物与新型纳米材料在水环境中共存时，如TiO2可能对小球藻产生联合毒性作用[22]。一般而言，新型纳米材料的比表面积很高，可以吸附重金属等其他污染物并具有运载其进入生物体内的能力，导致其毒性增加。同时纳米TiO2可以促进藻类细胞中超氧自由基的产生，抑制SOD、CAT和其他抗氧化酶的抗氧化能力，影响藻类的光合速率和呼吸速率[23]。

3.4抗生素

抗生素通常用來预防和治疗重大疾病，但是约有70%的抗生素无法被机体代谢会被排入污水中。藻类作为初级生产者，是水体污染首当其冲的受害者。对于常用抗生素对小球藻生长的研究，主要有青霉素和头孢他定等日常使用比较广泛的抗生素。青霉素和头孢噻肟是破坏细菌细胞壁合成的抗生素，对小球藻生长影响较小[24]。氯霉素、链霉素和庆大霉素是抑制细菌蛋白质合成的抗生素，对小球藻毒性较大。山梨酸钾并不影响小球藻的生长，乳酸钠会抑制小球藻细胞生长，且添加浓度越高抑制作用越明显。可以看出，目前对于抗生素对小球藻毒理作用的研究进展，还停留在研究单种抗生素对小球藻生长的影响上，用于评估抗生素联合毒性作用的研究还比较少。

由于环境中的污染物不是单一存在的，抗生素往往会和重金属污染物产生联合毒性。四环素和铜对小球藻的联合毒性作用是拮抗的，而诺氟沙星和铜的联合毒性作用是协同的[25]。抗生素和重金属混合物对小球藻的毒性随着暴露时间的增加而增加，即具有时间依赖性的，但不同浓度的混合物对时间的依赖程度不同[26]。由于抗生素和重金属对小球藻的综合毒性相对而言比较复杂，目前的理论研究还存在一定的空白和不足。

生物炭因其较高的pH、较大的比表面积和丰富的含氧官能团，在重金属污染治理方面成为研究重点[27]。而小藻球因其来源广、培养成本低、吸附量大、去除率高，也是近年来水体污染修复的重要材料之一。将小藻球和小麦秸秆生物炭（WS500）联合修复水体，发现当WS500炭添加量为50 mg/L时，最大吸附量为203.339 mg/g；小球藻添加量为500 mg/L时最大吸附量为67.851 mg/g。WS500与小球藻联合吸附优于两者单独作用时的吸附效果，且随着初始溶液中Pb浓度的升高，WS500开始发挥其吸附性，WS500与小球藻的单独吸附时对Pb的去除率之和约等于联合吸附[28]。

4小藻球的营养价值

小球藻具有极高的营养价值，其细胞内中富含多种高价值活性物质，包括蛋白质、多糖、脂类、叶绿素、类胡萝卜素、多种维生素及矿物元素等，因此在食品、饲料和营养品等领域具有广泛的应用价值。小球藻蛋白质含量高达50%～70%，含量超过大豆、牛肉等高蛋白食物。此外，细胞内还含有8种必需氨基酸、不飽和脂肪酸、碳水化合物，并富含多种维生素，以及钙、铁、钾、锌等矿物元素，长期服用可维持和补充人体健康所不可缺少的营养成分。小球藻特有的促生长因子（CGF），能促发机体活力，提高人体免疫力。小球藻细胞内的叶绿素和叶黄素等色素，可以使机体提高抗氧化能力，减缓衰老。

4.1养殖动物饲料添加剂

小球藻富含动物生长所需的多种养分和生物活性物质，包括CGF、多糖、生物素以及叶绿素与叶酸等，具有独特的生物学功效，在动物饲料中的应用效果明显。小球藻对苏尼特羔羊育肥性能的影响发现，小球藻制剂对羔羊育肥具有明显的正效应，公羔羊育肥效果明显高于母羔羊[29]。在饲料中用小球藻粉和菜粕混合蛋白源代替鱼粉完全不影响鲫鱼的生长性能[30]。开发单细胞藻类蛋白源饲料对于降低养殖成本，拓展饲料来源具有重要意义。

4.2功能性食品

小球藻作为功能性食品或保健品广泛应用于食品行业中。日本学者研究出的小球藻面条，小球藻饼干，蜂蜜绿藻精等已经批量生产，中国学者也研制出了小球藻营养挂面、小球藻米粉等食品。小球藻粉还能对青稞面包的烘焙品质和抗氧化能力产生不同的影响。小球藻粉的添加，对青稞面包含水量的影响不大，但却能在一定程度上延缓面包水分的散失，使面包具有更好的保水性。添加小球藻粉使青稞面包的硬度、咀嚼性和胶着性明显增加，弹性和回复性略有降低，而对面包内聚性的影响不大。小球藻因高蛋白、富含类胡萝卜素、维生素等特点，具有多种保健功能。在免疫调节方面，小球藻内丰富的生长因子在小鼠实验中被发现具有良好的免疫调节作用。在肠道毒素清除方面，小球藻内丰富的植物纤维素和叶绿素对体内化学毒物和重金属具有较好的吸附作用。在降血压、降血脂方面，小球藻内丰富的多不饱和脂肪酸如亚油酸等具有调节血脂，降低血液黏度等功效。在抗衰老方面，小球藻富含超氧化物歧化酶（SOD）和β-胡萝卜素具有很强的抗氧化能力，可以清除机体新陈代谢产生的各种自由基。

虽然小球藻作为食品原料及绿色天然的营养强化剂应用于食品中越来越成为一种新兴的食品时尚与潮流，但部分小球藻食品加工技术存在很多不足。小球藻细胞壁坚硬，直接服用难以消化吸收，因而需要破壁后食用，目前物理和化学破壁技术仍在研发中。小球藻的特殊藻腥味和色泽影响了小球藻食品应用的推广，去腥和提高小球藻的色泽、品质等也成为了亟待解决的问题。此外，小球藻作为初级生产者，往往是环境污染的第一批受害者，食品安全性也有待提高。

5小球藻的应用前景

5.1养殖污水处理领域

小球藻作为一类常见的单细胞绿藻，可以有效的去除污水中过量的氮、磷、金属离子，达到净化水质的目的。小球藻可通过同化作用将无机氮（NO3--N，NO2--N，HNO3，NH3-N，N2）转化为有机氮，这些氮元素参与了微藻细胞中肽、蛋白质、叶绿素、酶、ADP、ATP、RNA和DNA等物质的合成。藻类能利用磷的主要形式为PO43--P，它的摄取需要能量。在微藻代谢过程中，磷主要以H2PO4-和HPO42-的形式通过磷酸化作用被纳入微藻生物质中，其中大部分涉及到ADP转化为ATP的过程。此外，小藻球对水体重金属污染修复也具有较好应用前景。藻类细胞壁是由纤维素、果胶质、藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多层微纤维组成的多孔结构，具有较大的表面积。同时，细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可以与金属离子结合的官能团，其中以多糖提供的羧基最为重要。

经过十几年的研究，小球藻污水处理技术已经发得到了蓬勃发展，目前较为成熟的技术主要有3种。

第一种是藻菌共生技术，菌藻共生体通常由小球藻和细菌间的自絮凝作用形成。菌藻共生体系的作用机理是微藻通过光合作用向水体提供氧气，提高水中溶解氧含量，使细菌去除污染物能力增强；同时，细菌的代谢产物或呼吸产物可为藻类的光合作用提供原料。因此，利用菌藻的协同作用可降解有机物污染物，达到净化污水的目的。固定态藻–菌共生系统对NH3-N，PO43--P和TP的处理效果优于单一固定态小球藻和单一固定态芽孢杆菌[31]。与其他物理、化学及工程方法相比，该技术成本低、能耗小、治理效果较好，对环境污染小，有利于资源化，是治理水质污染的新途径。

第二种是藻体固化技术。微藻固定化是以细菌固定化技术为基础而发展的一种生物技术，利用物理或化学方法将游离的藻细胞固定于某个区域，进而可以保持细胞的活性，提高利用率。常用的固定方法有吸附法和包埋法。固定化小球藻能去除人工污水中99.99%的氨氮和95.71%的总磷，悬浮态小球藻则能去除人工污水中98.92%的氨氮和91.56%的总磷[32]。实验结果证明，固定化藻类的去除率高于悬浮态藻类。

第三种是光生物反应器技术。光生物反应器是最有前景的微藻培养系统，该系统可有效调控藻类的光照、温度、碳源等，从而有效的增加微藻的生物量，同时对微藻进行高效低成本的采收，最大程度地降低污染。在光生物反应器培养条件下，不同水力停留时下螺旋藻对氮、磷营养盐的去除效果相似，NH3-N、TN、TP去除率分别为98.52%～99.03%、90.43%～95.22%、88.25% ～96.81%，同时螺旋藻的采收生物量为0.42 g/d[33]。但是，目前有关光生物反应器与污水净化研究较少。

5.2生长与油脂积累研究领域

随着化石能源的日益枯竭和人们对环境保护的不断重视，生物柴油作为新型的清洁能源，受到广泛关注。小球藻油脂含量较高，生长速度快，是一种理想的能源微藻[34]。高昂的生产成本是微藻产业化生产的一大阻碍，而提高油脂产量是有效的解决途径之一[35]。为解决微藻生长与油脂积累之间的矛盾，利用藻菌共培养技术在缺氮条件下将无菌小球藻与细菌以不同初始比例进行共培养，通过测定藻细胞生物量、油脂含量和脂肪酸比例等来研究藻菌共培养对小球藻生长和油脂积累的影响。采用半连续培养模式，不同更新率下小球藻获得最大生长率时的最佳更新率为30%；从更新率与油脂含量、三酰甘油脂（TAG）浓度的拟合曲线得出获得最大油脂积累量的最佳更新率为21%，可见调节更新率可获得高微藻生物量及高油脂产量。

吲哚-3-乙酸（IAA）作為植物体内普遍存在的内源生长素，在微藻中的作用与在高等植物中的作用是相似的，在培养基中添加极低浓度的IAA对促进细胞分裂、提高藻类的生物量有着明显作用。在微藻培养过程中，生物量与油脂产量二者呈显著的负相关关系，在前期适应期引入IAA后藻细胞产生了更多的油脂[36]。IAA诱导对于小球藻中性脂及油脂积累起到了促进作用，产生这一现象可能是由于前期引入的IAA使藻细胞分裂速率及叶绿素合成效率提升，进而提高了小球藻光合作用，促使积累了更多淀粉等能量物质，而后通过脂肪酸合成途径形成TAG，贮存于脂肪体中，从而导致了后期小球藻的油脂总量升高。

沼液对小球藻的油脂积累也会产生一定效果。小球藻产油率为17.28%～32.89%，沼液会影响小球藻体内新陈代谢，改变小球藻油脂含量及其组成成分。在一定范围内，沼液浓度越高，小球藻油脂产率越高，但沼液浓度过高后，小球藻生长受到抑制，导致油脂含量降低。在沼液浓度为30%时，小球藻产生的油脂符合生物柴油对碳链长度的要求。

研究表明，胁迫生长对小球藻的油脂积累具有一定诱导作用，而紫外线胁迫因操作简单、诱导效果明显、对环境影响较少，被认为是一种高效的处理方式之一[37]。孙小琴等[38]在研究紫外辐射对小球藻光合性能及油脂积累的影响时发现，在最佳辐射剂量40 mJ/cm2条件下，小球藻的生物量达到515 mg/L，光合性能维持在较高水平，油脂含量、油脂产量分别达到46%、237 mg/L。相对于对照组，40 mJ/cm2剂量的小球藻的油脂含量、油脂产量分别提高了39.40%和39.22%，accD和gapA的相对表达量分别提高了约2.5倍和5倍，Me、Pk相对表达量基本不变。40 mJ/cm2剂量的小球藻油中单不饱和脂肪酸含量较高，达到40.17%，比对照组提高了16.5%，有利于生物柴油的生产，实际应用价值较高。

5.3生物能源领域

基因工程技术在小球藻研究中的应用表现为以下几个方面：小球藻基因在农作物的应用；小球藻遗传转化系统的完善；通过基因工程技术提高小球藻的产油产烃能力；小球藻作为生物反应器生产外源性物质。转基因小球藻可用来生产高附加值的产物如抗生素、重组疫苗、激素等，用于疾病的预防和防治。运用基因工程手段改造的小球藻，将会应用于更广的领域[39]。

生物柴油是一种无毒、对环境无害、可生物降解的可再生能源，被认为是理想的可替代石化柴油的适用于柴动力机的生物质能。小球藻是目前研究较深入、非常有吸引力的、用于生产生物柴油的微藻藻种，是优质的生物柴油原料，具有其他生物柴油原料不可比拟的优势。梅帅等[40]通过生物柴油脂肪酸甲酯的组成、黏度、碘值、十六烷值、冷滤点等指标比较了3种不同小球藻生物柴油品质，进而快速筛选藻株，得到了适合生产生物柴油的藻株。小球藻与陆生植物相比，具有更高的光合作用效率，可以更有效地利用二氧化碳；与能源作物相比，具有更快的生长速率和更高的油脂产出效率，节约土地资源，生产生物柴油的成本更低。此外小球藻提取生物柴油后的附产品可作为饲料原料，但经对其营养和安全性能分析发现，不同的方式提取小球藻生物柴油后所得副产品成分不同，因此若将其用作饲料原料需谨慎使用[41]。

小球藻作为水体环境的初级生产者，是水生生物的重要食物来源之一，其衍生产品也广泛应用于食品保健行业。在此背景之下，为了保证食品安全，小球藻的安全健康生长就不可忽视。然而，目前有关重金属、农药、纳米材料、抗生素等对小球藻潜在毒性的研究十分有限，人们对此还知之甚少。在笔者看来，今后应加强研究环境污染物对小球藻的毒性效应和作用机理，从而评估其生态风险性，并筛选出具有高效、毒性低、残留少、易降解的种类，对食品安全、保护生态环境等都有重要的积极作用。同时，由于陆生资源的开发利用日趋达到极限，而水生藻类资源丰富，加上人工培育产业规模不断扩大、技术逐渐成熟、藻类资源日趋可观，相信未来随着小球藻光生物反应器等各种培养技术的不断提高，小球藻的产量将会急剧增加，小球藻在各个领域的运用也会越来越广泛。

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