硅藻的价值及应用

陈玉婷 李 楠

（温州大学生命与环境科学学院，浙江温州 325035）

硅藻是具有硅质细胞壁的单细胞光合真核生物，其分布十分广泛，种类繁多，是海洋的初级生产者，对全球生物量初级生产力的贡献高达25%[1]。硅藻因其独特的细胞结构和生物特性，被广泛应用于众多领域。

1 硅藻的价值

1.1 营养价值

硅藻含有丰富的蛋白质、多糖、脂类、多种无机盐，如钙、镁、铁等以及多种维生素等营养成分。因其不含纤维素，能很容易被水产动物摄取和消化，而被称为“天然饵料”。为了提升硅藻的营养价值，在大规模的人工培养硅藻过程中，培养基中的多种矿物质可提高藻体天然脂质的含量。另外，也可通过盐度胁迫增加硅藻代谢产物含量或通过藻种改良技术来提高硅藻的营养价值成分。因此，硅藻作为一种良好的动物饲料来源和人类的营养食品，在食品和营养行业占有重要地位。

1.2 医药价值

硅藻中含有丰富的脂类物质，主要是异五烯酸和多不饱和脂肪酸，这些化合物在抗菌防御机制中起着关键作用。硅藻中含有的一些特殊蛋白质和复合多糖化合物对多种慢性疾病治疗也具有一定疗效。

海洋硅藻（Odontella aurita）含有的类胡萝卜素、岩藻黄素和甾醇类等化学物质，具有潜在的抗氧化和抗癌特性。硅藻在弱光条件下比其他藻类生长得更好，这可能是因为存在岩藻黄素，即使在低光水平下也能达到光饱和[2]。岩藻黄素是一种主要的光合色素，是海洋硅藻的捕光色素，它可以吸收光能传递给叶绿素并且转移过量的光能，使细胞免受伤害，在细胞中常以岩藻黄素-叶绿素a/c色素复合蛋白的形式存在[3]。中肋骨条藻的有机提取物[4]和羽状硅藻（Haslea ostrearia）的水提取物[5-6]在体外均表现出抗肿瘤活性和抗HIV作用。同时，硅藻还具有多种防御机制，能够对抗多种致病生物，预防各种慢性、急性细菌和病毒疾病，如艾滋病毒和阿尔茨海默氏症[7-8]等。

1.3 环境评价与保护价值

硅藻是一种简单的单细胞生物，特点是具有硅质细胞壁[9]。在细胞壁形成的过程中，硅藻可将硅以极低的浓度从自然环境中吸收，并以硅酸的形式通过硅酸转运体，穿过细胞膜，积累在细胞壁[10]。在硅藻细胞壁内，二氧化硅可作为一个有效的缓冲系统调节pH、促进硅藻的碳浓缩机制（CCM）[11]、提高碳沉降速度、增加浅海和大陆边缘的碳沉积[12]。同时，硅藻较快的下沉速度能够有效地将过量营养物质从地表水输送到沉积物，以减少蓝绿藻等有害物种对其的利用，既有助于通过细菌在沉积物水平上的作用，实现营养物质的循环利用[13]，又在废水处理中具有重要意义。硅藻存在于各种自然环境中，如海水、河流、池塘和多种行业生产活动废水等环境，可在如酸性、高盐酸性、高盐、重金属污染和自然或人为过程造成的湖泊富营养化等不同条件下，依然能够维持其自身的稳定性。在此基础上，通过分析硅藻样品的表层沉积物水平，可利用区域特定硅藻和指标评价湖泊、海洋等水资源的现状环境特征。

硅藻因其独特的光合作用、细胞代谢特性，能够处理农业或其他行业生产活动所产生的废水中的硝酸盐、铁、磷酸盐、钼、二氧化硅等污染物，并对如铜、镉、铬、铅等重金属具有很强的抵抗力[14-17]。因此，硅藻在重金属污染水体的生物修复中具有潜在的应用价值，但生物吸附的特异性和速度还有待进一步研究。具有金属耐蚀性的硅藻还是有效的候选材料，可作为废水处理的替代工具。

2 硅藻的应用

2.1 水产饵料

硅藻是包括鱼类、桡足类和贝类在内的水生食物链中的主要生产者[18]。考虑到硅藻的大小以及营养成分，它们很容易被浮游动物吸收和消化[19]，因此在水产养殖中具有较大的经济价值，如喂养双壳类软体动物幼虫和后期幼虫以及虾等水生生物。在海洋和淡水生境中，硅藻是不同食物链层面的主要浮游植物。硅藻在海洋生态系统中对其他藻类的优势可能与它们的硅质细胞壁有关，硅质细胞壁比纤维素细胞壁需要更少的能量，从而导致更高的分裂率。除了作为蛋白质、碳水化合物、脂质和维生素的仓库，它们的营养成分似乎很适合浮游动物获得比其他藻类物种更高的生长[20]。硅藻还可以为水产养殖食物链提供足够水平的氨基酸[21]和维生素。硅藻还能促进Pb、Zn和Fe等金属的生物放大，这使它们成为全球营养循环的关键贡献者[22]。

2.2 药物传递材料

生物纳米材料在水和有机溶剂中具有良好的溶解性，可跨越生物屏障，解决了一般药物分子溶解性和稳定性差、不能通过生物膜等缺点。在此基础上，硅藻纳米结构作为药物载体材料被广泛应用于药物传递。因此，目前科学研究较多的是用聚合物封装药物，使其高效地将有效成分传递至药物活性位点并发挥作用。封装的纳米药物在特定的靶向部位也有很好的作用，减少了药物传递过程中的无效溶解。硅藻中的二氧化硅可以成功地作为药物载体应用于口腔和植入药物输送[23]。因此，硅藻在开发生物可降解聚合物包裹纳米粒子给药方面具有重要意义。

2.3 二氧化硅开采

虽然已发现在合成胞内或胞外化合物和生物量方面的若干生物技术应用，但硅藻是唯一可用于二氧化硅开采的微藻。硅藻的独特之处在于硅壳。根据硅藻的种类和生长条件[24]，硅壳呈现出广泛的形态，有助于纳米结构的研究。Parkinson等[25]对这些结构的应用进行了总结：研磨产品（如牙膏）、除臭剂、脱色剂、各式各样的过滤剂（例如用于水净化）、色谱分离材料（例如用于蛋白质净化的凝胶过滤）、催化剂载体和生物传感器等；由导电聚合物和金属制成的等直径纳米材料（管状或圆柱形）的微加工，可用于电子加工和药物传递的胶囊。硅藻土是一种地质沉积物，由多种硅质海洋和淡水单细胞生物（尤其是硅藻）的化石骨架组成，可用作杀虫剂[26]。

2.4 生物燃料

在替代石油的燃料来源中，微藻特别是硅藻优势明显，美国能源部的研究项目已经确切证实硅藻具有极高的生长能力，在单位面积及单位时间上比陆生作物提供更多的能量。更重要的是，其生产不必占用粮食生产土地[27]。硅藻已经成为生物柴油大规模生产的潜在替代品。因为海藻体内存在大量的脂类和长链多聚（不）饱和脂肪酸，非常适合生产生物柴油[28-29]。欧洲和许多发展中国家已经开始使用生物柴油作为柴油的替代品，目前它占生物燃料总量的82%。

2.5 合成纳米颗粒

目前，已有大量报道关于利用硅藻来制备多种不同的金属纳米颗粒，如金、银、铂等纳米粒子。以硅藻培养体Navicula atomus和Diadesmis gallica为原料，可以合成EPS金-二氧化硅生物纳米复合材料。淡水硅藻可以用来合成特定尺寸和形状的硅锗纳米颗粒。硅藻生物合成的金纳米颗粒具有诱导细胞凋亡、抗微生物和抑制病原体在宿主体内复制的作用，被广泛应用于抗癌和抗菌药物的研发。合成的金属纳米粒子与一些生物活性物质的协同作用，使得硅藻纳米材料还具有治疗慢性疾病的功能。硅藻复杂的结构和有趣的模式在纳米技术中被突出地用于生产纳米材料。这些生物二氧化硅纳米粒子、纳米纤维和纳米聚合物因其独特的光学、机械、化学和耐热特性而得到广泛的应用。此外，由Coscinodiscus、Thalassiosira和Cyclotella等物种合成的生物二氧化硅在纳米尺度上进行修饰，以创建天然的活体纳米设备[30]。它们具有医学应用，如磁共振、超声医学成像的造影剂以及靶向释放药物、酶、抗体和核酸的治疗平台[31]。此外，硅藻可以用二氧化硅取代光敏二氧化钛来作为太阳能电池的重要组成部分，二氧化硅天然地被硅藻用来建造它们的细胞壁。硅藻甚至可以将太阳能电池薄膜上覆盖硅藻，将光捕获到纳米尺度的孔隙中，从而将太阳能效率提高许多倍。

2.6 抗菌作用

隐环藻（Cyclotella cryptica）、肋骨藻（Skeletonema costatum）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）均已被证明含有与二甲基硫化物结合而形成的丙烯酸。虽然这种化合物不具有抗生素活性，但它可以通过化学或酶的方式分解释放出具有抗生素活性的化合物丙烯酸。在许多大型藻类和微藻属中都发现了游离或结合于二甲基硫化物的丙烯酸。硅藻具有抗菌或抗真菌作用[32-33]。抗菌化合物通常存在于硅藻的脂肪酸复合物中[34]，中肋骨条藻对水产养殖病原体的抗菌活性已被证明：Vibrio（1种贝类或鱼类病原体）的生长受到抑制[35]。而抗菌活性在很大程度上取决于提取活性化合物的技术，即有机提取、水提取、有机结合水提取。

2.7 提取生物活性物质

硅藻含有丰富的生物活性物质，如脂类、蛋白质、复合多糖、酯类、甾醇和酰基脂类、黄酮类等[36-37]。硅藻细胞膜由游离脂肪酸和硅材料组成，因此，硅藻是油脂、饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸（PUFA）的丰富来源之一。对于硅藻中不饱和脂肪酸的研究目前多集中于一种细胞内合成被广泛用于医药行业的二十碳五烯酸（EPA）。PUFA是细胞膜参与脂质储存和信号转导途径的重要组成部分，然而PUFA生物资源的短缺一直制约着其广泛应用，廉价的EPA生物资源已成为迫切需求。使用硅藻生产多不饱和脂肪酸比传统从脂肪鱼中提取多不饱和脂肪酸更有优势。首先，硅藻的多不饱和脂肪酸含量很高，在某些物种中，多不饱和脂肪酸的相对含量可达细胞干重的5%～6%。其次，硅藻是单细胞微藻，生长速度快，可以利用生物反应器等生物技术手段（如基因操纵和改良培养条件）连续大规模生产硅藻，调控其代谢以促进多不饱和脂肪酸的合成[38]。因此，从硅藻中提取和纯化多不饱和脂肪酸比从脂肪鱼中提取和纯化多不饱和脂肪酸要简单得多[39]。硅藻可以产生和积累一系列生物活性代谢物，如胞外聚合物[40-41]。海洋硅藻三角褐指藻中分离得到2种单乳糖二酰基甘油，其主要用于细胞凋亡的抗癌药物合成。这些生物活性代谢物可作为抗癌、抗菌和抗氧化药物的来源[42]。

3 结论

硅藻被赋予广泛的实用价值，并被应用于不同领域。在人们面临化石燃料枯竭、全球变暖、人口增长导致营养不足等棘手的全球问题时，硅藻可能是解决这些问题的关键生物。除了在海洋中，硅藻还被发现可以稳定存在于其他的生态环境如湖泊、海岸和河流中。虽然硅藻的天然资源储藏丰富，但仍需要通过多种培养技术进行大规模生产，才能满足庞大的市场需求。