斜生柵藻的研究現狀及發展趨勢

李立欣 樸庸健 馬放

摘要 綜述了斜生柵藻的生長條件（光照強度、溫度、pH和培養基成分）、基因工程及應用方面（動物飼料、指示生物、污水處理和能源領域）的研究現狀，并展望了斜生柵藻今后的研究方向。

關鍵詞 斜生柵藻；影響因素；基因工程；應用

中圖分類號 S-3 文獻標識碼 A 文章編號 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）是一種常見的淡水微藻，屬植物界，綠藻門，綠球藻目，柵藻科，柵藻屬[1]。在溫暖地區，它是一種廣泛分布于湖泊、水庫、池塘、沼澤等靜水水體中的淡水單細胞綠藻，因具有易存活、繁殖能力強、環境耐受性強、氮磷利用率高等特點而被廣泛用于廢水培養和廢水處理中[2-3]。斜生柵藻是迄今已知含油量較高的藻種之一，可作為生產生物柴油的原料[4]。斜生柵藻體內能夠積累較高的蝦青素，還可以作為動物飼料或食品添加劑等[5]。因此，斜生柵藻的經濟價值較高，在食品、能源及污染物治理領域具有較好的發展前景。筆者綜述了斜生柵藻的生長條件、基因工程及應用方面研究進展，并展望了斜生柵藻今后的研究方向，以期為斜生柵藻的進一步研究及應用提供參考。

1 斜生柵藻生長條件及優化培養

斜生柵藻的生長除了受光照、溫度等外界條件的影響外，還受營養條件等因素的影響。因此，可以通過控制培養條件實現對斜生柵藻的擴大培養。

1.1 光照強度

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

1.2 溫度

溫度是影響藻類生長的一個重要的環境因子，溫度對植物生長的影響程度是由其對光合作用以及能量代謝等生理生化過程的平衡關系來決定的。郭鎖蓮[7]研究了溫度對斜生柵藻FSP-3生長的影響，當培養溫度為28 ℃時，藻細胞的生物量最大，細胞密度和葉綠素含量等各項指標均達到較高水平。當溫度下降3 ℃時，總脂的最高值出現，顯示出低溫促進油脂積累的現象，由此可以得出最適生長溫度與最佳油脂積累溫度具有一定差異。

1.3 pH pH是藻類生長環境的重要理化指標，在微藻自養培養時影響光合作用中CO2的可用性，并對微藻細胞新陳代謝有著重要作用[2]。當pH在6.5～7.5時，斜生柵藻生長程度較好，藻密度較高。當斜生柵藻的顏色由綠色變成黃色時，培養基的初始pH為6.0或8.0，此時斜生柵藻生長速度緩慢，光密度較低。斜生柵藻最適宜的pH 為7.5，該pH與模擬污水處理時所需的pH相符[3]。斜生柵藻FSP-3的最適培養條件：接種量1×106 個/mL，培養溫度28 ℃，光照強度6 000 lx和初始pH為6.0～6.5。在優化的培養條件下，斜生柵藻的生長狀況良好，生物量不斷增加，斜生柵藻的胞內組分的含量進一步提高[7]。

1.4 培養基成分

季祥等[8]為了提高可作為生物質能源微藻原料的富油斜生柵藻的生物量，以 BG11 培養基為基礎培養基，對碳（C）、氮（N）、磷（P）3種營養鹽進行了優化。結果表明，異養培養斜生柵藻的最適碳源為葡萄糖；最適氮源為硝酸鈉；3 種營養鹽最佳水平組合為0.15 mg/mL 磷酸氫二鉀、20.00 mg/mL 葡萄糖、2.00 mg/mL硝酸鈉。并進行了擴大培養，取得了良好的效果[4]。

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

低濃度重金屬離子對斜生柵藻和銅綠微囊藻生長均無明顯抑制作用，低濃度Cu2+、Zn2+、Mn2+對斜生柵藻生長影響不顯著，但濃度較高時，抑制作用較強[10]。

李靜靜[11]認為柵生柵藻生長的適宜Mn2+濃度是0.5～10.0 mg/L，適宜Zn2+濃度是1.0～10.0 mg/L，超過最適濃度范圍的上限，則表現出對斜生柵藻的生長抑制作用。

2 斜生柵藻基因工程的研究

藻類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濟藻的遺傳轉化體系。另外，由于藻株間的個體差異性，模式藻株的轉化體系直接應用于其他藻株中有很大難度。通過提高斜生柵藻外源基因的轉化效率及其基因的表達水平，才能進一步研究基因功能及代謝調控，提高斜生柵藻代謝產物的利用效率[7]。郭鎖蓮[7]利用斜生柵藻為試驗材料，建立了高效的遺傳轉化體系，從而實現了酵母絮凝基因在斜生柵藻體內的成功表達，轉基因柵藻細胞具有較強的自絮凝能力。

3 斜生柵藻的應用

3.1 動物飼料

蝦青素是類胡蘿卜素的含氧衍生物，屬于類胡蘿卜素的一種，有較強的抗氧化活性，并且具有多種保健功效，是一種極具應用潛力的次生代謝物質，目前蝦青素主要用于水產養殖的色素添加劑，售價高達1 200萬元/t，估計全球每年需求量超過 20億美元[5]。凌善鋒[12]考察了亞硒酸鈉濃度對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。并證實了添加水楊酸誘導斜生柵藻積累蝦青素的分子機制[5]。斜生柵藻除了生產蝦青素外，由于其細胞內含豐富的蛋白質，還可以用作某些經濟魚類、甲殼類及軟體動物的飼料或飼料添加劑[13-14]。

3.2 指示生物

因斜生柵藻對水環境污染物具有一定的耐受性，可以用作水質評價的指示性生物。朱術超等[15]研究了3種藥物及個人護理品對斜生柵藻生長及光合系統的影響。結果表明，光合系統相關參數對于反映PPCPs 對藻類的毒性特征具有較高的敏感性及一定的特異性，可作為PPCPs污染生態風險評價的潛在候選生物標志物。

3.3 在污水處理方面的應用

斜生柵藻通過光合作用為微生物降解有機污染物質提供氧氣，其本身可直接利用水體中的氮、磷等物質不斷生長，進而來降低水體中有機物、氮、磷的含量，達到凈化水質的功效。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，利用污水二級出水進行生長，對二級出水氮、磷物質去除明顯，所得的生物量和油脂含量均高于其他文獻報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對模擬污水的 COD、氨氮和總磷的去除率分別穩定在93.89%、87.64%和91.35%，結果表明，共生體系優于單獨體系，可強化提高污水中有機物和氮、磷的去除效果[3]。張玉琳等[18]通過固定化斜生柵藻來凈化畜禽廢水中氨氮和磷，取得了較好的效果。張瑩等[19]證實斜生柵藻能夠完全去除低濃度無機磷，并且去磷效果明顯。唐霞等[20]認為純柵藻對石油降解菌表現出非常良好的促進作用，并利用除菌后的斜生柵藻與石油組分降解菌構建了一個高效降解原油的菌藻共生體系。

斜生柵藻除了對有機廢水有優良的去除效果，同時對無機重金屬廢水也表現出了良好的吸附特性。劉益浩[21]研究了斜生柵藻對重金屬的吸附效果，分別從溫度、pH、藻的投加量和吸附時間等方面考察了斜生柵藻對銅、鋅、錳、鉛4種重金屬的影響，證明了斜生柵藻對重金屬具有較強的吸附性。Bahar等[22]報道斜生柵藻對重金屬砷具有良好的吸附性能，在砷污染地下水修復方面具有巨大應用前景。Jie等[23]研究了斜生柵藻對金屬釩的吸附能力，認為在正常情況下對釩的吸附率達43%，當添加SO2-4和Zn2+時，斜生柵藻對金屬釩的吸附率高達77%，并對其吸附機理進行了解析。

3.4 在能源領域的應用

在傳統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注。斜生柵藻不僅可用于生產生物柴油，在生產氫氣和燃料乙醇方面也有巨大潛能。

有研究者通過對微擬球藻和斜生柵藻等6株產油微藻的產油性能進行比較，發現斜生柵藻不僅有較高的油脂含量，而且還具有優良的脂肪酸組成，細胞中富含亞麻酸等多種不飽和脂肪酸，為生物柴油的生產奠定了良好的基礎[19]。研究者隨后進一步證明了斜生柵藻可以作為生產生物柴油的理想藻株[24]。Xiao等[25]報道稱，斜生柵藻具有良好的產油能力，在一定條件下，油脂含量最高可占干重的55.0%，且產率最高可達58.6 mg/（L·d），可作為生產生物柴油的理想材料。Mandal等[13]通過研究發現在磷源缺乏時，油脂含量達到干重的30%。在氮源缺乏的情況下，油脂含量可達干重的43%，遠高于對照組，且比磷缺乏時油脂含量高；Li等[17]通過研究發現，在氮濃度為2.5 mg/L、磷濃度為0.1 mg/L時，斜生柵藻的油脂含量最高可達53%。Breuer等[26]報道斜生柵藻在合成生產甘油三酰（生物柴油半成品）方面具有巨大前景，最多可積累油脂達干重的35%，油脂產率在250～320 mg/（L·d）。叢威等[27]通過建立共生菌體系來提高斜生柵藻生物量、油脂質量，取得了很好的效果。Miranda等[28]、Choi等[29]對斜生柵藻產乙醇、產氫等方面進行了大量研究，證實了其在產乙醇、產氫方面具有較高產率。

4 結論

斜生柵藻可以用于CO2的減排、廢水處理和生物能源的生產，對社會經濟的可持續發展具有重大意義。然而，因其研究時間相對較晚、實驗室以及實際應用程度不高等因素限制了其大規模應用。綜上所述，對斜生柵藻研究和應用提出以下意見：針對斜生柵藻的應用領域偏少問題，應擴大其領域的應用范圍，特別是污水處理及能源、資源回收方面；借助傳統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油斜生柵藻，降低其采收成本；斜生柵藻的綠色、經濟、高效油脂提取技術有待進一步開發及完善；利用實際污水規模化培養富油斜生柵藻也是今后研究的重點。

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