海藻生物制藥推動海洋強國建設研究進展

任子安　陳俊任　王渤等

關鍵詞：海藻;多糖;海洋生物制藥;微藻

中圖分類號：P745 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）04-0079-09

0 引言

國家生態文明建設和“十四五”規劃對“提高海洋資源開發能力”“積極拓展海洋經濟發展空間”做出新部署。我國海域遼闊，海洋生物資源豐富，發展海洋經濟具有得天獨厚的優勢[1]。海藻作為豐富的海洋生物資源，種類超過15000種，主要分為藍藻、綠藻、紅藻、褐藻四大類，以其生長周期短、不占用農業耕地、可生物合成多種天然活性產物等競爭性優勢進入能源研究的主流[2-3]。因此，研究和開發利用海藻資源成為發展海洋經濟的新突破點。

海藻細胞內含有豐富的多糖（占干重的30%左右），具有較高的藥理活性[2，4]，是抗腫瘤、預防心血管疾病、提高機體免疫力的天然化合物[5-6]。因此，實現海藻細胞內多糖的高效積累是未來海洋生物醫藥研究領域的前沿熱點。然而隨之帶來的是大量海洋生物制藥廢水源源不斷排入海洋，對海洋生態環境產生一定影響，成為海洋生物制藥業亟待解決的攻關難題[7-9]。關于這方面的綜述很少報道，對面臨的難題及技術瓶頸討論較少。本研究從藥用海藻資源的開發、藥用海藻資源的培養、海藻生物制藥的環境保障分析入手，分析海洋生物制藥存在的瓶頸，挖掘切實可行的解決途徑，提出“海洋微藻生物制藥全鏈條”新理念，構建海洋生物制藥廢水利用—海洋微藻培養—海洋微藻多糖制藥的生物地球化學循環全鏈條網絡，促進壯大海洋生物醫藥戰略性新興產業，帶動海洋傳統產業綠色轉型升級，對于助力海洋強國建設、提升海洋生物醫藥的經濟效益和市場競爭力具有顯著的科學意義和社會效益。

1 藥用海藻資源的開發

海藻獨特的化學成分及其快速生長為生物提煉提供許多機會。然而，在利用海藻進行化學生產方面仍然存在許多挑戰，如海藻化學成分的季節性變化很大。憑借海藻巨大的潛力和獨特的化學成分，海藻可以為可持續的環保化學和燃料工業做出巨大貢獻[10]，實現海藻生物制藥推動海洋強國建設。截至目前，海藻多糖積累主要聚焦于大型海藻[11]，如海帶、龍須菜、海葡萄。

1.1 海帶

海帶屬于褐藻，含有多種生物活性物質，如多糖、瓊脂、卡拉膠。多糖是一類生物大分子，常以糖蛋白、糖脂和蛋白聚糖等形式存在和參與生命活動。海帶產生的多糖有非常高的藥用價值，其炎癥調節、抗腫瘤、抗菌、抗病毒等功能在醫藥行業中具有應用潛力[12]。海帶體積較大，培養體系單一，培養海帶一般采用水平海帶繩栽培法種植在浮筏上[13]。近年來對于典型的多糖提取方法進行大量的研究，其中包括加熱法、溶劑法、超聲法、酶法和微波法。褐藻中的多糖（包括海帶）常采用4種技術提取：熱水提取（HWE）、超聲波輔助提取（UAE）、酶輔助提取（EAE）和酸輔助提取（AAE）。Yin等[14]通過實驗發現UAE提取的多糖具有更高的產率（9.73%）。與傳統的加熱和微波輔助提取方法相比，超聲波輔助固液提取在較短時間內提取率較高且綠色環保，但仍然需要75min。Dai等[15]采用高效液相色譜法從海帶中分離提取多糖，提取過程比較復雜且耗能較高;發現超聲波輔助固液提取2種多糖的最佳工藝條件為：溫度40℃、乙醇為溶劑、pH 值為6、提取時間40min、質量比1∶30，在此條件下褐藻糖和層聚糖的回收率分別為94.29% 和88.90%。

此外，Yu等[16]用100 mL 的錐形燒瓶培養被高速粉碎機研磨好的海帶，實驗得到的多糖產率為1.26%;采用基于統計的響應面法對海帶多糖的提取工藝進行優化，沉淀物用無水乙醇洗滌6次;最佳條件為：pH 值3.4、溫度83℃、提取時間3.95h、水與海帶的比例為1∶23。此方法提取時間較長，能耗較高。

1.2 龍須菜

龍須菜是可食用的經濟紅藻，富含多糖、藻膽蛋白、色素、礦物質等營養成分和功能成分。龍須菜比較硬，從海洋中采集龍須菜后必須用機械粉碎成粉末才能充分提取，提取方式復雜、耗時長且培養體系單一。對龍須菜產糖的研究如今愈發成熟，Long等[17]從提取、純化、結構特征和生理活性等層面簡要概述龍須菜多糖（GLP）的特征。從龍須菜中提取多糖的方法有熱水提取法、超聲波提取法、檸檬酸提取法。檸檬酸提取法是近年來常用的提取方法，與熱水和超聲波提取方法相比，檸檬酸能有效提高多糖的產率[17]。Yang等[18]采用毛細管區帶電泳安培檢測法對龍須菜中性糖進行分析，采用壁噴式CZE-AD 法測定蘆筍多糖的組成并制備多糖，發現多糖由巖藻糖、半乳糖、葡萄糖、鼠李糖、阿拉伯糖、果糖和木糖組成，摩爾比為0.2∶16.2∶5.0∶1.0∶15.5∶0.6∶18.8。

此外，超聲循環法也是研究者常用的方法。Zhao等[19]通過超聲循環提取技術提取龍須菜多糖，采用Sevag法先對粗多糖進行脫蛋白處理，處理3次，采用乙醇濃度梯度（40%、60%和80%）分級沉淀得到3 個主要多糖組分即AOP-4、AOP-6 和AOP-8。Zhao等[20]使用超聲波循環提取技術從龍須菜中提取多糖，該過程需用脫水乙醇提取6次，操作起來較為復雜;最佳提取條件為：超聲功率600W，提取時間46min，液固比35mL/g;得到的多糖實驗產率為3.134%，多糖由葡萄糖、巖藻糖、阿拉伯糖、半乳糖和鼠李糖組成，比例為2.18∶1.86∶1.50∶0.98∶1.53。

1.3 海葡萄

海葡萄是可食用的綠藻，用消化容器培養，富含維生素、蛋白質和多糖物質[21]。宋偉康[22]采用的海葡萄取自文昌龍樓海藻養殖場，研究發現用超聲波輔助NaOH 溶液對海葡萄進行多糖提取，在液料比為42∶1、提取溫度為72℃、提取時間為6h的最優提取條件下，重復提取3次，得到海葡萄多糖（CLP）的最高提取率11.8%。

傳統水提醇沉提取法的海葡萄多糖得率為30.21%。為研究海葡萄多糖提取工藝條件，王小兵等[23]從海南瓊海龍灣港采集海葡萄，以蒽酮-濃硫酸法測定粗多糖中的總糖含量為指標，采用正交實驗L9結合加速溶劑萃取技術（ASE）對海葡萄多糖提取工藝進行優化;結果顯示海葡萄多糖的最佳提取工藝條件為：溫度120℃、靜態提取2次、每次35min，提取溫度對多糖提取率具有極顯著影響;在最優條件下，海葡萄多糖得率為51.03（±0.62）%。與傳統水提醇沉提取法相比，該提取工藝具有操作簡便、縮短提取時間、節能耗、多糖得率高等優點，是快速經濟實用的新型工藝。

綜上所述，海帶、龍須菜、海葡萄等大型海藻由于體積龐大，只能利用池塘或錐形瓶等簡單容器培養，培養體系單一、傳統;由于大型海藻細胞壁厚而硬，提取多糖時需要進行脫蛋白、乙醇濃度梯度分級沉淀等前處理，提取次數多、提取時間長、操作復雜、能耗高，且難以對多糖積累進行精準調控。此外，大型海藻種類較少，以海洋微藻為著眼點進行多糖生產是亟待挖掘和開發的有潛力的海洋生物醫藥的種質資源。

1.4 海洋微藻

微藻是小型的單細胞生物，因其生長速度快、多糖含量高、不占用耕地、碳中和等優良的特性，被認為是很有前景的生物醫藥種質資源，并且微藻在環境保護、生物修復和能源生產方面有巨大的潛力。Yap等[24]采用光生物反應器培養微藻，其不僅用于生物修復過程，還可以通過結合清潔和綠色技術從微藻中獲得收入，以實現長期可持續性和環境效益。不同種類的微藻具有不同的化學結構和生物活性。

硫酸化多糖（TSP）是主要由半乳糖組成的雜多糖，是從絲狀微藻（Tribonemasp.）中提取的，能刺激巨噬細胞顯示出顯著的免疫調節活性和抗癌活性。Chen等[25]從T 核糖體（TSP）中提取硫酸多糖，TSP的抗癌活性主要是誘導細胞凋亡，不是影響細胞周期和有絲分裂。Sun等[26]使用鞭藻用f/2培養基在錐形燒瓶中培養，采用陰離子交換柱層析和重復凝膠層析相結合的方法，成功從鞭藻中分離3種多糖即IPSI-A、IPSI-B和IFSII，這3種多糖被證明對超氧物和羥基自由基具有中度清除活性，并且其中度還原能力與濃度有關。Huo等[27]將微藻培養在滅菌BG11 培養基中，在恒溫搖床（溫度25℃，轉速150rpm）中生長;富糖絲狀微藻在2%CO₂下的總多糖含量高達50%;熱水萃取-乙醇沉積提取多糖的最佳條件為：溫度80℃、提取時間30min、pH 值9、液料比0.5∶1，多糖的最大產率為27.25%。

海洋微藻多糖是海洋微藻的生物活性物質之一，其中微藻的提取比大型海藻簡單。海洋微藻多糖提取率隨溫度的升高而顯著提高，而且提取時間能夠影響海洋微藻多糖的提取[27]。紅藻多糖SCSIO-45730 是多糖和β-葡聚糖的極好來源。Wang 等[28] 從南海西沙群島提取微藻，培養在1500mL垂直鼓泡柱光生物反應器中，當歸多糖（ASP）的提取率為5.6%，萃取時間10min，萃取溫度100℃，萃取次數2 次;基于Box-Behnken設計（BBD）的響應面法（RSM），對SCSIO-45730 多糖（RSP）的熱水提取進行優化，在最佳提取條件下RSP的產率最高為9.29%，萃取溫度為84℃，提取時間25min;理化表征結果表明，RSP具有較高的硫酸鹽和糖醛酸含量，分別為19.58%和11.57%，層次結構粗糙，主要含有葡萄糖、半乳糖、木糖和半乳糖醛酸，質量分數分別為34.08%、28.70%、12.46%和12.10%。

與大型海藻相比，已發現的海洋微藻有上萬種，種類繁多;可以采用光生物反應器培養，培養工藝先進，多糖生產成本低。然而目前以海洋微藻為著眼點進行多糖生產的研究還十分匱乏，其培養條件和影響因素還需要更深層次的研究。

傳統海藻資源的培養成本普遍偏高，且培養體系單一、傳統、耗時較長。其中，采用高效液相色譜法從海帶中分離提取多糖，提取過程比較復雜且耗能較高;龍須菜、海葡萄的提取方式復雜、耗時長且培養體系單一，會造成資源的浪費。海洋微藻培養工藝先進，多糖生產成本低，因此建立海藻制藥-制藥廢水培養微藻的全鏈條機制，構建海洋生物制藥廢水利用—海洋微藻培養—海洋微藻多糖制藥的生物地球化學循環全鏈條網絡，不僅可以降低微藻培養成本，還能大大節約自然資源（表1）。

2 藥用海藻資源的培養

目前利用基因工程與細胞工程等生物技術手段提高海藻多糖含量是海洋生物醫藥領域的攻關熱點，其中聚焦于基因調控、氮源饑餓、底部沉積物組分調整等有效手段[29-37]（表2）

2.1 基因調控

海藻對海洋生態系統至關重要，具有重大的經濟價值。537-Mb組裝的基因組序列覆蓋估計基因組的98.5%，預測和注釋18733個蛋白質編碼基因，與細胞壁合成、發育和防御系統相關的基因家族得到擴展。實驗表明，控制多糖合成是一大類基因簇，因此通過基因調控可以促進多糖的積累[29]。

雙高-y-亞麻酸（DGLA）具有極強的抗炎活性，但人們知之甚少。研究發現在細菌脂多糖（LPS）刺激下，DGLA 對白細胞介素、一氧化氮和總活性氧的產生具有抑制作用，以協同方式減弱LPS誘導的關鍵炎癥基因的表達;結果表明，微藻衍生的富含DGLA 的乙酯（30%）表現出與DGLA 乙酯類似的活性，有利于多糖的積累，增強微藻作為這種罕見抗炎脂肪酸的有效來源的潛力[30]。代謝組與轉錄組分析的結合有助于了解基因功能及其在各種代謝途徑中的調節，mRNA（基因）和靶向代謝產物之間的共表達匹配決定其同源表達，通過基因調控促進多糖的積累，這導致基因調控網絡與特定代謝途徑之間關系被發現，為代謝工程在海藻中產生特定代謝產物開辟新途徑，有利于藥用海藻資源的培養[31]。通過研究暴露于不同波長的光和CO₂有效性下的海藻的光合作用機制，發現在CO₂ 濃度高時，編碼C₃和C₄酶的基因被轉錄，這表明碳代謝途徑可能發生改變，或者這些基因參與適應性生理過程，這都會促進多糖的積累，從而提高多糖產量，可被用于海洋生物制藥行業;這項研究有助于理解紅藻光合碳代謝的調節機制，并對這些具有經濟價值的大型藻類的培養和商業生產具有重要意義[32]。

2.2 氮源饑餓

氮是最重要的營養元素之一，是植物和藻類生長發育所必需的。Liu等[33]通過實驗發現氮缺乏是有效的環境脅迫，用于增加藻類代謝產物的積累;生理指標表明，氮脅迫降低氨基酸和蛋白質的生物合成，提高內源NH4+ 和可溶性多糖水平，為多糖積累奠定基礎。

氮限制可以誘導微藻中性脂質積累，并抑制其生長。Yang等[34]用不含NaNO3 的f/2-Si培養基清洗微藻2次，完全去除氮，然后再轉移到燒瓶中培養;實驗發現在缺氮條件下，1213個基因（包括關鍵的碳固定、TCA 循環、甘油脂代謝和氮同化基因）的表達水平增加。因此，利用氮源饑餓原理，采取基因調控方式可以改善微藻生化組分的生產，可以調控編碼多糖酶的基因來促進多糖的積累。

褐藻水溶性多糖作為重要的生物技術高分子材料，越來越受到研究者的關注。Skriptsova[35]通過光生物反應器進行絲狀褐藻（Streblonemasp.）的培養，提出水溶性多糖的新來源;在氮源饑餓的條件下，其可以獲得較高的多糖積累和生物質含量，從而積累大量的水溶性多糖（WSPs）;氮源的限制可以刺激海藻具有高水溶性多糖產量的積累。

2.3 底部沉積物組分調整

底部沉積物對海藻資源的培養有一定的影響，即對海藻營養成分積累有一定的影響。

Long等[36]分析和比較在有和沒有底部沉積物的情況下生長的海藻樣品中的蛋白質、氨基酸、脂類、脂肪酸、碳水化合物和礦物質以及多糖的單糖組成，結果表明海底沉積物的存在增加海藻中灰分、礦質元素和多糖的含量，對蛋白質、脂質、飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸的含量和多糖的單糖組成沒有顯著影響，這為海藻作為藥用資源的進一步開發利用提供科學依據。Huang等[37]通過實驗室實驗和現場觀測相結合，在實驗室用M11培養基培養銅綠微囊藻，并置于照明培養箱中，研究發現對底部沉積物進行低到中濃度的擾動有利于多糖的積累。

3 海藻生物制藥的環境保障

3.1 海洋生物制藥廢水對環境的威脅

海洋生物制藥廢水的特點是成分復雜，污染物具有濃度高、濁度高、生物降解性低、毒性強等特點。其中，進水水質中COD 的濃度大約為6000mg/L，氨氮的濃度大約為200mg/L，TN 的濃度大約為250 mg/L，TP 的濃度大約為10mg/L[38]，具有高COD、高氨氮與TN、高色度、成分復雜等特點。Tiwari等[39]通過研究發現海洋生物制藥過程中會排放廢水和污染物進入環境，會使地表水和地下水的水質惡化。

制藥行業通過使用有機和無機化合物作為原料生產各種各樣的物質，從而產生大量有毒和復雜的有機液體廢水，會對環境造成一定的破壞[40]。可吸附有機鹵素（AOX）是含有有機鍵合鹵素的化合物總量的一般指標，存在于海洋生物制藥廢水中。Xie等[41]通過研究中國4家大型制藥廠中AOX 的濃度和組分，發現這4家工廠廢水的AOX 濃度在4.6～619.4mg/L 之間;如果將這些制藥廢水直接排放，會對環境造成嚴重的破壞。

3.2 海洋生物制藥廢水利用

海洋生物制藥廢水產生的富含碳的液體廢物一般被認為是有害的。Hosseini等[42]通過研究發現大部分廢液可以用于生物脫氮，作為生活污水處理中反硝化的碳源，也可用于厭氧沼氣的生產。

Liang等[43]以某制藥廠二次生物處理流出物為研究對象，通過混凝、超濾、反滲透處理等水回用試驗的核心技術對廢水進行處理，結果表明反滲透在高水通量下運行平穩，海水淡化效果逐步優化，混凝、超濾、反滲透在醫藥廢水回用工程中的應用有效，反滲透的流出物可用于最先進的制藥工藝。

Zhang等[44]在一系列類似Fenton的系統中對生物制藥廢水進行批量實驗，為達到20%的COD去除率，最佳條件是pH 值為3.0、Fe₃O₄ 用量為1.0g/L、H₂O₂用量為10mg/L，FeO 和Fe²⁺不僅提高COD的去除率、減少鐵污泥，而且促進催化劑的再利用，實現海洋生物制藥廢水的再利用。抗生素制藥廢水的排放造成嚴重的環境問題，Guo等[45]通過好氧工藝、厭氧工藝、厭氧-好氧工藝和其他組合工藝對抗生素廢水進行降解，做到對廢水的重復利用。

海 洋生物制藥行業產生的VOCs和惡臭可分為4類：發酵尾氣、回收廢氣、車間廢氣和廢水惡臭。通常用冷凝法作為預處理對高濃度廢氣進行凈化處理，從而降低有機負荷，達到回收有機物的目的[46]。

綜上所述，目前海洋生物制藥廢水的處理主要依賴于混凝、超濾、反滲透、厭氧、好氧等處理工藝，程序復雜，能耗較高。能否利用海洋生物制藥廢水中豐富的有機碳源、氮源作為微藻培養的營養源，實現海洋生物制藥廢水的資源化利用，成為制藥廢水利用領域的攻關熱點;海洋生物制藥廢水中豐富的有機碳源如何有效調控海洋微藻細胞內的多糖積累，成為海洋生物制藥領域的攻關難題。

3.3 建立海藻制藥- 制藥廢水培養微藻的全鏈條機制

海洋生物制藥廢水除可以作為污水處理中反硝化的碳源、經處理成為回用水之外，其含有海藻生長所必需的碳氮磷等營養元素。因此，可利用海藻制藥產生的廢水反過來繼續培養海藻，實現海藻培養產糖與海藻制藥廢水處理的有效集成，構建海洋生物制藥廢水利用—海洋微藻培養—海洋微藻多糖制藥的生物地球化學循環全鏈條網絡（圖1）。

4 結語

與大型海藻相比，海洋微藻具有種類繁多、培養工藝先進、多糖生產成本低等優勢，是亟待挖掘和開發的有潛力的海洋生物醫藥的種質資源。

利用基因調控、氮源饑餓、底部沉積物組分調整等手段的研究主要聚焦于海藻細胞內多糖化合物的積累，其背后的調控機制很少涉及。針對海洋生物制藥廢水處理成本高的問題，可構建海洋生物制藥廢水利用—海洋微藻培養—海洋微藻多糖制藥的生物地球化學循環全鏈條網絡，切實推動海洋強國建設;針對調控海洋微藻細胞內多糖積累研究的局限，探明海洋生物制藥廢水中的豐富碳源對多糖積累的調控機制，對實現多糖產出最大化提供重要的理論指導。