引言

微藻資源豐富，富含多種營(yíng)養(yǎng)以及生物活性物質(zhì)，在功能或保健食品、替代蛋白、動(dòng)物或水產(chǎn)飼料、護(hù)膚品、生物肥料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。微藻產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)取決于優(yōu)良品種的選育和大規(guī)模培養(yǎng)的優(yōu)化等。微藻合成生物學(xué)的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用為精準(zhǔn)育種提供了可能；新的微藻生物發(fā)酵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微藻養(yǎng)殖從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到工業(yè)生產(chǎn)模式的變革，為商業(yè)化生產(chǎn)提供了保障。微藻資源的開發(fā)和利用是獲取新型生物資源的一個(gè)重要方向，相對(duì)于細(xì)菌，酵母，和動(dòng)物細(xì)胞，利用微藻獲取高價(jià)值產(chǎn)品具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

01 微藻資源豐富

微藻是微型的藻類，只在顯微鏡下可見；原則上是指一類生活于水中，含有葉綠素且可進(jìn)行光合作用，以單細(xì)胞、絲狀體或細(xì)胞聚集體生長(zhǎng)或繁殖的生物個(gè)體，如圖1所示。但在進(jìn)化過程中，有些藻類適應(yīng)于陸地生活，如發(fā)菜；有些藻類失去了光合作用的能力，可以在黑暗情況下進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)；有些藻類同時(shí)具有進(jìn)行自養(yǎng)以及異養(yǎng)生長(zhǎng)的能力，如某些小球藻和衣藻。微藻種類繁多，已經(jīng)描述的微藻有3萬(wàn)多種；分布于所有的藻類類群，包括綠藻門、紅藻門、雜色藻門、隱藻門、甲藻門、裸藻門等。微藻亦稱浮游植物，微藻通過光合作用固定二氧化碳，貢獻(xiàn)了地球大約50%的初級(jí)生產(chǎn)力，是水體中浮游動(dòng)物和魚類等的食物來(lái)源。

圖1 微藻形態(tài)多樣性（圖源：Current Biology[1]）

02 微藻富含多種營(yíng)養(yǎng)或生物活性物質(zhì)

微藻光驅(qū)固碳后可用于合成多種具有重要應(yīng)用價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)或生物活性物質(zhì)，微藻中已被鑒定的化合物有1.5萬(wàn)種，包括蛋白、脂質(zhì)、多糖、色素、萜類等，如圖2所示。以下對(duì)微藻中幾類主要營(yíng)養(yǎng)或生物活性物質(zhì)及其潛在開發(fā)應(yīng)用前景進(jìn)行概括性總結(jié)。

圖2 微藻天然產(chǎn)物多樣性（圖源：本文作者）

微藻蛋白含量通常較高，某些種類微藻的蛋白含量可占其干重的50%以上，如螺旋藻和小球藻等。微藻蛋白富含人體所需要的所有必需氨基酸，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可作為新型的人類食物蛋白替代品，目前也已被開發(fā)應(yīng)用于功能性食品和保健品中。

微藻富含多種脂類物質(zhì)，特別是對(duì)人體心血管健康和大腦發(fā)育至關(guān)重要的多不飽和脂肪酸(PUFAs)，例如海洋微擬球藻富含二十碳五烯酸(EPA)，破囊壺藻（亦稱裂殖壺藻）、寇氏隱甲藻富含二十二碳六烯酸(DHA)等，因此微藻脂質(zhì)資源開發(fā)利用在營(yíng)養(yǎng)保健領(lǐng)域有著巨大前景。微藻脂質(zhì)含量和組成與培養(yǎng)條件密切相關(guān)，尤其在環(huán)境應(yīng)激條件下，某些微藻的脂質(zhì)含量可顯著提高至干重的50%以上。此外，微藻脂質(zhì)在生物燃料領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力，可通過酯交換將其開發(fā)制備成生物柴油，用于替代傳統(tǒng)化石燃料，提供一種綠色、可持續(xù)的新型能源。

微藻可以合成結(jié)構(gòu)多樣、組成復(fù)雜的多糖。微藻合成的多糖具有高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，同時(shí)還具有免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗病毒、抗炎等多種生物活性功能，如螺旋藻多糖（主要是胞內(nèi)多糖）、小球藻與紫球藻多糖（主要為胞外多糖）。因此，除了在食品領(lǐng)域作為膳食纖維和功能性成分外，微藻多糖在醫(yī)藥領(lǐng)域也有較大的潛力。

微藻可以合成多種色素，呈現(xiàn)出五彩斑斕的色彩。不同微藻在傳統(tǒng)上多以顏色分類，如紅藻、黃藻、褐藻與金藻等。微藻天然色素的多樣化除了賦予微藻豐富顏色外，還拓寬了微藻的吸收光譜，可以吸收較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的能量，增強(qiáng)了其應(yīng)對(duì)環(huán)境適應(yīng)的能力。微藻色素也具有重要的醫(yī)藥或保健功能。藍(lán)藻富含藻膽色素，其具備抗氧化、抗輻射、抗炎等多種功能；鹽藻富含β-胡蘿卜素而雨生紅球藻富含蝦青素。β-胡蘿卜素尤其是蝦青素作為極強(qiáng)的抗氧化劑，目前在護(hù)膚品、抗衰老產(chǎn)品和營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑中都有廣泛的應(yīng)用前景。因此，微藻色素由于其天然性和生物活性，不僅已成為食品工業(yè)中重要的天然色素來(lái)源，還可應(yīng)用于化妝品行業(yè)以及醫(yī)療保健領(lǐng)域。

此外，微藻還能生成其他多種具有高效藥理活性的化合物，包括多酚類化合物、萜類化合物和生物堿等。部分微藻可產(chǎn)生外泌體，其富含脂類和生物活性物質(zhì)，具有用于美容護(hù)膚產(chǎn)品的潛力?？傊?，微藻富含多種重要的、高價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)或生物活性物質(zhì)。未來(lái)，有望通過微藻藻種資源開發(fā)、遺傳改造、培養(yǎng)優(yōu)化等多種生物技術(shù)手段，進(jìn)一步提升微藻中營(yíng)養(yǎng)、生物活性物質(zhì)的質(zhì)量與產(chǎn)量，從而推動(dòng)微藻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，使其成為解決未來(lái)食品、能源和健康等問題的重要生物資源庫(kù)。

03 列入新資源食品的藻類

目前，隨著研究的深入，眾多微藻的生物安全性已經(jīng)得到認(rèn)可，已有許多微藻被美國(guó)、歐盟和中國(guó)列入新資源食品，如表1所示。如富含蛋白的蛋白核小球藻、積累β-胡蘿卜素的杜氏鹽藻、富含營(yíng)養(yǎng)的萊茵衣藻、產(chǎn)蝦青素的雨生紅球藻和產(chǎn)DHA的破囊壺藻，以及富含油脂的擬微球藻、原始小球藻等。在中國(guó)，這些藻不僅被列為新資源食品，還被列為飼料或者化妝品原料。蛋白核小球藻、普通小球藻、原始小球藻、擬微球藻、破囊壺藻等的藻粕或藻粉可作為飼料，普通小球藻、杜氏鹽藻、雨生紅球藻、萊茵衣藻、紫球藻等的提取物或發(fā)酵產(chǎn)物可作為化妝品原料，如從雨生紅球藻中提取的蝦青素可以制成醫(yī)美面膜，起到美白抗氧化的功效。

表1 部分真核微藻的價(jià)值及市場(chǎng)準(zhǔn)入

04 微藻生物育種

生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，極大地推動(dòng)了微藻的生物育種進(jìn)程。傳統(tǒng)的育種模式包括從自然界篩選優(yōu)質(zhì)藻種，以及通過物理或化學(xué)誘變的方法獲得快速生長(zhǎng)或富含高價(jià)值化合物的藻種。物理誘變方法包括紫外照射和等離子體處理等，而化學(xué)誘變則是使用化學(xué)誘變劑如甲烷磺酸乙酯(EMS)或N-甲基-N'-硝基-N-亞硝基胍(MNNG)等處理細(xì)胞，進(jìn)而可產(chǎn)生基因缺失或點(diǎn)突變。這些誘變方法隨機(jī)性較大，突變基因未知且不可控制，后期還需要經(jīng)過大規(guī)模篩選和鑒定，流程繁瑣且復(fù)雜。而通過合成生物學(xué)的方法可以對(duì)微藻進(jìn)行定向改造，直接構(gòu)建具有目標(biāo)農(nóng)藝性狀的工程藻株，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)育種。微藻定向遺傳改造需要建立在清晰的遺傳背景之上，這依賴于高質(zhì)量的基因組信息。目前，已有超過120種微藻的基因組得到較為完整的測(cè)序與解析，其中少數(shù)微藻已擁有成熟的基因轉(zhuǎn)化與編輯技術(shù)，最突出的是萊茵衣藻、三角褐酯藻、微擬球藻等。利用合成生物學(xué)基因編輯等技術(shù)，一方面可以將與目標(biāo)產(chǎn)物競(jìng)爭(zhēng)的代謝旁側(cè)支路進(jìn)行敲除，從而調(diào)整合成通路的代謝流使目標(biāo)產(chǎn)物富集，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量；另一方面，可導(dǎo)入外源或改造的內(nèi)源原因，構(gòu)建新的代謝環(huán)路或促進(jìn)特定基因表達(dá)，從而合成新的產(chǎn)物或提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量?，F(xiàn)代育種方式可以不局限于單一的方式，可將傳統(tǒng)育種模式與合成生物學(xué)手段相結(jié)合，高效獲得目標(biāo)工程藻株，如圖3所示。

圖3 微藻育種（圖源：本文作者）

05 微藻大規(guī)模培養(yǎng)

微藻資源開發(fā)需要獲得足夠的生物量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模培養(yǎng)才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值。微藻具有多種營(yíng)養(yǎng)方式，可以利用光自養(yǎng)、兼養(yǎng)或異養(yǎng)進(jìn)行大量繁殖。傳統(tǒng)的微藻養(yǎng)殖的反應(yīng)器包括開放池、跑道池、光反應(yīng)器等。開放池和跑道池易產(chǎn)生微生物污染，且受天氣因素影響較大；而光反應(yīng)器造價(jià)比較昂貴。這幾種反應(yīng)器最重要的缺陷是生物量比較低，每升細(xì)胞干重僅為克級(jí)水平，極大地限制了藻類資源的商業(yè)開發(fā)。而利用藻類異養(yǎng)模式即發(fā)酵的方法，可以達(dá)到每升100克以上的生物量，并且生長(zhǎng)收獲時(shí)間短。生物發(fā)酵的方法需要使用有機(jī)物作為物質(zhì)和能量來(lái)源，如葡萄糖、乙酸等，成本較高；但是，短時(shí)間內(nèi)獲得足夠的生物量可以在商業(yè)上彌補(bǔ)這一缺陷。從傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式到生物發(fā)酵的培養(yǎng)方法，代表了一種從傳統(tǒng)“農(nóng)業(yè)”到工業(yè)的一種變革方式，會(huì)極大地促進(jìn)藻類資源的商業(yè)開發(fā)。

圖4 微藻生物發(fā)酵（圖源：元育生物[2]）