微藻,一種古老的生命體,地球演化過程中氧氣的主要締造者,高等植物進化過程中的共同原始祖先,地球生態(tài)系統(tǒng)中近90%的氧氣制造者,初級生產(chǎn)力的主要貢獻者,無處不在、“無所不能”、“腳踏”多個行業(yè),玩跨界發(fā)展,神一樣的存在。
什么是微藻?
微藻就是微小的藻類。所謂“微小”,通常是指一般需要借助顯微鏡才能觀察到個體形態(tài)。那么什么是藻類?藻類通常是指水生的,光合生長的低等“植物”。與植物一樣,微藻具有光合色素(葉綠素等),可以進行光合作用,即利用陽光、二氧化碳和水合成生物質(zhì)并進行生長,但微藻沒有根、莖、葉的分化。根據(jù)矛盾的對立統(tǒng)一規(guī)律,有微藻,那必然有大藻,如大家比較熟悉的海帶、紫菜等。
微藻有哪些種類?
微藻種類繁多,然而,目前實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的微藻數(shù)量并不是很多,主要有螺旋藻、小球藻、雨生紅球藻、杜式鹽藻、寇式隱甲藻、微擬球藻等,還有一些海洋微藻,如球等鞭金藻、三角褐指藻、扁藻、角毛藻、海鏈藻等,這些海洋微藻主要作為生物餌料應(yīng)用于水產(chǎn)行業(yè)。
微藻的功能有哪些?
微藻的用途取決于微藻的功能或能力。簡單來說,微藻的主要能力有以下兩點:
高效的光合作用
微藻能高效地利用光能、二氧化碳和水進行光合作用,產(chǎn)生氧氣并合成碳水化合物,通過進一步生化反應(yīng),合成蛋白質(zhì)、油脂等多種營養(yǎng)物質(zhì)。與其他植物相比(玉米、大豆等),微藻的生長速率更快,單位土地面積所產(chǎn)出的生物量更多。同時,微藻在生長過程中吸收大量的氮、磷等無機元素。因此,微藻可以作為食物,固碳、凈化空氣及處理廢水。
合成生物活性物質(zhì)
微藻除了能合成蛋白質(zhì)等大眾化的營養(yǎng)物質(zhì)外,還能合成很多獨特的生物活性物質(zhì)、如不飽和脂肪酸(DHA、EPA、AA等)、類胡蘿卜素(β-胡蘿卜素、蝦青素、葉黃素、玉米黃質(zhì)等)、色素-蛋白復(fù)合體(藻藍蛋白、藻紅蛋白等)、多糖、活性多肽等。這些生物活性物質(zhì)對人體非常有益,如不飽和脂肪酸(典型代表為號稱”腦黃金”的DHA),具有調(diào)節(jié)血脂、預(yù)防心血管疾病、促進嬰幼兒大腦細胞發(fā)育等功效。
微藻的用途
食品行業(yè)
食物與食品添加劑
微藻富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等多種能量和營養(yǎng)物質(zhì),如螺旋藻和小球藻中蛋白質(zhì)含量一般可以到達細胞干重的50~70%。目前,微藻常被認為是超級食物(Superfood)或未來食物(Foodof future)。實際上,非洲乍得湖附近的居民已經(jīng)有上千年食用螺旋藻的歷史。我國在60年代初,饑荒時期,曾掀起過全民養(yǎng)殖小球藻的風(fēng)潮,作為食物充饑。當前,可作為食物的微藻主要有螺旋藻、小球藻、念珠藻(發(fā)菜、葛仙米)等。除了將螺旋藻和小球藻制成藻粉沖泡或壓成片劑服用外,通常還可以將其添加到其他食品中,如做成微藻面條、微藻面包、微藻點心等。
食用油
在特定的培養(yǎng)條件下,某些微藻可以合成大量油脂,經(jīng)提取及深加工后作為食用油。目前,美國已經(jīng)成功開發(fā)出微藻食用油,與其他植物食用油相比,微藻食用油的不飽和脂肪酸含量更高(對人體益處多多),發(fā)煙點溫度更高(即表示在一般的炒菜溫度范圍下,產(chǎn)生的油煙更少)。
生物醫(yī)藥大健康產(chǎn)業(yè)
營養(yǎng)補充劑
小球藻和螺旋藻,是目前市場上最常見的營養(yǎng)補充劑,其對人體主要起作用的是蛋白質(zhì)、活性多肽、類胡蘿卜素、維生素、礦物質(zhì)等。
微藻中的生物活性物質(zhì),如蝦青素,β-胡蘿卜素、DHA、EPA等常被提取出來,精制后做成膠囊。蝦青素被譽為“抗氧化劑之王”,具有清除人體內(nèi)氧自由基的功效。
總體而言,食用微藻及微藻產(chǎn)品,具有補充人體營養(yǎng)、提高免疫力、增強體質(zhì)、預(yù)防心血管等疾病發(fā)生的概率,但它們沒有某些直銷或會銷所宣傳“無所不能”的神奇功效。
水產(chǎn)行業(yè)
生物餌料
在水產(chǎn)育苗過程中,微藻,主要為硅藻和金藻,常作為貝類、蝦類及魚類幼體的開口餌料。同時,微藻也常用于動物性次級餌料(如輪蟲、鹵蟲、枝角類等)的營養(yǎng)強化,主要提高動物性餌料的營養(yǎng)成分,尤其是不飽和脂肪酸的含量,然后投喂給水產(chǎn)幼苗。餌料微藻的使用可以顯著提高水產(chǎn)幼苗的存活率、保障幼體正常的變態(tài)和發(fā)育,增強免疫力、促進幼苗的生長。
調(diào)水劑
微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖中常作為調(diào)水劑,即調(diào)節(jié)和控制養(yǎng)殖水質(zhì)。微藻可以吸收養(yǎng)殖水體中氮、磷等無機鹽、同時釋放出氧氣,提高水體中的溶解氧。此外,藻體還可以直接被浮游動物和某些魚類食用。因此,微藻可以凈化水質(zhì)、提高溶氧、抑制有害微生物,保障養(yǎng)殖水體的穩(wěn)定與健康。目前,作為調(diào)水劑的微藻主要有小球藻、硅藻等。
水產(chǎn)飼料
微藻中富含蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸,因此可以替代水產(chǎn)飼料中魚粉和魚油。此外,水產(chǎn)飼料中添加微藻,可以顯著地提高觀賞魚和蝦的色澤。
水產(chǎn)疫苗
目前,有不少研究機構(gòu)和企業(yè)正在開發(fā)利用藻細胞生產(chǎn)水產(chǎn)疫苗,然后將微藻直接投喂給水產(chǎn)動物,以預(yù)防和避免水產(chǎn)動物大規(guī)模病害的發(fā)生。
農(nóng)業(yè)行業(yè)
動物飼料
微藻營養(yǎng)豐富,可以作為家禽畜牧飼料的添加劑,改善肉質(zhì)、提高營養(yǎng)、增強家禽畜牧的免疫力、降低疾病發(fā)生概率。目前,已經(jīng)有不少企業(yè)將微藻添加到雞飼料中,生產(chǎn)出富含不飽和脂肪酸的高品質(zhì)雞蛋。
普通雞蛋(左)和微藻雞蛋(右)
生物肥料
微藻生物肥料,利用微藻建立土壤微生態(tài)系統(tǒng),增強土壤營養(yǎng),改善土質(zhì)、從而促進植物生長,提高產(chǎn)量及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。目前,已經(jīng)有商品化的微藻生物肥料。
未用微藻生物肥(左)和使用微藻生物肥(右)的蕓豆植物
護膚和藥妝品行業(yè)
護膚品
雨生紅球藻中的蝦青素由于強大的抗氧化性能,添加到護膚品,具有抗皺紋及皮膚老化、抗嗮、防紫外等作用。同時,微藻提取混合物,主要有蛋白、脂肪酸、胡蘿卜素、多糖等也常作為護膚和藥妝品的添加劑,具有清除老化皮膚細胞,保持皮膚健康的功能。目前,市場上已經(jīng)有不少含有微藻活性成分的護膚和藥妝品,如美國的商品名為“Alguronic Acid”的藥妝產(chǎn)品。
材料行業(yè)
生物塑料
微藻藻體直接與樹脂混合加工生成泡沫塑料,目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn),并生產(chǎn)出了微藻生物塑料產(chǎn)品。詳見本公眾號往期內(nèi)容。
微藻塑料制成的鞋子
環(huán)保行業(yè)
生物固碳
利用微藻光合生長過程中吸收二氧化碳的能力,實現(xiàn)對工廠和燃煤電廠排出的二氧化碳進行生物固碳,實現(xiàn)碳減排和生物資源的循環(huán)利用。目前該技術(shù)應(yīng)用屬于熱門話題,處于中試和示范階段,尚未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。
德國水泥廠旁邊的微藻固碳示范系統(tǒng)
廢水治理
與微藻生物固碳一樣,利用微藻進行廢水處理,也是熱門話題。利用微藻吸收廢水中的有機物及氮磷元素的功能,可實現(xiàn)大幅度降低廢水中的COD,總氮、總磷等含量。隨著我國對環(huán)保的要求越來越嚴,高環(huán)保壓力下將會極大地促進該技術(shù)的發(fā)展。目前,微藻處理廢水技術(shù)處于示范和推廣階段。
能源行業(yè)
生物能源
利用微藻積累油脂的能力,可以將藻細胞內(nèi)油脂提取后或整個藻體水熱液化后,經(jīng)進一步加工和精制可以生產(chǎn)生物柴油。此外,利用微藻體作為原料,經(jīng)發(fā)酵可生產(chǎn)燃料乙醇,或經(jīng)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)甲烷,或燃燒進行生物質(zhì)發(fā)電,還可以微藻產(chǎn)氫。利用微藻產(chǎn)生物質(zhì)能源前景很好,但難度很大,主要是成本過高,目前處于中試和示范階段,離商業(yè)化應(yīng)用可能需要還有一段時間。
建筑與藝術(shù)行業(yè)
微藻建筑物
德國建成了世界上第一座結(jié)合微藻的建筑物。在建筑物的南面墻體表面嵌入了光生物反應(yīng)器,用于培養(yǎng)微藻。微藻經(jīng)采收后用于燃燒發(fā)熱,給建筑供暖,同時燃燒產(chǎn)生的二氧化碳又返回給微藻作為碳源供微藻生長,實現(xiàn)碳的循環(huán)利用。同時,建筑物表面的微藻可以給房間遮陰,隔熱及降低外界的噪音。
德國的微藻建筑物
航空航天行業(yè)
受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)
受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)(Controlledecological life support system,CELSS),是人工建造的微型密閉生態(tài)系統(tǒng),即在太空艙中實現(xiàn)物質(zhì)的自主循環(huán)和自給自足,從而持續(xù)供應(yīng)宇航員生存所需的食物、氧氣和凈水等。微藻光合作用產(chǎn)生的氧氣可提供給宇航員呼吸、產(chǎn)生的二氧化碳重新被藻類吸收實現(xiàn)循環(huán),同時微藻還可以作為食物供給宇航員食用。