引言

微藻资源丰富，富含多种营养以及生物活性物质，在功能或保健食品、替代蛋白、动物或水产饲料、护肤品、生物肥料等领域具有广泛的应用前景。微藻产业化的实现取决于优良品种的选育和大规模培养的优化等。微藻合成生物学的技术开发和应用为精准育种提供了可能；新的微藻生物发酵技术可实现微藻养殖从传统农业到工业生产模式的变革，为商业化生产提供了保障。微藻资源的开发和利用是获取新型生物资源的一个重要方向，相对于细菌，酵母，和动物细胞，利用微藻获取高价值产品具有独特优势。

01 微藻资源丰富

微藻是微型的藻类，只在显微镜下可见；原则上是指一类生活于水中，含有叶绿素且可进行光合作用，以单细胞、丝状体或细胞聚集体生长或繁殖的生物个体，如图1所示。但在进化过程中，有些藻类适应于陆地生活，如发菜；有些藻类失去了光合作用的能力，可以在黑暗情况下进行异养生长；有些藻类同时具有进行自养以及异养生长的能力，如某些小球藻和衣藻。微藻种类繁多，已经描述的微藻有3万多种；分布于所有的藻类类群，包括绿藻门、红藻门、杂色藻门、隐藻门、甲藻门、裸藻门等。微藻亦称浮游植物，微藻通过光合作用固定二氧化碳，贡献了地球大约50%的初级生产力，是水体中浮游动物和鱼类等的食物来源。

图1 微藻形态多样性（图源：Current Biology[1]）

02 微藻富含多种营养或生物活性物质

微藻光驱固碳后可用于合成多种具有重要应用价值的营养或生物活性物质，微藻中已被鉴定的化合物有1.5万种，包括蛋白、脂质、多糖、色素、萜类等，如图2所示。以下对微藻中几类主要营养或生物活性物质及其潜在开发应用前景进行概括性总结。

图2 微藻天然产物多样性（图源：本文作者）

微藻蛋白含量通常较高，某些种类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。微藻蛋白富含人体所需要的所有必需氨基酸，具有较高的营养价值，可作为新型的人类食物蛋白替代品，目前也已被开发应用于功能性食品和保健品中。

微藻富含多种脂类物质，特别是对人体心血管健康和大脑发育至关重要的多不饱和脂肪酸(PUFAs)，例如海洋微拟球藻富含二十碳五烯酸(EPA)，破囊壶藻（亦称裂殖壶藻）、寇氏隐甲藻富含二十二碳六烯酸(DHA)等，因此微藻脂质资源开发利用在营养保健领域有着巨大前景。微藻脂质含量和组成与培养条件密切相关，尤其在环境应激条件下，某些微藻的脂质含量可显著提高至干重的50%以上。此外，微藻脂质在生物燃料领域表现出巨大潜力，可通过酯交换将其开发制备成生物柴油，用于替代传统化石燃料，提供一种绿色、可持续的新型能源。

微藻可以合成结构多样、组成复杂的多糖。微藻合成的多糖具有高营养价值，同时还具有免疫调节、抗氧化、抗病毒、抗炎等多种生物活性功能，如螺旋藻多糖（主要是胞内多糖）、小球藻与紫球藻多糖（主要为胞外多糖）。因此，除了在食品领域作为膳食纤维和功能性成分外，微藻多糖在医药领域也有较大的潜力。

微藻可以合成多种色素，呈现出五彩斑斓的色彩。不同微藻在传统上多以颜色分类，如红藻、黄藻、褐藻与金藻等。微藻天然色素的多样化除了赋予微藻丰富颜色外，还拓宽了微藻的吸收光谱，可以吸收较宽波长范围内光的能量，增强了其应对环境适应的能力。微藻色素也具有重要的医药或保健功能。蓝藻富含藻胆色素，其具备抗氧化、抗辐射、抗炎等多种功能；盐藻富含β-胡萝卜素而雨生红球藻富含虾青素。β-胡萝卜素尤其是虾青素作为极强的抗氧化剂，目前在护肤品、抗衰老产品和营养补充剂中都有广泛的应用前景。因此，微藻色素由于其天然性和生物活性，不仅已成为食品工业中重要的天然色素来源，还可应用于化妆品行业以及医疗保健领域。

此外，微藻还能生成其他多种具有高效药理活性的化合物，包括多酚类化合物、萜类化合物和生物碱等。部分微藻可产生外泌体，其富含脂类和生物活性物质，具有用于美容护肤产品的潜力。总之，微藻富含多种重要的、高价值的营养或生物活性物质。未来，有望通过微藻藻种资源开发、遗传改造、培养优化等多种生物技术手段，进一步提升微藻中营养、生物活性物质的质量与产量，从而推动微藻产业的可持续发展，使其成为解决未来食品、能源和健康等问题的重要生物资源库。

03 列入新资源食品的藻类

目前，随着研究的深入，众多微藻的生物安全性已经得到认可，已有许多微藻被美国、欧盟和中国列入新资源食品，如表1所示。如富含蛋白的蛋白核小球藻、积累β-胡萝卜素的杜氏盐藻、富含营养的莱茵衣藻、产虾青素的雨生红球藻和产DHA的破囊壶藻，以及富含油脂的拟微球藻、原始小球藻等。在中国，这些藻不仅被列为新资源食品，还被列为饲料或者化妆品原料。蛋白核小球藻、普通小球藻、原始小球藻、拟微球藻、破囊壶藻等的藻粕或藻粉可作为饲料，普通小球藻、杜氏盐藻、雨生红球藻、莱茵衣藻、紫球藻等的提取物或发酵产物可作为化妆品原料，如从雨生红球藻中提取的虾青素可以制成医美面膜，起到美白抗氧化的功效。

表1 部分真核微藻的价值及市场准入

04 微藻生物育种

生物技术的迅猛发展，极大地推动了微藻的生物育种进程。传统的育种模式包括从自然界筛选优质藻种，以及通过物理或化学诱变的方法获得快速生长或富含高价值化合物的藻种。物理诱变方法包括紫外照射和等离子体处理等，而化学诱变则是使用化学诱变剂如甲烷磺酸乙酯(EMS)或N-甲基-N'-硝基-N-亚硝基胍(MNNG)等处理细胞，进而可产生基因缺失或点突变。这些诱变方法随机性较大，突变基因未知且不可控制，后期还需要经过大规模筛选和鉴定，流程繁琐且复杂。而通过合成生物学的方法可以对微藻进行定向改造，直接构建具有目标农艺性状的工程藻株，实现精准育种。微藻定向遗传改造需要建立在清晰的遗传背景之上，这依赖于高质量的基因组信息。目前，已有超过120种微藻的基因组得到较为完整的测序与解析，其中少数微藻已拥有成熟的基因转化与编辑技术，最突出的是莱茵衣藻、三角褐酯藻、微拟球藻等。利用合成生物学基因编辑等技术，一方面可以将与目标产物竞争的代谢旁侧支路进行敲除，从而调整合成通路的代谢流使目标产物富集，提高目标产物的产量；另一方面，可导入外源或改造的内源原因，构建新的代谢环路或促进特定基因表达，从而合成新的产物或提高目标产物的产量。现代育种方式可以不局限于单一的方式，可将传统育种模式与合成生物学手段相结合，高效获得目标工程藻株，如图3所示。

图3 微藻育种（图源：本文作者）

05 微藻大规模培养

微藻资源开发需要获得足够的生物量，实现产业化大规模培养才能实现商业价值。微藻具有多种营养方式，可以利用光自养、兼养或异养进行大量繁殖。传统的微藻养殖的反应器包括开放池、跑道池、光反应器等。开放池和跑道池易产生微生物污染，且受天气因素影响较大；而光反应器造价比较昂贵。这几种反应器最重要的缺陷是生物量比较低，每升细胞干重仅为克级水平，极大地限制了藻类资源的商业开发。而利用藻类异养模式即发酵的方法，可以达到每升100克以上的生物量，并且生长收获时间短。生物发酵的方法需要使用有机物作为物质和能量来源，如葡萄糖、乙酸等，成本较高；但是，短时间内获得足够的生物量可以在商业上弥补这一缺陷。从传统的培养模式到生物发酵的培养方法，代表了一种从传统“农业”到工业的一种变革方式，会极大地促进藻类资源的商业开发。

图4 微藻生物发酵（图源：元育生物[2]）