1.微藻的生物学特性

微藻是广泛存在的光合微生物，栖息于水生环境中，是水生态系统中的初级生产者。在水产养殖中，微藻对水环境产生重要影响及作为食物来源。微藻是野生捕捞鱼类的直接或间接食物来源，这对鱼粉和鱼油生产至关重要。对于幼体水生动物而言，由于微藻大小适宜且具有营养价值，主要被用作活体饵料。微藻也是其他活体饵料（包括轮虫、卤虫和桡足类）的重要食物来源和营养补充剂。微藻中蛋白质、脂质和碳水化合物的含量分别占干细胞重量（DCW）的12%-65%、2%-23%和5%-26%。此外，微藻富含生物活性化学物质，如ω-3长链多不饱和脂肪酸（LC-PUAs）、矿物质、多糖和维生素，使其适合作为可持续的水产饲料添加剂。在水生动物产品质量方面，研究发现含有微藻的饲料能增强动物体色，并提高必需脂肪酸和虾青素的含量。

图1水产养殖常用藻类和微藻生物质中富含相关成分

2.微藻在水产养殖中的应用

2.1直接活体饵料

微藻因细胞大小适宜（3-50μm）且营养全面，是多种水生动物幼体的必需食物；

双壳类：牡蛎、扇贝等双壳类从 D 形幼虫阶段开始摄食微藻，且整个生命周期依赖微藻作为主要食物，常用种类包括角毛藻、小球藻等；

虾类：凡纳滨对虾等幼体从蚤状幼体阶段开始滤食微藻，Chaetoceros（角毛藻）和 Isochrysis（等鞭金藻）被证实对虾类幼体生长、变态及肌肉 EPA 含量提升最有效；

鱼类：多数海水鱼和部分淡水鱼幼体初期依赖微藻，“绿水” 养殖模式（微藻主导的水体）可同时提供微藻和浮游动物，满足鱼类幼体不同阶段的饵料需求。

2.2 次级活体饵料的营养基础

轮虫、卤虫、桡足类等浮游动物是水产幼体的关键次级饵料，其营养品质依赖微藻：

轮虫：摄食小球藻、微绿球藻等微藻后，必需脂肪酸（EFAs）含量提升，更利于鱼类幼体生长，高浓度微藻浓缩液可维持轮虫高密度培养（最高 160,000 个/mL）；

卤虫：卤虫无节幼体因缺乏必需多不饱和脂肪酸（PUFAs），需经微藻（强化，以提升其对水产幼体的营养价值；

桡足类：作为高价值海水鱼幼体饵料，其高含量 PUFAs 和类胡萝卜素源于摄食微藻（如红胞藻、等鞭金藻），混合微藻投喂可提升其产卵量。

2.3 鱼粉和鱼油的替代资源

微藻因蛋白质和脂质含量高、营养均衡，可替代水产饲料中的鱼粉和鱼油：

替代鱼粉：微藻蛋白质含量达 12%-65%（如螺旋藻含 50%-70%），氨基酸组成均衡，且含活性物质（如多糖、色素）。例如，螺旋藻可 100% 替代凡纳滨对虾饲料中的鱼粉且不影响生长，小球藻替代虹鳟鱼粉可提升抗氧化能力；

替代鱼油：微藻能合成 ω-3 长链多不饱和脂肪酸（LC-PUFAs，如 DHA、EPA），部分种类（如裂壶藻、等鞭金藻）的 PUFAs 占总脂肪酸的 37%-67%。裂壶藻可完全替代大西洋鲑、尼罗罗非鱼饲料中的鱼油，且提升肌肉中ω-3 LC-PUFAs 含量。

2.4 功能饲料添加剂

微藻富含生物活性物质，可作为添加剂改善水生动物生长、免疫及产品品质：

类胡萝卜素：雨生红球藻的虾青素、杜氏藻的β-胡萝卜素等，可提升水产品着色（如对虾、观赏鱼）、增强抗氧化能力和免疫力，天然类胡萝卜素效果优于合成产品；

β-葡聚糖：裸藻的副淀粉、金藻的 Chrysolaminarin 等，可激活水生动物非特异性免疫（如提升溶菌酶活性），增强对病原菌（如嗜水气单胞菌）的抵抗力，效果优于酵母来源的 β-葡聚糖；

维生素：微藻含丰富的脂溶性（A、D、E）和水溶性（B 族、C）维生素，

可满足水生动物需求，且在饲料加工中稳定性优于纯维生素。

图2 微藻在水产养殖中的应用

3.微藻的规模化培养

微藻的规模化培养始于20世纪50年代，1952年微藻实现了从实验室向大规模培养的跨越式发展。20世纪60年代初日本就开始大规模培养小球藻，20世纪80年代墨西哥和泰国就分别建立了螺旋藻和小球藻规模化培养的新模式。随后，日本、澳大利亚、以色列、美国、巴西和中国等也相继开始了微藻的工业化养殖。近年来，微藻已被广泛应用于水产养殖、营养保健品、药用化妆品、转基因药物、生物能源、环境净化、太空站等领域。想要实现微藻的规模化培养，首先需要对微藻进行纯化，其次需要深入了解微藻的培养方式，设计合适的光生物反应器，探究影响微藻生长的各种因素。

3.1微藻的纯化

微藻在各领域中的应用日益广泛，微藻的规模化培养势在必行。但是由于规模化培养微藻生产环节复杂，接触人员繁多，因此在培养过程中感染病菌的几率也相应地大幅度提高，藻种不纯往往会造成许多不利影响。(1)受到杂藻的稀释，目的产物含量降低严重影响产品的质量和数量；(2)不纯的藻液杂质影响对产品的加工使生产工艺更加复杂繁琐；(3)含杂藻杂菌的产品不仅会降低药效还可能产生毒副作用。

因此，微藻的纯化是规模化培养微藻不可或缺的一步。对于水体藻类的常用分离方法主要集中于利用藻类的生理生化特性实现微藻的分离纯化，其方法主要包括以下几种。

第一、利用不同藻类生长环境的不同，包括对氮、磷、无机盐等营养物质的要求不同；对温度、光照、盐度、pH等生长条件的不同；利用微藻对不同抑制剂的敏感性不同；利用藻细胞直径大小的差异不同，最终达到初步分离纯化的目的。Hong利用亚胺培南具有广谱抗菌性杀灭绝大多数的异养菌，利用卡那霉素清除亚胺培南残留的污染物达到杀菌和纯化藻种的目的。

第二、使用毛细管分离微藻，即在显微镜下将毛细管人为拉长，吸取单个藻细胞进行培养，其优点是可直接获得纯种藻细胞，缺点是技术要求相对较高。

第三、使用稀释培养及平板划线的方法，待平板上长出单一菌落后划线可分离得到单一的纯藻种。在使用传统的平板划线、涂布的方法获得单藻落后，还可以使用RT-qPCR、电泳和Western blotting的分子生物学手段来区分转基因藻和野生型藻。

3.2微藻的培养方式

建立经济高效的微藻培养技术是微藻在水产养殖中大规模应用的先决条件。目前，用于水产养殖目的的微藻生产大多在水产养殖场采用控制较少的粗放式养殖方式进行，这种方式效率低下，不稳定。因此，建立经济高效的微藻培养技术将显著推动微藻在水产饲料及水产饲料添加剂中的应用。微藻的生产效率在很大程度上取决于所采用的培养方式，主要有三种类型：光自养、异养和混养。光自养是是指微藻直接利用太阳能，固定大气中的CO2进行生长，是目前微藻规模化培养的主要方式。微藻单位CO2固定能力是陆生植物的10–50倍。CO2固定是指微藻通过光合作用，在腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine triphosphate，ATP)和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Triphosphopyridine nucleotide，NADPH)提供动力的条件下，将CO2和水转化为有机化合物的过程。与陆生植物相似，微藻同样借助卡尔文循环捕获二氧化碳，包括羧化、还原和再生3个阶段。在微藻中，CO2通过细胞壁、细胞膜、细胞质、叶绿体膜、基质和细胞外边界层的连续交叉传递到核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶上，最终实现碳的固定。微藻培养效率的提高在很大程度上得益于光生物反应器（PBRs）设计的进步。理想的光生物反应器应促进高光能利用率、具备较低的资金和运营成本、易于操作、便于清洁和维护、使用寿命长等。

 

图3 藻类培养

异养是一些微藻物种在无光条件下利用有机碳（如葡萄糖、甘油和乙酸盐）作为能源和碳源，微藻的异养培养可以使用传统发酵罐来实现，这与用于其他微生物（如细菌和酵母）发酵的设备类似。在异养条件下培养不仅可以规避光能自养过程中光照的限制，还可以根据微藻发酵的最佳需求精确控制环境因素（如温度、pH值和溶解氧）以及营养物质的添加。因此，微藻在异养条件下的生长速率和生物量产量远高于光能自养条件下的情况。有研究表明，微藻在异养条件下的最大生物量平均比光能自养条件下高10倍。有报道称，单细胞尖细栅藻发酵的微藻生物量最高，可达286 g /L-1。在异养条件下实现高细胞密度大大降低了收获成本，收获成本占微藻总生产成本的20% - 30%。此外，尽管少数类型的细菌确实会污染异养微藻培养物，但异养微藻培养物中其他污染物的多样性和发生概率低于自养培养物。

混养是一种结合了光能自养和异养优势的培养模式，它使微藻既能通过光能自养利用无机碳，又能通过异养利用有机碳。与自养相比，混合营养具有更高的生长速率和生物量产量，类似于异养。此外，在混合营养条件下培养的微藻消耗无机碳(CO2)并产生氧气，导致其总(CO2)排放量低于异养条件下的排放量。此外，在光照条件下，混合营养微藻细胞中的有价值色素和类胡萝卜素能够得以保留。因此，混合营养是一种很有前景的培养模式，可用于大规模商业生产虾青素和叶黄素等高价值微藻类胡萝卜素。目前为止，许多微藻种类，包括索氏小球藻、钝顶螺旋藻、雨生红球藻和布朗葡萄藻，都已在混合营养条件下成功培养。混合营养微藻培养可以在光照的光能自养光生物反应器或添加有机碳的光照发酵罐中实现，然而，很少有生物反应器是根据混合营养微藻的代谢特性专门设计的。

3.3光生物反应器

光生物反应器(Photobioreactor，PBR)在微藻规模化培养中发挥着至关重要的作用。目前，由于光生物反应器的设备投资和运行成本高且寿命相对较短，故其应用于微藻的规模化培养仍旧很难。典型的光生物反应器是一种以培养基为液相、细胞为固相、富CO2的空气为气相的自噬培养三相体系。光作为一个独特的特征是一个叠加的辐射场，通常被称为第四相。目前，光生物反应器主要包括开放式和封闭式两大类。市面上也已出现了各种类型的光生物反应器，包括跑道式、蓄水池式、柱式、管道式、平板式、塑料袋式等。

3.3.1开放式光生物反应器

开放式光生物反应器主要分为自然池塘、人工池塘、带搅拌装置的循环池以及人工制作的开放式光生物反应器等(图4)。

图4三种开放式光生物反应器

其构造简单、成本低廉、操作方便的优点使其成为目前微藻商业化培养中应用最广泛的系统。开放式光生物反应器以太阳光为主要光源，由于太阳光的穿透力有限，在规模养殖中多进行浅水养殖，并采用泵或浆轮使藻液达到有效混合，此培养方式多为单层跑道池培养。2014年Schoepp等在8000 L的跑道池中培养二形栅藻(Scenedesmus dimorphus)，采用自然光源，测定藻的平均生长率可达0.054 g/(L·d)，最大密度为0.625 g/L。尽管开放式的跑道池成本低、操作简单，但由于其露天的原因，易受环境、气候的影响，易受杂藻、杂菌的污染，同时反应器占地面积大，其光合效率也相对较低。为此，Hu等设计了开放式多层光生物反应器，藻液可以利用重力进行流动，降低了成本，同时减少了反应器的占地面积。但同时多层光生物反应器也具有上层遮蔽下层太阳光的缺点，为此刘玉环等设计研制了仿生型叠层式微藻光生物反应器。他们借助仿生学的原理，通过调整储液槽的倾角使阳光可以被微藻充分利用。

3.3.2封闭式光生物反应器

柱式光生物反应器主要由种子罐、发酵罐、气体发生装置、控制装置和光源组成。种子罐负责藻种的储存；发酵罐即规模化培养的生产罐；气体发生系统主要负责光反应器的灭菌和充气；控制装置连接一台计算机，可实时调控温度、光照、pH、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)等，实现光反应器的自动化管理；光源包括外置光源和内置光源，外置光源操作方便，但光能利用率低，当藻液达到一定浓度时，光能传播的衰减作用也逐步加剧，由此造成反应器内部出现暗区，暗区出现后藻细胞的生长就会达到极限，藻细胞的增殖也随之停止，为此孙溢华等设计使用内置光源大大提高了光能的利用率，藻细胞生物量也得到了大幅度提高。柱式光生物反应器具有传质效率高、混合均匀、剪切力小、光能利用率高、微藻培养密度高等优点，但因为其培养体积小、成本高昂、清洗困难等问题使其很难大规模应用于实际生产，多应用于实验室规模的微藻培养研究。

平板式光生物反应器的应用比较广泛，反应器材质也比较多样，如玻璃、树脂玻璃等各种材料均可应用于平板式光生物反应器。平板式光生物反应器根据藻液混合的方式可分为气升式和泵循环平板光生物反应器。气升式平板光生物反应器采用气升系统促进藻液混合，泵循环即通过空气泵促进藻液的循环。平板式光生物反应器具有光照表面积大、微藻培养浓度高、光照利用率高等优点，但平板式反应器的光路径短，放大困难，同样也增加了生产成本。

管道式光生物反应器是一种比较合适和相对可行的户外大规模培养的光生物反应器，具有相对较大的光照表面积，可以利用空气泵实现藻液在管道内的循环[。制作材料通常采用透明的玻璃管或者塑料管，管道采取不同的模式(如直、弯、螺旋)排列，以最大限度地获取阳光。为了提高土地的利用率，管道通常以水平的栅栏式进行排列，这也相应地增加了运营成本。管道式光生物反应器的直径一般为10 mm，最大可达60 mm。然而管道式光生物反应器仍然存在许多缺点，管道式光生物反应器由于内部直径较小，极易发生细胞贴壁现象，增大流体阻力，影响光线射入，导致微藻的光合效率下降。为此，及时进行机械清洗是必不可少的一部分。同时，还应考虑CO2和O2的梯度以及反应器出入口之间的pH值的差别。由于传质的问题，通常导致曝气区溶解二氧化碳(Dissolved carbon dioxide，DCD)浓度较高，而在脱气区DO浓度较高。此外由于管道的体积有限，通常在管道外额外添加一密闭的储液桶，大大提高了反应器的培养体积。

塑料袋式光生物反应器是一种极具发展前景的新型反应器，由于其成本低廉，近年来在微藻的工业化生产中受到越来越多的关注。2014年Schoepp等使用塑料袋、跑道池和蓄水池3种方式培养二形栅藻和微拟球藻发现塑料袋式反应器的生产力是最高的。由于塑料袋的可延展性和低成本性在规模化培养雨生红球藻中也获得越来越多的重视。2013年Chen等使用塑料袋式光生物反应器大规模培养小球藻(Chlorella sorokiniana，CY1)。但是塑料袋的清洗及其寿命短的问题也是阻碍其发展的重要原因。

4.影响微藻规模化培养的因素

随着微藻规模化培养研究开发的深入，探究制约微藻规模化培养的因素同样至关重要。2010年Grobbelaar提出了以下八大因素。

(1)培养深度或光学截面。在开放式跑道池中光照随着培养深度的增加而逐渐衰减，而在封闭的光生物反应器中，光衰减和分布则更为复杂。

(2)混合和由此产生的传质。封闭式光生物反应器较开放式的跑道池拥有更好的混合传质。

(3)营养物质和CO2的供应以及赤字区的预防。

(4)生物量浓度即培养密度。

(5)操作方法的选择：分批、半连续或连续培养。

(6)温度以及DO值。

(7)微藻培养产生的有机渗出物，可能存在自抑制作用。

(8)外来物种的入侵。

除以上所述8个方面，光质、生产成本、pH值和盐度亦是影响微藻规模化培养的因素。在进行微藻规模化培养之前需要对以上影响因素进行详细考量。

5.总结和展望

微藻凭借丰富的营养和多样的功能，在水产养殖中可作为直接饵料、鱼粉、鱼油替代品及功能添加剂，为解决行业可持续发展难题提供了新思路。尽管面临成本和技术挑战，但随着异养发酵等技术的进步，微藻有望成为未来水产养殖的核心资源，推动行业向绿色、高效方向发展。微藻规模化高效培养仍有很长的路要走，通过深入研究微藻自养、异养及混养方式的特点，并利用合适的光生物反应器，采取合适的采收方法，将微藻规模化培养与环境治理相结合，必将有利于微藻产业的长远发展。