全 文 ：《生物工程进展》1998,V ol . 18, No. 6
小球藻生物技术研究应用现状及展望
陈　颖　李文彬　孙勇如
(中国科学院遗传研究所　北京　100101)
摘要　本文概述了小球藻的培养技术和小球藻生物活性物质、小球藻天然药物及其它小
球藻天然产物的开发利用现状, 介绍了小球藻基因工程和利用生物技术将小球藻作为能
源开发以及利用小球藻生物技术治理环境污染的最新进展,并对小球藻生物技术的研究
应用提出了展望。
　　
　　1　引言
小球藻(Chlorella spp. )是一类普生性单
细胞绿藻, 属于绿藻门 ( Chlorphyta )绿藻纲
(Chlorophyceae)绿球藻目( Chlorococcales)卵
囊藻科(Oocystaceae)小球藻属(Chlorella) , 早
在 20亿年前就出现在地球上,形状呈球形或广
椭圆形,直径 3～12Lm, 其种类繁多, 生态类型
多样, 在淡水、海水中均有分布,在人工培养基
中也能良好生长。现在世界上已知的小球藻有
15种左右,加上它的变种可达数百种之多。我
国常见的种类有蛋白核小球藻 ( Chlorella
phyrenoidosa )、椭 圆 小 球 藻 ( Chorella
ell ip soidea ) 和 普 通 小 球 藻 ( Chlorella
vulgar is) [ 1]。由于小球藻生态分布广, 易于培
养,生长速度快,是进行生物技术研究的很好材
料,而且营养丰富, 是很好的单细胞蛋白来源
( SCP)。因此小球藻具有很高的应用价值, 它与
螺旋藻、盐藻、栅藻等微藻的开发利用一起构成
了微藻生物技术(Microalgal biotechnology) ,
发展成了生物技术领域的一个新的重要的分
支。
本文就小球藻生物技术研究现状进行了概
述,并展望了其在农业和医药、食品等工业中的
开发利用前景。
　　2　小球藻的培养技术
小球藻可在自养条件下利用光能和二氧化
碳进行正常的自养生长, 也可在异养培养条件
下利用有机碳源进行生长和繁殖。目前其培养
方式主要包括开放式培养和封闭式培养[ 2, 3]。开
放式培养在敞开容器中进行, 一般用水泥池,
CO2可以采用人工供给或依靠与空气的自然交
换,并通过人工搅拌使空气中的 CO2 溶解的方
法来补充。但开放式培养存在一些不易克服的
缺陷:首先是不可避免地受到自然条件(如阳
光、温度等)的影响和限制,产量、质量难以维持
稳定;其次是易受到异种生物的污染甚至取食,
引起培养藻液的退化甚至培养失败。封闭式培
养主要有密闭发酵罐和玻璃管道光合生物反应
器培养,离心式水泵搅拌或气升式搅拌,补加无
机营养液或有机营养液及 CO2 ,产量约为开放
式培养的 10倍。用管道光合反应器大规模培养
小球藻的工艺流程如图 1所示[ 3]。虽然封闭式
培养设备成本高,但便于控制,能抗污染, 可提
高产率,生物系统的稳定性好,质量和产量也较
稳定。小球藻培养既可利用自然光,也可人工光
照, 最适光强为 2000～ 5000lux, 温度 25～
30℃, pH6. 5～7. 5, 主要使用无机营养液进行
培养,也可在培养基中加入果糖、乙酸、甘油、半
乳糖、葡萄糖等物质,使其变成异养生长。营养
液配方根据产品的目的不同而不同,作为人类
健康食品和医药制品为目的的产品,无机营养
12
DOI：10.13523/j.cb.19980602
液要求用分析纯的化学试剂配制;作为饲料添
加剂为目的的产品,可以使用化学肥料,补充微
量元素。小球藻同其他微生物相比, 藻产物较
稀,因此收获中需采取有效的脱水步骤。过去小
球藻细胞的收获常采用凝结法、絮凝法、沉淀
法、过滤法等等,但这些方法严重影响产品的质
量,目前主要采用离心法收获小球藻,滤液有时
还可以循环使用。该方法很有效,但需要较高的
投资和耗能。
图 1　管道光合反应器大规模培养
小球藻工艺流程
* 染世中、姜悦、陈峰,中国生物工程学会第二次代表大
会论文摘要集, 1997
　　3　利用生物技术开发利用小球藻天然产
物的现状
　　运用生物技术开发利用海洋生物天然产物
的研究是近年来海洋生物技术领域十分活跃的
部分。尤其随着人们对海洋生物资源开发的日
益重视以及对海洋制品的逐渐崇尚, 小球藻天
然产物的开发利用也越来越深入,越来越广泛。
3. 1　小球藻生物活性物质的开发与利用
研究表明,小球藻中富含以二十碳五烯酸
( Eicosapentaenoic acid, EPA)和二十二碳六烯
酸( Docosahexaenoic acid, DHA)为代表的 X-3
高度不饱和脂肪酸 ( Polyunsatur ated fatty
acid, PUFA) ,经医学临床证明有多种重要的生
理功能[ 4, 5]。从小球藻中生产的 X-3PUFA 无腥
味,不含胆固醇,提纯工艺成本低。为获得 EPA
和 DHA, 可直接培养小球藻生产 EPA 和
DHA, 又可藉助细胞融合技术将含大量 EPA
和 DHA 但生产缓慢的海洋小球藻与不含 EPA
而生长快的淡水小球藻进行细胞融合获得杂合
新型小球藻, 能有效较快地合成 EPA 和
DHA[ 6]。目前香港大学生物发酵与食品技术中
心正与华南理工大学食品与生物工程学院等合
作开展微藻异养生产 X-3PUFA 的研究, 已选
育出异养生长较快且 PUFA 有一定水平的藻
种, 现在正进行其营养特性和异养工艺优化的
研究,并计划研究开发高效微藻深层培养反应
器,研究在异养条件下微藻细胞合成 X-3PUFA
的机理及代谢调控*。从小球藻中还可提取其
它多种有效成分,其中最引人注目的是小球藻
生长因子 CGF (Chlorella growth factor )。在
CGF 中含有对细菌、酵母、蘑菇生长的促进物
质、植物激素物质和调味物质,并富含维生素,
可作为生产维生素 A、维生素 B1、维生素 B2、维
生素 B6和维生素C等的来源[ 7]。现代高新分离
提取技术得到了日新月异的发展, 真空精馏、分
子蒸馏、超临界流体萃取等纯天然分离技术的
应用[ 8]使得天然生物活性物质的提取成为当今
的一大热点, 小球藻生物活性物质的开发利用
也就日益受到人们的重视。
3. 2　小球藻天然药物的研究现状
近年来,欧美日等国很重视海洋药物的研
究开发,对数千种海洋生物进行了各种生物活
性物质的筛选,并取得了一些重大进展。至今,
国外已生产的海洋药物有:角鲨烯、海星代血
浆、藻酸脂钠、刺参粘多糖、人造皮肤、喹啉酮
等[ 9]。
小球藻中含有丰富的生物活性物质, 已证
明从小球藻中可提取出两种分子量不同的糖蛋
白: 其一分子量为 120, 000; 另一分子量为
70, 000。它们均具有抗肿瘤活性。此外,小球藻
多糖和糖蛋白对腹水肝癌 AH44、AH41c、白血病
L-120、艾氏腹水癌、Meth A 肿瘤均显示了抗
13
肿瘤活性[ 10, 11]。对 170种微生物(其中包括 11
种小球藻、10种栅藻、1种空盘藻和 1 种星盘
藻)中分离的多糖和糖蛋白的效果进行比较发
现: 小球藻 ( Chlor ella ovalis Ch. 48)、栅藻
( Sceneclesmus Tcp-3p、Sc. Obliqnus 和 Sc.
nanns)的糖蛋白制剂对小鼠抗感染效果最好,
可以与已知最新的免疫化疗剂 Levamisole 相
比(见表 1) [ 11] , 与其它抗癌药物合并使用, 可增
强免疫能力, 减少抗癌药物的用量,提高疗效。
表 1　小球藻糖蛋白制剂与免疫化疗剂
Levamisole 比较
致病菌 存活小鼠( % )
Levamisole 小球藻糖蛋白制剂
绿浓杆菌 50 100
金黄色葡萄球菌 40 100
肠炎沙门氏菌 30 90
研究小球藻在医药上的应用, 筛选并提供
具有药理作用的某些成份, 特别是已被证明具
有抗肿瘤活性、增强免疫力和抗病原菌和病毒
感染能力方面有显著效果的多糖和糖蛋白,已
成为小球藻应用领域十分活跃、备受重视的一
个方面。原西德 Kiel大学药物生物学研究所正
在进行小球藻潜在药物成份分析研究。美国的
一些科研机构和公司也正在探索从微藻中提取
抗癌、抗感染和治疗艾兹病的治疗剂的研究。
3. 3　小球藻天然产物在其它方面的利用
小球藻蛋白质含量高,可作为单细胞蛋白
( SCP)的一个重要来源, 同时富含人和动物所
必需的多种氨基酸、维生素等营养成份(见表
2)。大多数微型绿藻都具有含一层较厚纤维素
的坚韧的细胞壁, 从而影响了人们对其蛋白质
的利用,消化吸收率也随之降低,但只要经过适
当处理和充分消化和采用化学方法或用煮沸、
转筒干燥、喷雾干燥或日晒干燥等方法使细胞
壁破裂,其消化吸收率可达 86% ,仍具有很高
的营养价值。将小球藻干粉脱色处理,分离叶绿
素、胡萝卜素,可作为天然色素原料。
小球藻中还含有未知的生理活性物质,具
有活化皮肤细胞, 加速新陈代谢,延缓细胞衰老
的功效,是优良的化妆品原料。前苏联、日本等
国均有将小球藻水溶性提取物添加剂加到护肤
品和口红等化妆品的专利。小球藻的提取物中
还含有抗氧化成分,可添加入食品油脂中作为
抗氧化剂, 改善食物的品质和延长食品的保质
期。
表 2　小球藻的主要化学成份(100g干藻粉)
基本成分(g ) 氨基酸( g) 维生素及色素( mg)
蛋白质 55～67 Lys 3. 08 VB1 1～3
粗纤维 1～4 Arg 4. 07 VB2 3～8
脂　质 8～13 Th e 2. 29 VB6 0. 3～1. 2
灰　分 5～8 His 1. 01 VB12 0. 06～0. 1
糖　类 10～20 Asp 5. 34 Vk 0. 17～1. 8
水　分 3～5 Ser 2. 42 VE 9～15
矿质元素( mg) Glu 6. 27 Vc 25～100
K 700～1400 Ala 3. 33 烟酸 16～25
Na 64 Met 0. 75 叶酸 0. 02～0. 06
Ca 40～150 Pro 2. 58 胆碱 200～500
Mg 100～3500 Cys 0. 24 泛酸 1. 2～4. 5
Fe 70～250 Gly 3. 18 生物素 0. 18～0. 25
Co 0. 01 Val 4. 14 肌醇 150～450
Mo 0. 05 Leu 5. 04 亚麻酸 1. 2～2. 9
Mn 1 Phe 3. 09 亚油酸 1. 4～2. 2
P 12 T ry 1. 42 叶绿素 3000～3800
B 0. 63 Ile 2. 41 胡萝卜素 75～115
T yr 7. 82
4　小球藻基因工程研究现状
藻类基因工程较之动植物基因工程起步要
晚, 60年代首先对蓝藻(Cyanobacter ia)进行了
分子遗传学的研究,而真核藻类的基因工程则
起始于 80年代, Rochaix 和 Dillewjin( 1983) [ 12]
第一个报导了他们利用质粒为载体对单细胞绿
藻—莱茵衣藻( Chlamydomonas reinhardii ) 进
行基因转移的研究,随着真核藻类基因工程研
究的广泛深入, 目前除了真核藻类遗传转化研
究的重要模式—莱茵衣藻外, 小球藻已成为另
一个单细 胞绿藻的转 化系统。Jar ivs 等
14
( 1991) [ 13]用 PEG 法成功地将荧光素酶基因导
入椭圆小球藻( C. ell ip soidea )的原生质体中获
得了瞬间表达。但由于小球藻细胞壁成份复杂,
不易获得高产量的原生质体,因此PEG转化法
对小球藻具有一定的局限性。Chen等[ 14]用基
因枪法将 GUS 基因成功地导入完整的小球藻
细胞中,得到瞬间表达,并且研究了基因枪法对
外源基因导入小球藻的影响因素。现已证
明[ 13 , 14, 15] : CaMV35S 启动子、SV40启动子、小
鼠金属硫蛋白 I 启动子、禾本科植物中常用的
Ubiquit in 启动子均能驱动外源基因在小球藻
中表达,可做为小球藻基因工程的启动元件。
我们现在正在进行防御素基因在小球藻中
的高效表达研究, 转化系统包括转化方法、选择
标记都已建立起来, 正在进行高效表达载体的
构建。之所以开展小球藻基因工程研究,是希望
利用小球藻作为新型生物反应器,使防御素基
因在其中高效表达, 以大量提取从哺乳动物特
异细胞中发现的一类新型的具有广谱微生物抗
性的多肽物质——防御素基因的表达产物,使
造价昂贵的防御素的医药用途得以实现。
目前,在蓝藻中已经克隆出几十种基因,在
螺旋藻和红藻中发现了质粒, 但小球藻的基因
工程研究在国内外仅有为数不多的报道,分子
遗传学方面的研究更是寥寥无几。对小球藻基
因工程的研究仍处于探索阶段,作为小球藻生
物技术不可缺少的部分,还应予以更多的重视
和投入。
5　利用生物技术将小球藻作为能源开发及治
理环境污染的现状
　　随着 70年代以来全球性环境危机特别是
温室效应,臭氧空洞和光化学烟雾,以及所谓石
油危机引起的能源恐慌,寻找新的无污染、可再
生的替代能源就成为研究者的重要课题。研究
表明小球藻除了可以进行光合自养生长外,在
一定培养条件下还可以转化成类似于细菌那样
的异养生长,从而引起细胞结构、生化成分、代
谢途径等的变化[ 17]。在自养小球藻细胞转化为
异养生长后, 细胞内脂溶性化合物增多,高温下
产油产气效率高,烃含量大量增加,比纯自养培
养的提高数倍[ 18]。这一发现引起了世界范围内
的广泛重视, 期望将藻类做为新型的替代能源
生产者,以解决世界人口日益膨胀而带来的能
源危机。利用藻类产烃一方面要对其合成机理
进行深入细致的研究, 更重要的则是从提高烃
产量并向产业化方向发展。后者的实现,一是靠
继续寻找潜在的高产烃藻类或品系,二是采用
遗传工程手段, 改造现有较有潜力的藻种如小
球藻,使藻类烃作为石油替代品早日实现产业
化[ 19]。1993 年美国国家可更新能源实验室
(NREL)就制定并已开展了遗传工程改造微藻
增加烃产量的计划[ 20]。
当今世界随着经济建设的发展,地球污染
率逐渐扩大,“三废”也日益严重,通过生物、微
生物技术进行治理, 并使之形成产业化,既清除
污染物,保护环境, 同时从中获得有价值产品,
产生很好的经济、社会和环境效益。研究表明:
食品加工过程中产生的各种废料, 如鱼的内脏、
鳞片、米泔汁、洗槽水以及社会污水等, 都含有
足够的有机质,能够做为小球藻培养液,且小球
藻在其中生长迅速而稳定,并且在冬、夏季也能
照常生长[ 1]。随着藻类固定化技术研究于 80年
代兴起,构建藻类固定化生物反应器,用于物质
能源生产及环境保护,其应用前景十分广阔。
美、日等国正在研究利用微藻进行生物转化,处
理和净化污水的技术, 部分已进入试用阶段[ 9]。
但目前阻碍进入实用阶段的主要原因在于缺乏
对生物合成、转化、积累、分泌机制的深入了解。
　　6　小球藻生物技术研究应用展望
小球藻是一种具有多方面经济价值的天然
资源,因此有着巨大的应用和开发潜力。而大量
培养小球藻则是开展各项应用研究的前提条
件。当前, 美国、日本、以色列等国家和我国台湾
等地区已成为小球藻的主要生产地,年产量约
为 1500～2000吨,而国际市场的年需求量约为
8000～10000吨。因此不断改善其培养条件,比
较不同培养基的配方, 改良培养装置和生产方
式,选育优良藻株,从而推进对小球藻的进一步
15
开发和利用,仍是今后小球藻研究领域的一个
重要课题。同时, 充分利用基因重组、细胞融合
和生物反器技术为基础的现代生物技术,不断
培育出适合人类需求的改良新品种, 大力开发
小球藻中潜在的有用物质, 使其在医药、食品、
能源等方面得到充分的应用, 是小球藻开发利
用的最终目标。
我国早在五六十年代就曾经进行过小球藻
的开发应用研究, 取得了一些成绩,同时积累了
经验, 但由于多方面的原因未能坚持下来形成
产业。在海洋资源的开发得到高度重视,海洋生
物技术迅猛发展的今天,我们应该抓住有利时
机,充分利用我国有开发利用小球藻资源的基
础以及南方地区气温高、日照充足等适于培养
小球藻的优越条件, 利用各种先进的生物技术
手段,大力开展小球藻的应用研究,以便开发出
更多的产品, 创造更大的经济效益和社会效益。
参考文献
　[ 1 ]华汝成,单细胞藻类的培养与利用,北京:农业出版社,
1986: 26- 30.
　 [ 2 ] Borowitzk a M. A . , Botowitzka L. J. , M irco-Algal
Biotech nology. Cambridge U nivers ity Press ,
Cambridge. 1992.
　[ 3 ] 李师翁、李虎乾,生物技术, 1997, 7( 3) : 45- 48.
　[ 4 ] 李烈英、于富才、李光友,海洋学报, 1994, 16( 1) : 105-
113.
　[ 5 ] Rose, D. P. and Cohen, L. A. , Carcin og eneses, 1998, 9
( 4) : 603- 605.
　[ 6 ] 罗明典,生物工程进展, 1994, 14( 3) : 16- 19.
　[ 7 ] 曹建、漆丹华、高孔荣等, 粮食与饲料工业, 1997, 5: 28
- 31.
　[ 8 ] 刘发义、李烈英,海洋科学, 1996, 4: 41- 44.
　[ 9 ] 陈来成,生物工程进展, 1994, 14( 6) : 11- 20.
　[10] 余敏、何耕兴、陈辉等,中国海洋药物, 1995, 2: 30- 34.
　 [ 11 ] Kawagushi , K. , Microalgae production system in
As ia, in “Algae Biomass Product ion and Use”, 1980.
　[ 12 ] Roch aix, J. D. and Dillewin, J . V. , Nature, 1982, 296:
70- 72.
　[ 13] Jarvis, E. E. an d Brown, L. M. , Curr Genet , 1991, 19:
317- 321.
　[ 14] Chen Ying , Li Wenbin, et al. , Chinese Jou rnal of
Oceanology and Limnology, 1998, 16( supple) ; 47- 50
　[15] Leung, W. C. , Mol. Cell. Bio, 1988, 5( 12) : 3647- 3650
　[ 16] 张大兵、吴庆余,植物生理学通讯, 1996, 32( 2) : 140-
144.
　[17] 吴庆余等,中国科学( B辑) , 1993, 23( 4) 423- 429
　[ 18] 唐赢中、黄利群、严国安,生物工程进展, 1997, 17( 2) :
23- 26.
　[19] 无为,国外科技消息, 1994, 553( 11) : 14- 15.
　[ 20] 韩晓鹏、彭海青、翟世奎, 海洋科学中若干前沿领域发
展趋势的分析与探讨,北京:海洋出版社。1994: 147-
152.
Status and Prospects of Researches and Applicat ions
of Chlorel la spp. Biotechnology
Chen Ying　Li Wenbin　Sun yongrun
( Inst itute of Gen et ics , Academia Sinica, Beijing, 100101)
Abstr act　This paper reviewed Chlorel la spp. cult ivat ion、bio-funt ional substances、nature
medicines and applicat ions of it s nature products, intr oduced the lastest progresses of Chorella
genet ic engineer ing and r esource exploitat ions, and propspected the applicat ions of Chlorella
biotechnology.
16