微藻，未来生物科技的“绿色黄金”？
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文|石敬
在荷兰阿姆斯特丹Nemo科技馆的 “未来食物”展区中，有一组由透明的玻璃管道连接而成的装置占据了展区C位，在这些管道里充满了绿色的液体，而这个装置有什么神奇呢？
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原来这些“高科技”管道由荷兰公司LGem和瓦赫宁根大学联合设计完成，名为“管式光合反应器”，管道中的绿色液体是培养液，里面培养了无数直径为几微米的微生物。这种微生物名为“微藻”，英文名称Microalgae。微藻中含有蛋白质、碳水化合物、脂类和多种人体所需的营养成分，可作为优质的食品原料和膳食添加剂。
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那么，微藻有什么特别之处呢？
微藻居然有这么多的用途！
大家所熟知的微藻有小球藻 (Chlorella) 和螺旋藻 (Spirulina)等。微藻与细菌一起构成了食物链的基础，源源不断地为上方营养层的物种提供食物来源。微藻的生物多样性是巨大的，它们代表了一种几乎未开发的资源。据估计，约存在200,000-800,000种微藻，其中有50,000种已经被科学家所证实。由此看来，在微生物界，微藻是一种尚未被大规模应用的微生物，其市场潜力巨大。
微藻作为原材料可以用来生产的产品范围从精细化学品（例如不饱和脂肪酸、类胡萝卜素、叶黄素和天然色素等）到批量应用的产品（例如蛋白质、碳水化合物和脂质等）。近年来，在微藻中发现了超过15000种化合物，因此用微藻制成的产品列表也在稳步扩大。
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譬如， 微藻含有多种天然色素，具有很强的着色能力，可以提取制成天然着色剂应用于食品市场。可口可乐的冷榨果汁公司Suja，就在2015年至2017年间连续推出了4款添加微藻的有机果蔬汁，将苹果、羽衣甘蓝、菠菜等食材与藻类融合，带给消费者清新健康的体验。
微藻的作用不仅限于此，它还有许多其他的用途，例如被制成藻类食品、动物饲料、生物燃料、天然肥料、生物塑料、化妆品和药品等。此外，它们也可以用于污水处理，微藻细胞可以用来去除污水中富集的氮、磷等营养物质，并以有机物的形式将其储存在藻细胞中，而污水中的重金属与藻细胞表面的负电荷反应点的结合发生吸附，达到修复重金属污染的水体的功能，具有高效、低耗能、环保的优势。
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微藻是单独的、链状的或者成组存在的单细胞物种，大小范围可以从几微米到几百微米不等，通常存在于淡水和海洋系统中。它们可以吸收水中的营养物质和二氧化碳，然后转化成有价值的生化产品和氧气，而微藻进行这些化学反应只需要一个能量来源——光照，所产生的氧气约占地球总量的50%左右，因此也被称为地球的“绿血球”。
荷兰与微藻的渊源，微藻在荷兰大放异彩
荷兰与微藻的渊源要从代尔夫特理工大学的第一代传奇教授马丁努斯·威廉·拜耶林克（Martinus Willem Beijerinck，1851-1931）说起，他是荷兰著名的微生物学家和植物学家，也是病毒学和环境微生物学的奠基人之一。他在1890年首次从代尔夫特的一个富营养化湖泊中取样，并成功进行了小球藻 (Chlorella vulgaris) 的无菌分离和培养。这支小球藻，经过百年来不断的培养，至今仍被众多科学家和企业广泛使用。
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如今，微藻的科研与现代化应用在荷兰广泛展开，其中，瓦赫宁根大学借助自身在现代化农业和环境技术方面的优势，对微藻的利用进行了卓有成效的研究，并建立了大型的中试基地AlgaePARC用以研发微藻生物技术，填补了微藻基础研究与大规模微藻生产之间的空白。
AlgaePARC主要设有四个不同的光合生物反应器：一个开放式系统，两种类型的管式反应器和一个塑料膜生物反应器，还有许多用于测试新技术的小系统。AlgaePARC的优势和独特性在于，它可以在相同条件下比较四个不同的大型微藻生产系统，测试小型新系统，同时获得大规模生产的实践经验。
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研究显示，利用管式光合反应器生产一公斤某微藻（干重，即去除水分后的净重量）的成本约为40欧元，而该微藻产品在膳食补充剂和鱼苗食品市场的价格约为400-500欧元。但是，如果生产批量应用的产品，如脂类用于生物燃料，生产过程还需要进一步优化，以降低成本。
此外，瓦赫宁根大学与欧洲卓越可持续水处理中心(Wetsus)合作，致力于利用污水进行藻类培养，生产有价值产品的研究。例如，在近期完成一个项目中，研究人员利用稀释的人类尿液培养蓝绿藻 (Cyanobacteria)，合成藻青素颗粒多肽，这是一种可以应用在分散剂和生物塑料工业的原材料，同时合成藻胆蛋白，以应用在染料工业。双方也合作研究了使用微藻生物膜清洁废水的不同方案，并在莱瓦顿的污水处理厂建造了一个实验反应器。
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中国在微藻应用上进行积极尝试
中国微藻的应用历史同样很长，在食物匮乏的年代，微藻更一度成为替代蛋白质乃至粮食的优先选择。进入21世纪后，中国也开始进行微藻生物科技的研发，并涌现出一些创新企业。
例如，绿倍生态科技利用微藻进行畜禽污水的深度处理，以进一步去除氮和磷。这项技术避免了传统氮磷处理造价高、污泥量大的弊端。所产生的副产品微藻，是有经济价值的生物产品，可以回收再利用，一方面，可作为畜禽饲料添加剂，实践证明可改善畜禽亚健康状态，并提高畜禽产出效益；另一方面，也可直接作为优质鱼粉，其品质优于进口鱼粉，从而真正实现了可循环经济。
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随着微藻生物技术的蓬勃发展、微藻培养方式的根本性创新，中国已成为世界上规模最大的微藻生产国，微藻年产量达到1万多吨（干重），占全球市场的60%以上。据Data Bridge Market Research分析，亚太地区由于食品行业经济发展较快，预计在2020年至2027年间，微藻食品市场将实现较高的增长率。微藻作为素食主义、健康主义和环保主义者的友好型产品，符合可持续的流行趋势，又具有额外的功能优势。
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中荷双方对于微藻的共同重视也为双方的合作奠定了基础。2016年10月，北京建筑大学、北京首创股份有限公司与荷兰代尔夫特理工大学共同成立了“中—荷未来污水处理技术研发中心”，签署谅解备忘录，旨在借助荷兰世界领先的理念与技术转化能力，帮助中国实现国际先进技术的转化与落地。
2019年11月，研究中心的三周年成果报告会在北京举行，三方紧密合作，已经在研发、实战、学术、人才培养等方面取得了诸多成果，其中就包括微藻厌氧消化产甲烷的研究，从产甲烷潜力入手,揭示了各类微藻生物质均具有良好的产甲烷潜力,普遍高于活性污泥等典型生物质。虽转化率较低，但开发的低温热处理是目前最具有经济技术可行性的预处理办法，该项研究也体现出微藻有望成为生物能源的巨大可能。
作为一种尚未被大规模应用的微生物，微藻是潜力巨大的“绿色黄金”，无论在精细化工领域，还是在批量应用领域都有广泛的用途。随着中荷双方在微藻领域加深合作，相信在未来，更多微藻产品的问世会改善我们的生活。
作者|石敬
博士，环境技术咨询师，自由撰稿人，旅居德国、荷兰。
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