螺旋藻生物技术手册

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绪论
　　人类精美的潜力食物——螺旋藻
　　螺旋藻有提供优质蛋白质营养的无限生物量潜力。这对于这个人口越来越多，而粮食种植面积日益减小的蓝色星球来说至关重要。
　　有史以来，食物与营养是攸关人类生命与健康的第一要素。当代中国仍是一个巨大人口的发展中国家，改革开放40年来，中国农村释放出巨大的生产力，使得数亿人摆脱了贫困。但是全国人民的“吃饭问题”仍然在依靠有千百年传统的常规种养农业。最近10年，全国粮食（禾谷类）总产量持续稳定在65亿 kg的水平上。一个在中国很流行的说法是，中国用世界8%左右的耕地，养活了世界22%的人口。客观地评价，这的确是中国做出的一大贡献。然而，目前中国的人均耕地面积仅为1.38亩，约为世界平均水平的40%；人均淡水资源占有量约2100m3，仅为世界平均水平的28%。土壤退化，粮食增产后劲不足。与此同时，生态与资源危机，也已日益凸显。再以我国的粮食消费水平来考量，我国粮食年总产以现有人口13亿计，人均不足180kg，年需进口大豆、玉米等粮食9000多万 t。长期以来我国粮食安全一直注重量的保障，而忽视了质的保证，以致以稻米、小麦淀粉为主食的当代中国人，糖尿病、高血压等营养障碍性疾病已成为“世纪病”。战略专家认为：如不开发当代新的绿色资源食物，全国每年7000亿 kg的粮食总产已是上限，我国的常规农业已走到了尽头。
　　为此，我国应重新思考和制定新的食物战略，优化传统常规农业结构，突破以稻麦为主产作物的单一常规农业，建立以生物农业为平行产业的“双轨制”农业。采用非常规农业（设施农业、生物农业、微藻类蛋白资源农业、基因工程与分子农业等），尽快开发以营养质量为主的大健康产业农业，才是实现我国粮食产量和质量并举，推进可持续发展最重要的抉择。
　　其中，作为一种高光合效率、高二氧化碳转化机制和高产率与产量的吸碳生物，螺旋藻将是应对地球上庞大人口的非常规农业食物新资源。那么，螺旋藻作为人类当前和未来重要的蛋白质食物进行大规模的开发与应用，它具有何等重要的战略意义？实际可行性究竟如何？这是作者根据我国微藻开发35年实践提出的建言。
　　1.粮食需求是人类永恒的主题
　　当今世界，日益紧迫的人口、资源、环境与发展问题，已成为困扰人类继续生存与繁衍的共同话题。其中首要的问题是人口增长速度过快，这是造成全球粮食与营养供需不济的重大原因。联合国人口基金会公布，截至2011年10月31日，全球人口总数已达到70亿。人口专家预警说：全球人口在以每12年10亿的速度增长，到2050年将达到94亿，而地球的实际承载能力已经到了只能养活今后25年内增加人口的程度。中国目前已有约14.1亿人口，预计到2030年还将增加4亿多人口，届时，全国粮食年综合生产能力必须从目前的6500多亿 kg至少增加到7500亿 kg，也就是说，即使在保持住现有耕地面积的情况下，粮食单产水平还要比现在再有大幅提高。更何况近代工业化和城镇化的发展，耕地减少的速度也在加快。
　　面对这种严峻形势的挑战，一些有远见的战略科学家指出，21世纪的常规农业已经是举步维艰，增长潜力十分有限，人们如果仍旧依靠常规农业来进行种植，即使再扩大耕地面积一倍多，采用超高产育种，也不可能指望获得很高的生产率，以满足人口快速增长的需求。我们唯一的选择，只有继续进行绿色革命，开辟可持续发展的非常规农业和生物农业之路，以寻求人类食物营养的全面解决方案。
　　再从当代人们的食物与营养状况来说，进入21世纪的中国，人们对于生活质量的提高，也比以往任何时期更加关注。现代新营养学要求，现代人的营养标准是，成年人须达到人均日摄入热能10048kJ，蛋白质70g，其中动物性蛋白不少于30%。我国城镇居民在20世纪90年代，人均日摄入热能就已经达到11053kJ，但日摄入的蛋白质（且偏于植物蛋白）却不足60g。这种高热能与低蛋白摄入的营养差距说明，我国虽已基本上解决了温饱问题，但是，如果从总体营养质量来评价，人们的营养状况和健康水平问题依然严重。世界卫生组织预测：2020年中国与膳食营养相关的慢性病占死亡原因的比例将达79%。其中最重要的问题是日粮中优质蛋白质水平和生命要素营养仍然普遍偏低。
　　2.二氧化碳减排、捕获与再利用是当务之急
　　从人类的生存环境来考量，单细胞蛋白资源螺旋藻的开发利用具有极为深远的意义。因为人类未来进行食物生产的最大的自然资源，仍然是太阳辐射能和愈来愈浓厚的大气中的二氧化碳。人类近百年来由于工业化活动的结果，使大气中的二氧化碳含量增长了32%。有人测算，全球二氧化碳一年的排放量已超过65亿 t，长此下去，到2100年，二氧化碳的年排放量将会达到甚至超过300亿 t，那时，二氧化碳在大气中的含量将要增加2倍多（图1）。
　　图1 我国50年中大气二氧化碳逐年递增值
　　显然，这种高浓度的大气中的二氧化碳对于人类的生存环境将会产生严重的影响，气候的变化是其主要的方面。可是，对于植物来说，高浓度的二氧化碳却又是一种更加丰富的“气肥”，它使光合作用的转化效率更高。在这一情势下，如若人类乘机大力开发螺旋藻，将会带来更大的生机。因为，高光合效率的螺旋藻具有很强的吸碳能力，生产1000kg（65%的动物性蛋白）的螺旋藻（干粉）需要消耗吸收1850kg的二氧化碳，同时在光合作用中放出氧气1340kg。既可以帮助人类实现工业化二氧化碳的减排，又可以实现二氧化碳的循环再利用，将二氧化碳直接转化生产出极为丰富的精美食物！
　　事实上，现阶段我国微藻生物量的大规模工业化生产多是采用二氧化碳为主要原料，已形成生产上万吨藻干粉的生产规模。实践已经证明：螺旋藻的培养生产，对于二氧化碳的减排和利用是行之有效的手段。由此可见，人类继续向生物光合作用的深度进军，以先进的工业化手段，开发利用高强光合作用机制的藻类生物，将是开辟人类新的食物资源和新的生物能源的巨大希望所在。
　　3.作为生物农业单细胞蛋白开发的现实可行性业已存在
　　21世纪初以来，我国螺旋藻产业企业的先行者农民企业家，已经用他们多年的生产实践做出了回答：螺旋藻的大规模生产，可以达到每日每亩（培养池面积）7～8kg（干重）的生物产率，而且这是在近代生产技术条件下已经普遍达到的收获水平了。以此计算，螺旋藻的年生物产量（以实际连续生产6个月计）已经达到18～20t（干重）/hm2，也就是说，每公顷土地上约可收获粗蛋白12t多。这一产量与常规农作物相比，已十分令人鼓舞。通常，1hm2小麦约收8～9t，折收植物性蛋白质约1～1.2t；1hm2水稻约收10～13t，折收植物性蛋白质约0.7～0.9t；1hm2马铃薯可收获约40t，折收蛋白质约2.6t。甚至有“植物蛋白质之王”美称的大豆，以每公顷收获4t计，折收蛋白质也只有1.4t。从目前我国螺旋藻的实际年平均产量已普遍达到每公顷20t，和连续多年达到每公顷25～33t的年产量（100%纯藻粉，每吨实际生产成本20000元，低于奶粉）水平来看，依靠发展螺旋藻生物蛋白来解决人类未来食物与营养短缺和不足的问题，已是切实可行的了。
　　实际上，国内外的螺旋藻产业开发，从中试生产到大规模工业化生产，已经形成了成熟的生产技术路线。从法国人最早在地中海的一座小岛上建立的螺旋藻中试培养池，到（1978年）在墨西哥开办的日产4t藻粉的工场；从日本人在泰国和中国海南建立的 DIC螺旋藻公司，到美国人20世纪80年代初在加利福尼亚州内陆区建起的 Earth Rise（FARM）螺旋藻产业基地农场，以及在夏威夷岛建立的 Cyano-tech微藻公司，分别建成了生产规模达7～13hm2的培养池，年产藻粉600多 t，早已形成庞大的商业化生产产业。2019年1月9日美国总统签发的一项法案“开发藻类农业”，在联邦政府全国推行。以色列在20世纪80年代初以来，则在内盖夫半干旱的沙漠区建成了螺旋藻生产培养系统，欲使沙漠变成绿洲；此外，南美洲的巴西和智利等国家十多年前就在大力开发螺旋藻产业，并已形成较大规模的产业群。螺旋藻生产与产业已在全球展开。
　　4.开发高光合效率螺旋藻是人类开辟非常规农业的战略之举
　　其实，生物学家们早就认识到，在自然界的绿色宝库里，还深深蕴藏着人类营养需求的重大基因组资源。早在1949年，Spoehr和 Milner等生物科学家就曾建议，开发微生物与藻类蛋白质资源，将是一条走出常规农业困境，帮助克服全球性营养不足的光辉道路。全世界曾有众多的生物科学工作者，不约而同地奔向“藻类王国”这一高光效、高营养质量的低等生物界。他们所持的观点是：许多单细胞生物尤其是微藻类的粗蛋白质含量都在30%～50%，甚或更高，只要人们的生物技术运用得当，完全可以做到实际生物质的年收获产量超出100t（纯干重）/hm2，可以比常规农业单位面积产量高出4～5倍，甚至更多。
　　人类未来在穷尽常规农业之路后，要想求得继续生存与发展，或许只能指望从开辟非常规农业中找到出路。其中包括：大力采用新农业生物技术，开辟新生物资源产业（包括微藻蛋白质资源）和开展分子育种等生物工程技术产业。唯如此，才能使人类的食品与营养资源问题，获得新的突破性的解决。
　　研究宏观战略的科学家说，当代在继续发展常规农业的同时，尽早选择发展生物农业产业，已是时不我待！开发利用具有极高太阳辐射能与极高 CO2转化机制的光合自养性微生物，这是增加人类食物与改善生存环境的一条最重要的战略性抉择。20世纪60年代前后，我国曾遭遇严重自然灾害，甚至发生饿殍遍野的情况。时任国务院副总理的习仲勋同志，曾组织生物技术专家指导全国上下开展开发单细胞微藻小球藻运动；1984年5月，时任国家计委主任的宋平同志曾对开发单细胞蛋白螺旋藻作出重要批示，并由杜润生同志亲自部署，立项于“七五”国家重点科技项目（攻关）计划（图2）。
　　图2 中国改革开放之初的首要战略之举是解决老百姓的“吃饭问题”，将开发螺旋藻列为“七五”国家重点科技攻关计划
　　事实上，我国的生物技术专家近年已创新研发出国际上最先进的4.0技术制式——智能化（AI）微藻生产线，可以不占耕地，实行全天候微藻螺旋藻的大规模、大生物量（万吨级）生产，其产率与产量是目前老式（1.0技术）大池生产培养产率的6～8倍（图3，图4）。
　　图3 当前我国南北通行的微藻螺旋藻和小球藻的生产（1.0）制式
　　图4 在荒漠地区大规模开发生产螺旋藻的生产（4.0）制式