光语带你认识微藻 第十篇——裸藻(Euglena)

光语带你认识微藻

第十篇——裸藻(Euglena

 

单位:上海光语生物科技平安彩票

微信公众号:Leadingtec

作者:俞建中(微信号:Scophy117)

 

1.裸藻概述

裸藻门(Euglenophyta)下仅一个裸藻纲,下辖裸藻目和柄裸藻目,共四个科(裸藻科、变胞藻科、袋鞭藻科、柄裸藻科),约包含了40多个属1000多个种,多数种类为淡水种,通常大量的生存在平静的内陆水体,在池塘、水沟的表面形成绿色或者红色的水华。

裸藻这个名字对大部分人来说都很陌生,而实际上,裸藻门下的眼虫属种如纤细裸藻(又名小眼虫,Euglena  gracils)作为生物学研究对象的历史非常悠久,可以说是目前研究最透彻的物种之一,列为实验生物学的模式种。

多数眼虫属种类的细胞长度为几十到几百微米,具有光合作用的叶绿体,使的得它们具有光自养的能力(植物性),而同时也具有利用有机物(吸收可溶性有机物如氨基酸或直接吞噬有机物颗粒)进行异养的能力(动物性)。眼虫的叶绿体中含有叶绿素a和叶绿素b,眼虫的叶绿体有三层质膜,而常见绿色陆地植物和绿藻类的叶绿体为两层膜。因此眼虫的叶绿体在生物进化学中认为来源于一个被吞噬的绿藻细胞,这一点观点同时得到分子生物学研究技术的支持。眼虫叶绿体中含有淀粉核,为副淀粉(β-1,3葡聚糖)构成,眼虫依靠此储能物质可以生存在无光的不利生存环境中,淀粉核是裸藻中属的分类特征之一(如淀粉核的数量、位置等),可用以区别不同的裸藻种类,如鳞孔藻属(Lepocinclis)和扁裸藻属(Phacus)。

图1.左图为绿眼虫(E.viridis)右图为小眼虫(E.gracils)

图1.左图为绿眼虫(E.viridis)右图为小眼虫(E.gracils)

 

所有的眼虫都有两根鞭毛,位于细胞体的前端的一个小空穴(胞窝,reservoir)中,眼虫属的一根鞭毛短,不能突出到空穴外,而另一根鞭毛非常长,光学显微镜下即可观察到,在许多种中,这根长鞭毛起到帮助细胞运动的作用。

图2. 左为椭圆鳞孔藻(Lepocinclis ovum),右图为三棱扁裸藻(Phacus triqueter)

图2. 左为椭圆鳞孔藻(Lepocinclis ovum),右图为三棱扁裸藻(Phacus triqueter)

 

眼虫个体小而复杂,包含了诸多生存、生活和繁殖的机制,并为生物仿生学所关注,眼虫的特征有:灵活柔软的外膜、在水中快速的运动(螺旋转动)、一个能感光的蛋白晶体、利用脂囊泡和淀粉核储能(且以副淀粉的方式而非淀粉)、除了用鞭毛进行运动外还能扭动细胞进行运动、能利用太阳能进行光合自养也能直接利用有机物进行异养、能跟植物一样进行光合作用但又没有植物特有的纤维素质细胞壁。

图3.眼虫的细胞结构示意图

图3。眼虫的细胞结构示意图

 

2.眼虫名字的起源

眼虫(Euglena)由德国自然学家Christian G. Ehrenberg (1795–1876)命名,1838年之前即已对其特征进行了描述,“Euglena”这个词由两个希腊语词“eu”和“glene”组成,意思分别是“好”与“眼球”,因在显微镜下明显可见的眼点而得名,眼点为眼虫的感光器官。小眼虫(E. gracilis)的科学研究工作从1900年就已经开始了,Zumstein首先实现了这个物种的无菌培养,并发表了研究报告。直到今天,多数研究依然在使用Zumstein所培养的株系,因此将这个藻株称为“Z”株系。

图4. 眼虫的眼点(红色结构)

图4。 眼虫的眼点(红色结构)

 

关于这个眼点多说几句,最初的科研最这个眼点眼点非常感兴趣,做了些研究,探讨视力发生的原初起源。眼点可以感光,并根据外界的光照强弱等因素,调整自身的运动,太强了,就走开点,光弱了,就靠近光源去,所以池塘的裸藻藻华通常在早晨和傍晚出现,中午的时候光照强就沉入到水深处。前阵某个电视台的一个节目做了个很牛逼的事情,利用裸藻做了许多人脸出来,其实用就是根据裸藻具有眼点的生物学特性,利用趋光性将藻细胞诱集到某个区域,形成了一幅幅人脸。(生物本能的利用可以做很多事情,比如你用肉包子摆一个心型,会引来一堆野狗帮你示爱,用蜂蜜刷字倒是可能引来蚂蚁写你的山盟海誓,当然也可能被城管和扫地阿姨骂!)

 

 

 

图5. 某电视台的某个节目,利用裸藻的趋光性作“画”

图5。 某电视台的某个节目,利用裸藻的趋光性作“画”

 

3.眼虫的繁殖

老俞特意找了一个1926年的图来说明眼虫的繁殖(90年前啊!!),眼虫以纵裂的方式进行细胞复制,首先在母细胞内讲细胞核、鞭毛、液泡等细胞器复制一份,然后细胞从“头部”开始,分成两半(叶绿体、细胞质、淀粉核等也跟着分开),每份都形成母细胞的一份拷贝。

图6. 眼虫细胞分裂的过程(Woolford B. Baker,1926)

图6. 眼虫细胞分裂的过程(Woolford B. Baker,1926)

 

4.微观世界下的眼虫

在光学显微镜及电子显微镜的帮助下,我们能看到眼虫更为细致的一些细节,以下展示一些图,给大家一些感性认识。

图7. 螺纹眼虫(E. spirogyra)拥有柔软的膜(pellicle)(引自http://www.bgbm.org/)

图7. 螺纹眼虫(E. spirogyra)拥有柔软的膜(pellicle)(引自http://www.bgbm.org/)

 

图8. 电镜下小眼虫(E. gracilis)细胞体表的膜(pellicle)结构(https://msu.edu/)

图8. 电镜下小眼虫(E. gracilis)细胞体表的膜(pellicle)结构(https://msu.edu/)

 

图9.电镜下小眼虫(E. gracilis)鞭毛的外观(左)及其结构示意图(右),(引自G. Rosati et al., 1991)

图9。电镜下小眼虫(E。 gracilis)鞭毛的外观(左)及其结构示意图(右),(引自G。 Rosati et al。, 1991)

 

图10. 电镜下眼虫细胞分裂的现象(https://msu.edu/)

图10. 电镜下眼虫细胞分裂的现象(https://msu.edu/)

 

图11.光镜下不同眼虫也就看着大小有区别,电镜下纤毫(肌纹)毕现

图11。光镜下不同眼虫也就看着大小有区别,电镜下纤毫(肌纹)毕现

 

5.水环境中的眼虫

眼虫多数种类生活在淡水中,因为具有利用有机物的异养能力,常在湖泊河沟形成绿色水华,尤其是有机质比较丰富的水域较为常见,在水面形成一层绿色、血红色或黄褐色的水膜,并随外界的光照等情况变化而形成或散开。水体中眼虫大量繁殖是水体肥沃的标志。

图12.眼虫形成的绿色藻华(Ann St. Amand,2015)

图12.眼虫形成的绿色藻华(Ann St。 Amand,2015)

 

图13.眼虫形成的茶褐色(上图:Euglena sp. Wehr, J.D. and R.G. Sheath,2003))与血红色的藻华(下图:血红裸藻,E. Sanguinea,http://www.thefishsite.com/)

图13.眼虫形成的茶褐色(上图:Euglena sp. Wehr, J.D. and R.G. Sheath,2003))与血红色的藻华(下图:血红裸藻,E. Sanguinea,http://www.thefishsite.com/)

 

根据报道,某些眼虫属的种株能产毒,如Bertin等2009年观察到血红裸藻(E. Sanguinea)水华会引起池塘中鱼类死亡,发现该藻能产生一种有毒生物碱——裸藻素。Zimba等(2004)发现一株野生的血红裸藻和一株德州大学保存的颗粒裸藻(E. Granulata,UTEX LB2345)具有生产神经毒素——鱼毒素(ichthyotoxin)的功能。(说的好像是同一种毒素)

图14. Zimba等研究所用的两种眼虫(左为血红裸藻,E. Sanguinea;右为颗粒裸藻,E. Granulata,UTEX- LB2345),注意左图的血红裸藻并不显示红色。

图14。 Zimba等研究所用的两种眼虫(左为血红裸藻,E。 Sanguinea;右为颗粒裸藻,E。 Granulata,UTEX- LB2345),注意左图的血红裸藻并不显示红色。

 

不过根据更多的研究报道和老俞的观察,裸藻产毒的显现还是比较少见,水产养殖中池塘出现裸藻水色,往往被认为是一种有益的藻华,藻体可为鱼类摄食。老俞以往工作过的几个地方都看到池塘中出现大面积的血红裸藻,厚厚的覆盖了整个塘面,持续时间长达几周到几个月,而养殖的鱼类活的好好的,虾也没见死亡。同样一些做赤潮藻研究的同行也发现,环境中某些公认有毒的藻种并没有引起水生动物中毒反应,同时某些野外产毒的藻株在人工培养条件下并未检测到毒素,也就是说藻类产毒与其生长环境有关。因此对于眼虫水华要区别对待,不需要大惊小怪,看到藻就大呼有毒。

 

6.小眼虫的开发应用

近几年微藻市场出现了一种名为“裸藻”的产品,并被开发应用为保健食品。这种藻即为小眼虫(纤细裸藻)。

小眼虫体型呈长棒状,宽度一般为10-20μm,长度可达100μm,具有眼点一个,对光照较为敏感(趋光性/避光性),小眼虫的体型也会随着外界光照等情况改变,如在深夜会变成圆球状。

图15.开发为(保健)食品的小眼虫(左)及其干粉(右)

图15。开发为(保健)食品的小眼虫(左)及其干粉(右)

小眼虫细胞中生物活性物质种类丰富,如β-胡萝卜素,维生素C、维生素E、β-1,3-葡聚糖和PUFA等,并可作为单细胞蛋白的来源。含副淀粉的小眼虫干粉已经通过美国FDA的GRAS认证(GRN No. 513)。在中国也于2013年5月通过了小眼虫的新资源食品认证。

在美国FDA文件中,着重指出了小眼虫中含有β-1,3-葡聚糖(副淀粉,paramylon)。β-1,3-葡聚糖是广泛存在于植物、藻类、细菌和真菌中的一种物质,尤其是在裸藻中,是主要的储能物质,在小眼虫中可达到干重的60~70%。β-1,3-葡聚糖一直被认为能起到免疫应答调节物质的作用,对人体具有增强免疫的功效。研究还发现,此物质具有抗癌、抵抗细菌感染、激活巨噬细胞,诱导细胞因子分泌、促进造血、抗辐射、治疗烧伤、促进伤口愈合、降血脂、抗氧化等作用,而其衍生物(如硫酸化)甚至具有抗HIV病毒的功效。

图16.淀粉(左)与副淀粉(右)显微结构与化学式的区别

图16.淀粉(左)与副淀粉(右)显微结构与化学式的区别

 

小眼虫在日本已经开发出一系列产品,并进入了欧美和中国市场。常见的产品如下图17,有胶囊、饮料、小食品、化妆品等类型。

图17.日本市场的裸藻产品

图17。日本市场的裸藻产品

此处额外多扯几句。作为曾经的保健食品工作人员,对于目前健康品市场的混乱也是无可奈何,尤其是宣传中的一些措辞,介绍笑话百出、配图张冠李戴、原理牵强附会、功效夸大宣传、所谓的应用功效无科学依据,就如裸藻这个产品,市面上已经宣传成包治百病,秒杀各种神药了。老俞还是希望让产品回归真实、功效回归科学、市场回归理性。

忽略现有的过度宣传,依据现有的科学研究,小眼虫的特征及主要成分β-1,3-葡聚糖在增强免疫力方面具有相当的生物学功效,目前也是一个研究小热点,这将是小眼虫这个微藻新秀在未来市场开发的主要方向之一。同时在法律法规方面,美国FDA的GRAS认证及国内的新资源认证,也为小眼虫的市场化铺平了道路。可以预见小眼虫将在几年内成为螺旋藻、小球藻、盐藻、雨生红球藻和束丝藻之外的第六个商业化的微藻品种。

另外日本科学家实现了利用裸藻中所含的副淀粉和脂肪酸合成了生物塑料,为小眼虫开发应用开拓了新方向。

图18. 日本产业技术综合研究所、NEC公司与宫崎大学等单位联合开发了利用裸藻生产生物塑料的技术。

图18. 日本产业技术综合研究所、NEC公司与宫崎大学等单位联合开发了利用裸藻生产生物塑料的技术。

7.小眼虫的养殖生产

“裸藻”这个产品问世的时候,有些朋友满世界的找这个产品,发现国内还没有规模化生产,连这块研究工作都很少人做,更有许多朋友打听怎么养殖生产。

为了满足朋友们的要求,老俞去查了下小眼虫养殖的一些资料。

目前,世界仅见日本Euglena公司有规模化生产此产品,可见的产品或原料均出自该公司。按检索到的资料,2013年,日本冲绳石垣岛的八重山公司(Yaeyama,大名鼎鼎的小球藻生产企业)通过了该藻的ISO9001-HACCP认证和犹太认证,而Euglena公司主页公示出来的生产基地也是位于石垣岛,网站显示的图片是八重山公司的养殖场,对外声称该公司“裸藻”产品为光养生产。因此Euglena公司有可能是跟八重山公司合作,租用了其基地和生产资质进行生产。

而从科技文献看,在上世纪六、七十年代小眼虫的规模养殖技术已经研究的比较透彻,光自养、异养以及兼养(光养+异养)的方式都有研究,之后也有相当的研究针对富集维生素E、类胡萝卜素和多不饱和脂肪酸等物质。此领域的研究工作,虽然少,其实国内也有高手,深圳大学王江新老师在这块领域做的相当前沿。

图19.小眼虫在光养条件下显现绿色和而在无光异养的情况下会出现绿色全无的情况(Rob Field,2014)

图19.小眼虫在光养条件下显现绿色和而在无光异养的情况下会出现绿色全无的情况(Rob Field,2014)

想投资小眼虫生产寻求技术合作的人似乎还不少,对于这些朋友,老俞能给的建议是句老话,前途是光明的,道路是曲折的。尤其是对于没有技术、工程和市场基础,从头开始的项目来说,难度还是有不少的,解决问题的过程中需要大把的金钱和时间。

首先,需要设定几个指标,找到合适的藻种,食用安全性、生长速度、目标产物等(如副淀粉含量),这些基本指标都需要考察;其次,设定养殖工艺路线,光养还是异养,或者先异养后光养,选择主要设施和设备类型,当然藻种和目标品质也需要跟工艺相互匹配,这些具体的问题也要跟现有的资金、土地、生产环境相结合,例如土地资源、气候条件、水电气交通等等;其三,根据粗定工艺的各个节点,重点关注产品安全性和品质稳定的问题,关键设备和关键工艺环节依此而确定(这块做过质控的朋友会特别有体会);其四,充分研究好相关的法律和行政条例,尤其是资质方面的内容,这块工作的难度怎么高估都不是高估,项目运作过程中,大部分的时间可能是要消耗在这里,漫长的等待和煎熬是必然的;其五,终端产品的开发是必不可少的环节,单纯做原料最后都是死,提前进行产品研发和市场铺垫是项目长期发展的基础。

老俞接触到的大部分人,也就考虑到养殖问题,其实就整个项目来说,养殖生产这块的资金投入或许是最大的,但难度真不是最大的。这块内容太大,在此不细述,朋友们有兴趣,倒是可以私下慢慢探讨。

 

8.血红裸藻(E. sanguinea

前面反复提到了血红裸藻,老俞决定在本篇最后重点描述下这个眼虫属的常见种。主要是因为如果让老俞选择一个新藻种将之市场化,血红裸藻绝对是选择重点。

血红裸藻特点之一就是胞体显示红棕色,但是关于其色素分析的研究报告不多,M。 Grung & S。 Liaaen-Jensen (1993)分析了一株血红裸藻的色素成分,总类胡萝卜素的含量达到干重的0。7%,其中主要为虾青素(占干重0。5%),其他还有β-胡萝卜素、金盏花黄质(adonixanthin),金盏花红素(adonirubin)、硅藻黄素(diatoxanthin)、硅甲藻黄素(diadinoxanthin)、 绿藻黄素(loroxanthin)和痕量的新黄素(neoxanthin)。血红裸藻细胞的颜色经常有深浅变化,或黄、或棕、或褐红等等不一而论,即使同一株系在不同时间也有色彩变化,因此推断其中的类胡萝卜素也是多种多样,何种色素占优势跟培养条件也有关系。在池塘中血红裸藻的水华经常可见,其颜色也是红棕黄不等,可见明显的色差。

 

图20. 血红裸藻,上图颜色深重(http://cfb.unh.edu/),下图红色色素较少(SCCAP K-1466)。血红裸藻的细胞颜色因品系及培养条件有关。

图20. 血红裸藻,上图颜色深重(http://cfb.unh.edu/),下图红色色素较少(SCCAP K-1466)。血红裸藻的细胞颜色因品系及培养条件有关。

 

图21.黄棕色的血红裸藻藻华(摄于2016年12月,广西北海)

图21。黄棕色的血红裸藻藻华(摄于2016年12月,广西北海)

之所以说血红裸藻值得开发,理由有以下一些:第一,有卖相,健康产品的市场做的如何,跟长相绝对有关系,就算没有整容脸那种技术感,跟马教主那样有张艺术脸也是很卖座的;第二,有卖点,副淀粉为一个主角,同时虾青素领衔的类胡萝卜素,含量可观种类多,还有维生素E/C和PUFA等多个配角;第三,光养/异养均可,可利用原料来源丰富;第四,生产技术与工艺有一定门槛,规避山寨捣乱;第四,宏观上讲,为主粮与果蔬集合体,可分担部分粮食供给安全的任务。

图22. 泰国梅州大学K. Sae-Tan等学者进行了血红裸藻培养,胞内类胡萝卜素含量达到干重0.4~0.5%。

图22. 泰国梅州大学K. Sae-Tan等学者进行了血红裸藻培养,胞内类胡萝卜素含量达到干重0.4~0.5%。

目前,血红裸藻产业化的研究工作已经有学者在进行,泰国梅州大学对血红裸藻进行了一些养殖方面的研究,并检测了其中的类胡萝卜素,正在进行进一步实现产业化的工作,同时梅州大学Srinuansom等开始进行将之应用于锦鲤增色和红罗非鱼养殖的实验。国内目前有开始进行小眼虫养殖的研究者们,既然都是眼虫,有空捎带着一起把这个种的研究也做了吧!

 

俞建中博士系列藻类科普文章链接:

光语带你认识微藻 第一篇——什么是微藻

光语带你认识微藻 第二篇——微藻的商业化开发和应用

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