摘 要：水华蓝藻细胞中含有丰富的蛋白质、糖类、脂质及氮、磷、钾等营养成分，但同时含有蓝藻毒素及重金属等毒性成分。笔者综述了近年来水华蓝藻资源化利用的研究现状及亟待解决的问题，并提出蓝藻资源化利用的发展趋势及前景。
关键词：有害蓝藻；资源化利用；研究现状；发展趋势
中图分类号：Q949.22 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.05.016
蓝藻是单细胞原核生物，结构上无核膜，与细菌较相似，故将其称为蓝细菌。蓝藻光合作用适应的温度、光照强度、pH值范围较宽，并且部分蓝藻细胞含有伪空泡，能浮游在水面，可以在恶劣的环境中进行较强的光合作用[1]，积累较多的生物量，与其他藻类相比具有显著的生存竞争优势[2]。蓝藻结合自身优势迅速增殖形成群体并上浮至水面形成蓝藻水华，危害水生态环境。目前，常见的水华蓝藻主要有微囊藻属（Microcystis）的铜绿微囊藻（M.aerginosa）、惠氏微囊藻（M.weisenbergii）、绿色微囊藻（M.viri-dis）、束丝藻属（Aphanizomenon）的水华束丝藻（A.flosaquae）[3]、柱胞藻属（Cylindrospermopsis）的拟柱胞藻（C. raciborskii）[4]以及鱼腥藻属（Anabeana）等。
目前，我国许多大型湖泊如太湖、巢湖、滇池等水体富营养化严重，蓝藻水华时常发生。蓝藻水华爆发时，消耗水中大量氧气，致使水体中的水生生物因缺氧而大量死亡，同时释放藻毒素引起水质恶化，严重时会发出恶臭，影响人们正常的工作和生活[5]。现阶段治理蓝藻水华的主要方法可以概括为化学方法，生物方法和物理方法[6]。化学方法主要是指在水体中施用铜离子制剂、硫氰酸红霉素等杀藻剂，虽效果立竿见影，但会引起重金属及抗生素的二次污染，进而破坏水体生态平衡[7]。生物方法主要包括微生物防治、水生植物抑制及放养食藻生物控制等，控藻效果虽然安全、有效，但花费时间较长，且就目前我国多数自然水体富营养化的现状而言，短时间内很难奏效。因此，研究人员发现物理方法（主要指机械打捞）是目前减除蓝藻水污染生态灾害和降低再次爆发强度的最直接有效的措施[8]。以太湖为例，在2007年水华爆发时，每天打捞的水华蓝藻约1 000 t，多时可达到2 000 t[10]。由于蓝藻并不能直接被家禽、家畜食用，大量打捞的蓝藻得不到及时有效的处理，长期堆积导致腐烂发臭，分解释放硫化氢等有害气体、大量的氮、磷等营养盐颗粒[9]、微囊藻毒素以及生长过程中富集的重金属等有害物质[11]，对自然环境造成二次污染。如何及时有效地处理打捞上来的蓝藻已成为蓝藻水华治理过程中面临的关键问题之一。
由于水华蓝藻爆发短时间内无法控制，将其变废为宝，是治理蓝藻最为有效且有益的途径。蓝藻细胞内含有丰富的蛋白质、糖类、脂质和氮、磷、钾以及高含量的色素。表1是蓝藻的营养成分的分布表[12]。
从表1可以看出，水华蓝藻含有丰富的营养成分，资源化利用前景广阔。但是，资源化利用过程中还要考虑如何有效地去除水华蓝藻中具有肝毒性的藻毒素以及在生长过程中富集于蓝藻胶鞘中的重金属离子。因此，如何安全有效地资源化利用水华蓝藻成为近些年来的研究热点。本文主要介绍了现阶段水华蓝藻资源化利用的研究现状以及蓝藻资源化利用的发展趋势。
1 水华蓝藻的资源化利用现状
目前，国内外资源化利用蓝藻主要有以下几种方式：利用蓝藻中含量丰富的有机质和氮、磷、钾制备蓝藻堆肥和蓝藻沼肥；利用蓝藻中含量丰富的蛋白质充当饲料原料；利用蓝藻的光合放氢等作为新型的生物质能源；利用蓝藻中丰富的营养成分制作微生物培养原料；利用蓝藻细胞内活性物质等方式。
1.1 制备蓝藻堆肥研究现状
蓝藻中含有大量的有机质和植物生长必须的营养物质（如氮、磷）。因此，早些年国外有些地区直接将蓝藻作为肥料施用到田地里。但是，蓝藻细胞内含有大量的微囊藻毒素和在生长过程中富集的重金属离子，不恰当的施肥方式会导致大量的藻毒素和重金属残留在田地里，严重危害作物的生长和人类健康。如尝试将存在水华蓝藻微囊藻毒素的土壤用于种植青菜，试验发现微囊藻毒素能明显抑制青菜的生长速度，并且青菜地上部分吸收的藻毒素含量随暴露在地里的藻毒素含量的增加而增加，不易降解的藻毒素长时间会富集在土壤里，危害人类的身体健康。近些年来，较多专家研究将水华蓝藻进行堆肥，经过堆肥处理后，微囊藻毒素大部分能够得到降解，如施用正常用量的成品发酵蓝藻肥，每人每天摄入的青菜中的藻毒素含量是远低于WHO制定的饮用水藻毒素含量的标准的[16]。经进一步对堆肥的研究发现，进行蓝藻堆肥研究时，添加麦麸，调节含水量为55%，C/N比25时，藻毒素降解效果最好，降解率能达到90%以上，并且堆肥的总养分含量满足有机肥料标准，此方法能有效地解决藻毒素残留的问题[17-18]。另外，针对蓝藻堆肥过程中氮素损失的问题，任云等[19]研究发现利用氮素固定剂或者损失抑制剂（酸化沸石、过磷酸钙和氢氧化镁与磷酸的混合液）以及采用高温堆肥，可有效抑制氮素的损失。如能综合以上蓝藻堆肥的研究，研究出一种可以进行流水操作堆肥的工艺设备，蓝藻堆肥大范围的应用指日可待。蓝藻堆肥研究已经取得显著成果，但还需深入研究，以求简便且安全高效的蓝藻堆肥的生产工艺。
1.2 制备蓝藻沼肥研究现状
沼肥是畜禽粪便和农作物秸秆经过厌氧发酵后产生的残留物[20]，是一种优质的有机肥料，并且水华蓝藻沼化是水华蓝藻资源化利用研究最多的方法。姜继辉等[6]采用蓝藻发酵后的沼液沼渣进行盆栽试验，发现经沼液沼渣处理的土壤中的全氮含量、有效磷含量以及有机质含量较化学肥料处理后的土壤明显增加，说明经过发酵后的水华蓝藻较化学肥料更适合作为肥料使用。王震宇等[21]研究发现在水华蓝藻厌氧发酵时，将其与秸秆按一定的比例混合发酵，可有效提高底物降解速率和产甲烷的速率和含量。蓝藻沼化的研究已趋向成熟，现今的研究重点主要集中在蓝藻沼肥的无毒、无害和环保应用这一方面。一方面由于水华蓝藻中含有重金属离子和藻毒素，不能直接沼化应用。研究发现打捞的滇池水华蓝藻重金属Cd含量超过沼肥料农业行业限量标准[22]。韩士群等[10]发现，刚打捞上来的蓝藻与放置30 d的蓝藻相比，其中放置30 d的蓝藻中的重金属含量较低。虽重金属含量降低，但施用也会富集到植株中，危害生态环境。现阶段蓝藻资源化利用过程中对去除其中富集的重金属离子的研究较少，大多是如何去除或者降解藻毒素。韩士群等[10]研究发现将打捞上来的太湖水华蓝藻接种适量活性污泥后厌氧发酵，发酵产生的沼气中的甲烷的平均含量较畜禽粪便发酵产生沼气的甲烷含量高，其中较难降解的藻毒素也会迅速降解，并且沼液沼渣内含有丰富的氮、磷、钾和氨基酸等营养物质，可作为一种优质的有机肥应用于农作物的栽培种植。朱守诚等[23]将打捞上来的蓝藻藻泥与复合环境诱导材料ECO-U100以100∶2的比例混合，中温发酵得到的有机肥含有较高的养分，经检测为无毒、无公害环保有机肥，并且与化肥相比能显著提高稻米品质。另一方面水华蓝藻厌氧发酵过程中产沼气的同时也会产生其他有害气体，如硫化氢、甲硫醇以及甲硫醚等，同样不能直接应用到生产生活中，因此，脱硫去除有害气体的过程在提高厌氧发酵产生沼气的纯度中非常重要。李玉成等[13]将秸秆、蓝藻和接种污泥以2∶8∶1的比例混合厌氧发酵产沼气，工艺流程如图1，结果发现有害气体硫化氢在发酵30 d后达到高峰，为去除其中的有害气体，利用从铜陵尾矿区酸性废水中富集培养的嗜酸氧化亚铁硫杆菌，以吸收塔作为脱硫装置，当塔中吸收液中的铁离子浓度为7 g·L-1时，液气比为3，吸收液液面高度为0.55 m时，脱硫率可达99%[13]。蓝藻沼化资源化利用尽管在国外已取得较大进展并且已经初步投入使用，但是在国内还处于初步阶段，需要加大力度研究解决资源化利用过程中重金属残留的问题，使蓝藻作为有机肥料尽快进入市场，从而解决资源短缺的问题。
1.3 作为饲料原料研究现状
目前，水华蓝藻资源化利用以制备蓝藻肥料和制备沼气等低价值应用为主，关于蓝藻精细饲料资源化利用的研究报道较少。因蓝藻干物质中含有约30%～50%的蛋白质资源[24]，如加以利用，可以在很大程度上替代用于饲料紧缺型的动物性蛋白。早在2000年，谢萍等[25]尝试利用蓝藻饲喂肉仔鸡和生长育肥猪，发现蓝藻中含有对鸡和猪的生长有明显不利影响的物质，即蓝藻细胞内的藻毒素和富集在细胞胶鞘中的重金属。董桂芳等[24]发现摄食含低剂量藻毒素的蓝藻粉可提高鱼类的摄食率，同时饲料中的蓝藻粉会降低鱼类的饲料转化率和消化率，但不同鱼类对藻毒素的耐受性不同。因此，对蓝藻粉进行适当的脱毒处理和寻找对蓝藻粉的耐受性比较高的鱼种，将其作为草食性和杂食性鱼类的饲料蛋白质来源具有巨大的发展前景[24]。鱼类摄食了含有藻毒素的饲料，可能会在鱼体内富集，并且作为饲料喂食时有一部分会进入到水体中，危害到其他水生生物，最终危害到人类健康，所以应注重研究纯化蓝藻蛋白质。钱玉婷等[26]应用硫酸水解提取复合氨基酸液的工艺提取蓝藻中的氨基酸，结果发现在水温120 ℃，硫酸质量浓度为20%时，得到的水解液中氨基酸种类丰富，且已不含藻毒素。虽然作为饲料添加这一利用方式的研究已取得长足的进展，但要真正应用于生产生活中还需进一步对如下问题进行深入研究：彻底去除蓝藻中有害毒性物质、蓝藻藻毒素简便脱毒工艺和蓝藻中有害毒性物质是否会富集或者会造成水体二次污染。
1.4 生物质新能源的研究现状
能源是人类赖以生存的物质基础，能源紧张已经不是局部性的问题，而是世界性的难题。若能将打捞上来的水华蓝藻转化成有效的能源物质，则既实现有效处理的目的，又能缓解资源紧张的压力，实为变废为宝，一举两得的好事。早在2003年，韩志国等[27]就尝试研究了应用微藻光合制氢，发现绿藻是一种高效的放氢藻株，同样可研究水华蓝藻光合制氢。水华蓝藻具有光合效率高、零净碳值、生长周期较短、易于培养、油含量高等诸多优点，是一种前景广阔的生物柴油原料，将蓝藻资源化利用与碳减排耦合的微藻生物柴油技术研究已受到政府和企业的广泛关注[28]。蓝藻作为生物新能源的研究还处于初级阶段，要实现工程化应用还需结合物理工程等进行进一步研究。
1.5 其他蓝藻利用途径的研究现状
因蓝藻含有丰富的营养成分，极易腐败变质，诸多科学家致力于研究尝试蓝藻资源化利用的多样化，逐渐趋向于扩展蓝藻精细化的应用途径。一方面，较多利用蓝藻中的生物活性物质，替代其他较为昂贵、较难获得或者具放射性危害的化学原料。蓝藻中含有的藻胆蛋白是蓝藻细胞中含量很高的一种光合辅助色素，能够作为天然生物色素广泛应用于食品、化妆品等领域，还可以作为生物荧光剂在生物大分子和生物医学领域发挥作用[29]，真正实现了安全环保和蓝藻应用的高附加值。另一方面，利用蓝藻含有丰富的营养物质这一优势，谭超等[30]在探究蓝藻农药利用的可行性时，对比利用LB培养基、新鲜蓝藻、蓝藻发酵2个月沼液和蓝藻发酵6个月沼液这4种培养基培养苏云金芽孢杆菌（B. thuringiensis GIM1.32），根据观察苏云金芽孢杆菌的生长代谢特征、杀虫晶体蛋白产量发现新鲜蓝藻是B.t.GIM 1.32菌种的生长代谢良好的培养基，能够使其正常完成芽孢和伴孢晶体的合成，为蓝藻资源化利用提供了一条新的、高值处理利用途径，既将蓝藻变废为宝，又可有效降低苏云金芽孢杆菌生物农药生产成本。另外，蓝藻细胞含有丰富的胞外多糖，其可作为絮凝剂去除天然湖泊以及灌溉贮存水中的固体悬浮物，相比化学絮凝剂来说不会引起二次污染[31]。
2 发展前景及展望
蓝藻资源化利用将是现今以及以后的热门研究话题。蓝藻资源化利用的研究已得到初步应用，但是还有许多问题亟待解决。首先，蓝藻中富含的藻毒素的去除是蓝藻资源化利用的关键。虽然有研究应用经筛选的微囊藻毒素降解菌[32-34]、厌氧发酵及堆肥等降解残留的微囊藻毒素，微囊藻毒素的去除率已达到90%以上，但是剩余微囊藻毒素富集的隐患并未去除。还需进一步研究微囊藻毒素的去除工艺，以确保蓝藻资源化利用的安全性。其次，随着环境污染日益严重和能源的日益枯竭，可再生清洁能源的发展和使用已成为当务之急。因此，厌氧发酵产生的沼气的纯化是一大热点问题，如何设计并建立合理的厌氧发酵装置，沼气纯化装置以及发酵后产生的沼液沼渣应用措施将成为今后的研究重点之一。最后，现阶段研究集中在利用微囊藻胞外多糖吸附去除水体重金属这一方面[35]，如何处理微囊藻生长过程中富集的重金属离子的研究较少。如果将野外打捞存在重金属的蓝藻制成有机肥施用到田地里，重金属会经地上植株富集，最终经各种渠道富集入人体危害人类健康。故重金属的去除已成为制备环保蓝藻有机肥的关键方面。
在解决以上问题的基础上，首先必须优化蓝藻资源化利用的条件，使蓝藻资源化利用的成本更低，方式更简便。其次，蓝藻资源化利用的研究逐渐趋向精细化和高附加值。如蓝藻中含有的丰富藻蓝蛋白可提取作为环保类生物色素应用于多个领域[36]；蓝藻中含有丰富的胞外多糖，可寻找高效的产糖藻株产糖应用在食品或者化工等方面[37]；可直接提取分离蓝藻中的微囊藻毒素作为医学药物应用在医学领域[38]，为人类的健康造福；可从蓝藻中提取化学物质作为化学原料应用[28]等。最后，以上研究要应用到实际生活中，须研究出简便并且易于操作的流水设备，以备水华蓝藻爆发时能够及时有效地处理打捞。
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