微藻是指一类形态微小, 能够进行光合作用, 以单细胞或简单多细胞形式存在的藻类。作为一类重要的生物资源, 活体微藻的保藏和共享服务是开展藻类科学研究和藻类产业发展的必要平台和基础。坐落于中国科学院水生生物研究所的淡水藻种库(FACHB-Collection)正式成立于1973年, 1996年作为创会成员加入中国科学院典型培养物保藏委员会; 2019年成为国家水生生物种质资源库的核心成员。该库保藏逾3400株微藻,隶属于9门169属。年均为国内外用户提供2500株藻株, 并提供藻种鉴定、分离纯化和培养技术等方面的服务和咨询。文章回顾了国际微藻种质资源库的发展历史和现状, 介绍了国内微藻种质资源保藏情况, 着重介绍国家水生生物种质资源库——淡水藻种库在库藏藻株多样性、共享服务、藻株无菌化、超低温保藏技术及优良品种选育与应用等方面的进展, 瞄准提升我国在藻类学研究和藻类产业研发的竞争力, 提出了藻种资源库未来发展的建议。
淡水藻种库(Freshwater Algae Culture Collection at the Institute of Hydrobiology, FACHB, 网站主页: http://algae.ihb.ac.cn)是我国淡水藻种资源保藏、利用和管理的专门机构, 设在水生所, 为独立的科技支撑平台。
图1 淡水藻种库
淡水藻种库致力于我国淡水藻种的收集、保藏和功能挖掘, 同时为国内外提供高质量、多样化的藻种资源及相关的特色服务, 推进资源共享和国际合作。主要工作内容和职责为:(1)藻种分离、纯化和保藏; (2)藻种培养和保藏技术研究; (3)资源共享和对外服务; (4)藻种筛选评价方法和标准化建设; (5)为科学和产业部门提供支持和服务。
图2 淡水藻种库保藏区域
沿革与发展
淡水藻种库前身是中国科学院水生生物研究所藻类研究室藻种保藏室，始建于20世纪50年代后期，正式成立于1973年。1996年其作为首批成员单位，加入新成立的中国科学院典型培养物保藏委员会，2004年加入世界微生物数据中心 (WDCM)，2008年代表中国成为亚太藻种保藏库网络发起成员 (AOACC)，2019年成为新组建的国家水生生物种质资源库的重要成员。
图3 淡水藻种库发展历程
资源现状
淡水藻种库以保藏淡水藻种为主, 包括了部分海洋和咸水藻种, 现存藻种3400余株, 隶属于169属,包括了蓝藻门、绿藻门、硅藻门、裸藻门、红藻门、甲藻门、隐藻门、金藻门和黄藻门9个门类。特别是近年来，针对日益严重的环境和能源问题，藻种库聚焦目标，着重采集并大量分离保藏我国典型区域和典型生境的水华藻类、荒漠藻类和能源藻类等，分离并保藏来自淡水、咸水、土壤、空气、高原和温泉等多种不同生境的藻种。
表1 淡水藻种库库藏藻种资源的数量和多样性
图4 从不同环境采集和分离到的藻类
无菌化和超低温保藏
获得无菌的纯种藻株，是深入开展藻类生理生化、遗传和毒性等研究的基础。藻种的无菌化程度也是衡量藻株质量的标准之一。为了提高保藏藻株的质量，淡水藻种库近年来在藻种无菌化方面努力探索，根据藻株的不同特性设计不同的纯化方案。通过氨苄西林、头孢青霉素、卡纳霉素、多菌灵和放线菌酮等多种抗生素优化组合、联合处理，已成功去除230余株藻种的霉菌污染，并得到40余株完全无菌藻株。
图5 藻种库部分藻种形态合集
藻类种质资源的长期保存是开展藻类理论和应用研究的重要基础。传统的继代保藏藻类种质的方法存在费时、费力、容易污染、后续成本高以及形态、基因信息改变和生理生化特性退化等弊病。发展藻类超低温保藏技术，将活的藻类细胞保藏在超低温环境中 (通常指保藏在液氮中)，克服常规继代保藏的上述缺点。目前，藻种库已对库藏的1200余株藻种进行了低温保藏，并建立经济微藻超低温保藏技术参数数据库，对收集保藏的小球藻、红球藻、螺旋藻等17种130个品系的经济微藻，系统地进行了超低温保藏条件 (保护剂、降温速率、预冻存温度等) 的筛选，使60%的藻株复苏存活率达到50%以上，对藻种冻存前后的生长速率、油脂含量和光合活性进行测定。
图6 超低温保藏室
优良藻株的选育与应用
藻种筛选和评价是淡水藻种库重要的工作内容，为微藻产业化持续稳定发展提供助力。近年来，开展了针对藻类生长、固碳等生理特性和目标产物特性的高通量筛选和评价，建立室内/外评价技术、活性产物评价技术，运用层次分析法选取优良藻株进行中试规模培养，形成拥有自主产权的优质固碳藻种选育技术体系与藻种信息数据库。从这些藻种中，已选育出一批生长等性能适应户外规模培养的优良微藻，如极大螺旋藻FACHB-438、钝顶螺旋藻FACHB-439，红球藻FACHB-712、葛仙米FACHB-599等，得到产业界的肯定和推广。另外，还积极与微藻产业部门合作，从解决产业部门的实际问题出发，支持和服务微藻产业部门。为企业分离、纯化和筛选出了具备适合当地条件、高产虾青素、抗逆性强等优良特点的雨生红球藻，已建成红球藻培养扩培实验室300平方米，室外生产基地30亩 (包括平板反应器、管道反应器)；同时，利用研究建立的一种生物酶催化破壁提取微藻油脂的方法以及从雨生红球藻提取虾青素的方法，改进了虾青素提取工艺流程，提高了效率。
图7 积极与微藻产业部门合作，开展优良雨生红球藻藻株筛选，协助建设培养工艺流程和设施
针对制约微藻固碳产业化应用的技术瓶颈和产业瓶颈问题，突破微藻固碳、高值产品开发及其资源综合利用的关键技术，藻种库在科技部“863”计划支持下开展固碳藻种的品种选育，获得一批拥有重要应用价值的优良藻种和微藻高值产品。将微藻的高效固碳性能耦联烟道气二氧化碳的生物固碳减排，利用生物质电厂产生的烟道气开展微藻固碳研究，筛选出能利用烟道气二氧化碳的螺旋藻、小球藻等藻株，优化了户外养殖工艺，从而构建了利用烟道气进行微藻高效、低成本养殖的新技术模式。新养殖模式的推广，在突破藻类产业升级瓶颈的同时，也将实现固碳减排的环境效益，为国家碳减排的宏观决策提供科学和技术支撑。
图8 筛选出能利用烟道气CO2的藻株开展室内测试和户外中试
共享和服务
作为开放性的国家资源库，在进行藻种资源保藏和整理的同时，藻种库积极开展藻种提供、寄存、鉴定、人员培训以及技术支持等对外服务和共享。随着对藻种资源需求的不断提高，近年来藻种库对外提供藻种的数量也不断增多，以2019年为例, 累计为316家单位提供所需藻株总数达2500余株, 利用藻种库藻种发表的各类学术文章达120多篇。其中对外提供最多的是微囊藻属Microcystis的藻种, 其次是小球藻属Chlorella、栅藻属Scenedesmus和鱼腥藻属Anabaena的藻种。所提供的藻种应用的领域包括环境、毒理、生理、生态及应用开发等。为近90家企业提供450余株螺旋藻、小球藻和红球藻等微藻种质资源及相关技术服务。自2012年以来，每年举办1-2期培训课程，累计为来自全国各地高校、科研院所、公司企业、环境监测中心、水务集团、环保企业和社会团体的700多人次提供技术培训。
图9 藻种库培训
展望
在新形势下, 在继续加大微藻种质资源保藏力度的基础上, 对藻种资源中心提出了分类、鉴定、功能评价及数据信息库建设的要求。发掘、收集、筛选和培养出新型微藻种质资源, 同时使一些具应用价值的稀有或濒危微藻种质资源得以长期保存, 提升我国在微藻种质资源采集与保存领域的技术地位。系统性地开展微藻特别是经济微藻的良种化, 选育优良种质和培育良种可为微藻产业发展提供动能, 也将是该产业发展的重要方向。在坚持微藻资源的长期收集保藏、保质保量并担当好国家战略生物资源储备库的前提下, 将藻种资源优势转化为新功能和新品种创制的优势, 将是藻种资源库未来发展和提升的保障。
参考文献
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本文转载自国家水生生物种质库淡水藻种库微信公众号
