海洋生物活性物质研究开发进展 李刘发义 (国家海洋局第一海洋研究所青岛,266003) 摘要 着重介绍海洋生物活性物质筛选,富含活性物质的海洋生源材料的培养,活性物质 的分离、纯化及产品制备等技术的国内外研究进展,并就我国海洋生物活性物质研究开发存 在的问题提出建议和对策 关键词海洋生物活性物质研究进展 所谓生物活性物质,是指来自生物体内的对生命现象具有影响的微量或少量物质,因 此一般的蛋白质、氨基酸、脂肪、糖类和常量矿物元素,尽管它们对生命现象具有影响,但 它们不是微量或少量物质,因此不包括在生物活性物质范围内。海洋生物活性物质,则是 指海洋生物体内所含有的对生命现象具有影响的微量或少量物质,主要包括海洋药用物 质、生物信息物质、海洋生物毒素和生物功能材料等海洋生物体内的天然产物。 随着社会的发展,人们生活习惯的改变,环境污染的加剧和人类寿命的延长,心脑血 管疾病、恶性肿瘤、糖尿病、老年性痴呆症、乙型肝炎等疾病日益严重地威胁着人类健康, 艾滋病、玛尔堡病毒病、伊搏拉出血热、川崎病、克麦罗氏脑炎等新的疾病又不断出现,仅 病毒病世界上平均每年就新增2~3种。人类迫切需要寻找新的、特效的药物来治疗这些 疾病。陆生药源由于经过长期的研究开发,新药源日渐减少。海洋中生活着大量的种类繁 多的生物,蕴藏着大量的生物活性物质,而且它们生活在盐度高的条件下,有些生物还生 活在高压、低温或高温等极端环境中,使得很多活性物质具有非常独特的功能,因此,人们 纷纷将目光投向海洋,希望从中获得具有特殊疗效的药物。此外,人们还希望利用海洋生 物活性物质开发出增进健康、预防疾病的营养食品、保健食品,有些海洋生物活性物质还 可用于化妆品中,有的可制成特殊的生物功能材料,为此使得海洋生物活性物质成了近年 来国内外研究的热点。下面就该领域中的几个主要方向的研究进展及我国存在的问题和 对策谈谈看法。 1海洋生物活性物质的筛选 筛选是研究和开发海洋生物活性物质的第一步,是一项基础性的工作。传统的筛选方 法是利用实验动物或其组织器官对某种化合物或混合物进行逐一的试验,速度慢,效率 低,费用高近年来,随着科学技术的发展,活性物质筛选逐步趋向系统化、规模化、规范 化,特别是分子生物学技术的发展,使得活性物质的筛选技术有了很大的改进。目前国际 上发明了以分子水平的药物模型为基础的大规模筛选( High throughput screening肢术, 即使用生命活动中具有重要作用的受体、酶、离子通道、核酸等生物分子作为大规模筛选 中的作用靶点,来进行活性物质的筛选,这些方法具有简便、快速、命中率高、费用低等优
海洋生物活性物质研究开发进展 李光友 刘发义 （国家海洋局第一海洋研究所，青岛 摘要 着重介绍海洋生物活性物质筛选，富含活性物质的海洋生源材料的培养，活性物质 的分离、纯化及产品制备等技术的国内外研究进展，并就我国海洋生物活性物质研究开发存 在的问题提出建议和对策。 关键词 海洋生物 活性物质 研究进展 所谓生物活性物质，是指来自生物体内的对生命现象具有影响的微量或少量物质，因 此一般的蛋白质、氨基酸、脂肪、糖类和常量矿物元素，尽管它们对生命现象具有影响，但 它们不是微量或少量物质，因此不包括在生物活性物质范围内。海洋生物活性物质，则是 指海洋生物体内所含有的对生命现象具有影响的微量或少量物质，主要包括海洋药用物 质、生物信息物质、海洋生物毒素和生物功能材料等海洋生物体内的天然产物。 随着社会的发展，人们生活习惯的改变，环境污染的加剧和人类寿命的延长，心脑血 管疾病、恶性肿瘤、糖尿病、老年性痴呆症、乙型肝炎等疾病日益严重地威胁着人类健康， 艾滋病、玛尔堡病毒病、伊搏拉出血热、川崎病、克麦罗氏脑炎等新的疾病又不断出现，仅 病毒病世界上平均每年就新增 种。人类迫切需要寻找新的、特效的药物来治疗这些 疾病。陆生药源由于经过长期的研究开发，新药源日渐减少。海洋中生活着大量的种类繁 多的生物，蕴藏着大量的生物活性物质，而且它们生活在盐度高的条件下，有些生物还生 活在高压、低温或高温等极端环境中，使得很多活性物质具有非常独特的功能，因此，人们 纷纷将目光投向海洋，希望从中获得具有特殊疗效的药物。此外，人们还希望利用海洋生 物活性物质开发出增进健康、预防疾病的营养食品、保健食品，有些海洋生物活性物质还 可用于化妆品中，有的可制成特殊的生物功能材料，为此使得海洋生物活性物质成了近年 来国内外研究的热点。下面就该领域中的几个主要方向的研究进展及我国存在的问题和 对策谈谈看法。 海洋生物活性物质的筛选 筛选是研究和开发海洋生物活性物质的第一步，是一项基础性的工作。传统的筛选方 法是利用实验动物或其组织器官对某种化合物或混合物进行逐一的试验，速度慢，效率 低，费用高。近年来，随着科学技术的发展，活性物质筛选逐步趋向系统化、规模化、规范 化，特别是分子生物学技术的发展，使得活性物质的筛选技术有了很大的改进。目前国际 上发明了以分子水平的药物模型为基础的大规模筛选（ ）技术， 即使用生命活动中具有重要作用的受体、酶、离子通道、核酸等生物分子作为大规模筛选 中的作用靶点，来进行活性物质的筛选，这些方法具有简便、快速、命中率高、费用低等优
点,有的还可以用机器人进行操作。美国还发明了用基因工程受体,如以癌基因和抑癌基 因为作用靶点进行抗肿瘤药物筛选:还发明了谓之 Hollow Fiber Assay筛选抗肿瘤活性 物质的新方法,该方法也可用于抗艾滋病活性物质的筛选:美国国立癌症研究所还建立了 60株人癌细胞株组成的板块筛选系统,对化合物进行初步筛选,然后再进行动物体内试 验。而目前国内对海洋生物活性物质的筛选主要还是使用传统的方法。 2海洋生物活性物质生源材料的培养 能获得丰富的生源材料是开发海洋生物活性物质的基础。由于大多数生物活性物质 在海洋生物体内含量很微,用现有的海洋生物作为开发的资源是相当困难的,而大部分海 洋生物活性物质结构比较复杂,又难以进行全人工合成,因此,富含生物活性物质生源材 料的大规模培养就成了关键的问题之一。解决之一问题,一是通过人工栽培或养殖富含活 性物质的海洋生物:另一条途径是利用生物技术培养生源材料。 目前,国际上对生物技术在海洋生物活性物质研究和开发中应用研究得最多的是基 因工程,即通过分离、克隆活性物质的基因,转入高效、廉价表达系统进行生产,以获得大 量高质量的产物。在医药研究领域,基因工程多肽和蛋白质类药物、单克隆抗体及新型诊 断试剂的研究和开发,是现代生物技术影响最大、效益最好、发展最快的领域。以美国为 例,据1995年底统计,生物技术药品和疫苗已有20多种新产品投放市场,1997年7月, 美国食品药品局(FDA)已准上市的基因工程药物、疫苗和注射用单克隆抗体达39种,尚 有10多种产品正待FDA批准,还有300多种生物制剂正在进行或完成临床试验。另有 2000多种药品处于研制阶段,预计每年平均有5~8种产品投放市场。各类生物技术公司 1000多家,形成规模生产的有20多家,基因工程药物销售额1995年约为48亿美元, 年则超过60亿美元,年增长20%以上。世界其他国家在基因工程药物研究方面也发 展很快。但是,海洋基因工程药物研究仅是开始。90年代以来开始了海洋药用基因的克隆 以及在微生物中的表达工作,研究较多的有海葵毒素、芋螺毒素、藻胆蛋白、鲨鱼软骨素、 降钙素等几种海洋生物活性物质,并取得了一定的进展。但到目前为止,世界上尚未有转 化成工业化生产的海洋基因工程药物产品。 海洋生物发酵工程主要是通过对富含活性物质的海洋微生物进行发酵培养,从中获 得大量的产物。很多研究表明,海洋生物活性物质的初始来源,大部分甚至全部来自海洋 微藻和微生物等低等海洋生物。目前,对海洋微生物发酵生产活性物质硏究较多的有河飩 毒素、高度不饱和脂肪酸等。如日本用海洋微生物发酵生产河飩毒素的产业化前景已经明 朗,发酵海洋细菌生产EPA和DHA的研究也在进行之中。 利用生物反应器培养微藻开发海洋生物活性物质,也是世界上的一个研究热点。从广 义上讲,用敞开的水池培养微藻也是一种生物反应器技术,但其效率比较低。研究较多的 是,利用封闭的光生物反应器来培养微藻,但这项技术目前还未达到大规模实用化的阶 段。有些海洋异养微藻可以通过发酵法进行培养.也是一种生物反应器技术,美国Omg 公司和 Martek公司,利用发酵法培养异养微藻,以之生产EPA和DHA,已经达到了工业 化生产的阶段 醇的生产和应用的技术过程称为酶工程。国外从耐寒、耐高温、耐高压和耐高盐度的
多家，基因工程药物销售额 年约为 多种产品正待 批准，还有 多种生物制剂正在进行或完成临床试验。另有 种产品投放市场。各类生物技术公司 亿美元， 亿美元，年增长 以上。世界其他国家在基因工程药物研究方面也发 年代以来开始了海洋药用基因的克隆 以及在微生物中的表达工作，研究较多的有海葵毒素、芋螺毒素、藻胆蛋白、鲨鱼软骨素、 降钙素等几种海洋生物活性物质，并取得了一定的进展。但到目前为止，世界上尚未有转 化成工业化生产的海洋基因工程药物产品。 和 海洋生物发酵工程主要是通过对富含活性物质的海洋微生物进行发酵培养，从中获 得大量的产物。很多研究表明，海洋生物活性物质的初始来源，大部分甚至全部来自海洋 微藻和微生物等低等海洋生物。目前，对海洋微生物发酵生产活性物质研究较多的有河鲀 毒素、高度不饱和脂肪酸等。如日本用海洋微生物发酵生产河鲀毒素的产业化前景已经明 朗，发酵海洋细菌生产 的研究也在进行之中。 也是一种生物反应器技术，美国 利用生物反应器培养微藻开发海洋生物活性物质，也是世界上的一个研究热点。从广 义上讲，用敞开的水池培养微藻也是一种生物反应器技术，但其效率比较低。研究较多的 是，利用封闭的光生物反应器来培养微藻，但这项技术目前还未达到大规模实用化的阶 段。有些海洋异养微藻可以通过发酵法进行培养 公司和 公司，利用发酵法培养异养微藻，以之生产 和 ，已经达到了工业 化生产的阶段。 酶的生产和应用的技术过程称为酶工程。国外从耐寒、耐高温、耐高压和耐高盐度的 海洋生物活性物质生源材料的培养 验。而目前国内对海洋生物活性物质的筛选主要还是使用传统的方法。 点，有的还可以用机器人进行操作。美国还发明了用基因工程受体，如以癌基因和抑癌基 因为作用靶点进行抗肿瘤药物筛选；还发明了谓之 筛选抗肿瘤活性 物质的新方法，该方法也可用于抗艾滋病活性物质的筛选：美国国立癌症研究所还建立了 株人癌细胞株组成的板块筛选系统，对化合物进行初步筛选，然后再进行动物体内试 年 月 ， 种，尚 能获得丰富的生源材料是开发海洋生物活性物质的基础。由于大多数生物活性物质 在海洋生物体内含量很微，用现有的海洋生物作为开发的资源是相当困难的，而大部分海 洋生物活性物质结构比较复杂，又难以进行全人工合成，因此，富含生物活性物质生源材 料的大规模培养就成了关键的问题之一。解决之一问题，一是通过人工栽培或养殖富含活 性物质的海洋生物；另一条途径是利用生物技术培养生源材料。 目前，国际上对生物技术在海洋生物活性物质研究和开发中应用研究得最多的是基 因工程，即通过分离、克隆活性物质的基因，转入高效、廉价表达系统进行生产，以获得大 量高质量的产物。在医药研究领域，基因工程多肽和蛋白质类药物、单克隆抗体及新型诊 断试剂的研究和开发，是现代生物技术影响最大、效益最好、发展最快的领域。以美国为 例 ，据 多种新产品投放市场， ）已准上市的基因工程药物、疫苗和注射用单克隆抗体达 年底统计，生物技术药品和疫苗已有 美国食品药品局 有 多种药品处于研制阶段，预计每年平均有 多家，形成规模生产的有 年则超过 展很快。但是，海洋基因工程药物研究仅是开始
海洋微生物中,分离出了一些特殊的酶类,如,对热稳定的DNA聚合酶、在组织培养中有 分散细胞作用的胶原酶、能催化卤素进入代谢产物中的卤素过氧化物酶等等。日本的研究 者已经建立了一种诱导微藻大量生产超氧化物歧化酶(SOD)方法,可以用在医药化妆 品和食品上。酶工程的发展,为工业技术的进步作出了巨大贡献,酶制剂本身也形成了巨 大的市场。至1997年,全球的酶市场约为14亿美元,并以每年4%~5%的速度增长。由 于新药开发及制药新技术的需要,特殊用酶迅速增加,已成为酶技术开发中的重点。由于 海洋生物的特殊性,特别是生活在极端环境下的海洋微生物和微藻,其体内含有丰富的极 端酶,已成为生物技术的重要研究领域,这不仅可提供工业特殊用酶,也为获得新的生物 活性物质提供极好的生物资源库。 国内应用生物技术进行海洋生物活性物质的研究和开发,也做了不少工作。其中利用 基因工程技术开发海洋蛋白类药物起步较快,先后开展了别藻蓝蛋白、海葵毒素、鲨鱼软 骨蛋白、芋螺毒素、降钙素等药用基因克隆与表达的硏究,已形成了一定的优势。海洋微藻 光生物反应器技术,海洋微生物活性物质的筛选和发酵培养,应用细胞工程技术开发生物 活性物质等研究工作都已经启动。但总的来看,还是处于刚刚开始的阶段。 3海洋生物活性物质分离纯化和产品制备技术 开展海洋生物活性物质的研究,其最终目的是将其开发成产品投放市场,因此海洋生 物活性物质的分离、纯化及产品制备等技术,是海洋生物活性物质的重要研究领域,也是 目前国内生物活性物质研究开发中最迫切的需要,而且今后无论发展到什么阶段,这类技 术也是必不可少的。 近年来,有许多新的、先进的技术应用于海洋生物活性物质的分离、纯化及产品制备 过程中,如超临界流体萃取、双液相萃取、灌注层析、分子蒸馏、膜分离等现代分离技术,提 高化合物活性的分子修饰、组合化学技术,加速药物研制的计算机辅助药物设计技术等。 上述技术有的已经在国内海洋生物活性物质研究与开发中得到了应用,如超临界CO2萃 取技术已用于海洋生物中脂类和高度不饱和脂肪酸的分离提取,分子蒸馏技术已经在海 洋鱼油制品的生产中得到了应用:以分子修饰提高天然产物的生理活性的例子则更多。近 十几年来,我国已经有一大批海洋药物和海洋保健食品投放市场,如PSS,硫酸软骨素,脱 溴海兔毒素,头孢菌素,玉足海参素渗透剂,鱼油胶囊,3一胡萝卜素等,这些产品都是通过 对海洋生物中天然存在的活性物质的提取、分离、纯化等过程而研制得的,其中有些经过 化学修饰,进一步提高了其作用效果。随着科学技术的发展,现有的技术将不断完善,新的 技术会不断出现,将带动海洋生物活性物质的研究与开发以更快的速度发展 4我国海洋生物活性物质研究和开发中存在的主要问题及其对策 目前我国海洋生物活性物质的研究和开发与世界先进国家相比还存在相当差距,其 主要表现在以下几个方面 (1)活性物质的筛选等基础性工作薄弱。1976年以来,全世界从海洋生物中分离得 到的新型化合物达3000多种,而我国进行海洋生物活性物质筛选的单位不多,分离得到 单体且属新型化合物的很少,其原因是筛选需要大量的投入,而且短期内难以见到经济效
海洋生物活性物质分离纯化和产品制备技术 海洋微生物中，分离出了一些特殊的酶类，如，对热稳定的 聚合酶、在组织培养中有 分散细胞作用的胶原酶、能催化卤素进入代谢产物中的卤素过氧化物酶等等。日本的研究 者已经建立了一种诱导微藻大量生产超氧化物歧化酶 ）的方法，可以用在医药、化妆 亿美元，并以每年 品和食品上。酶工程的发展，为工业技术的进步作出了巨大贡献，酶制剂本身也形成了巨 大的市场。至 年，全球的酶市场约为 的速度增长。由 于新药开发及制药新技术的需要，特殊用酶迅速增加，已成为酶技术开发中的重点。由于 海洋生物的特殊性，特别是生活在极端环境下的海洋微生物和微藻，其体内含有丰富的极 端酶，已成为生物技术的重要研究领域，这不仅可提供工业特殊用酶，也为获得新的生物 活性物质提供极好的生物资源库。 国内应用生物技术进行海洋生物活性物质的研究和开发，也做了不少工作。其中利用 基因工程技术开发海洋蛋白类药物起步较快，先后开展了别藻蓝蛋白、海葵毒素、鲨鱼软 骨蛋白、芋螺毒素、降钙素等药用基因克隆与表达的研究，已形成了一定的优势。海洋微藻 光生物反应器技术，海洋微生物活性物质的筛选和发酵培养，应用细胞工程技术开发生物 活性物质等研究工作都已经启动。但总的来看，还是处于刚刚开始的阶段。 开展海洋生物活性物质的研究，其最终目的是将其开发成产品投放市场，因此海洋生 物活性物质的分离、纯化及产品制备等技术，是海洋生物活性物质的重要研究领域，也是 目前国内生物活性物质研究开发中最迫切的需要，而且今后无论发展到什么阶段，这类技 术也是必不可少的。 萃 近年来，有许多新的、先进的技术应用于海洋生物活性物质的分离、纯化及产品制备 过程中，如超临界流体萃取、双液相萃取、灌注层析、分子蒸馏、膜分离等现代分离技术，提 高化合物活性的分子修饰、组合化学技术，加速药物研制的计算机辅助药物设计技术等。 上述技术有的已经在国内海洋生物活性物质研究与开发中得到了应用，如超临界 ，硫酸软骨素，脱 取技术已用于海洋生物中脂类和高度不饱和脂肪酸的分离提取，分子蒸馏技术已经在海 洋鱼油制品的生产中得到了应用；以分子修饰提高天然产物的生理活性的例子则更多。近 十几年来，我国已经有一大批海洋药物和海洋保健食品投放市场，如 溴海兔毒素，头孢菌素，玉足海参素渗透剂，鱼油胶囊 胡萝卜素等，这些产品都是通过 对海洋生物中天然存在的活性物质的提取、分离、纯化等过程而研制得的，其中有些经过 化学修饰，进一步提高了其作用效果。随着科学技术的发展，现有的技术将不断完善，新的 技术会不断出现，将带动海洋生物活性物质的研究与开发以更快的速度发展。 我国海洋生物活性物质研究和开发中存在的主要问题及其对策 目前我国海洋生物活性物质的研究和开发与世界先进国家相比还存在相当差距，其 主要表现在以下几个方面。 活性物质的筛选等基础性工作薄弱。 年以来，全世界从海洋生物中分离得 到的新型化合物达 多种，而我国进行海洋生物活性物质筛选的单位不多，分离得到 单体且属新型化合物的很少，其原因是筛选需要大量的投入，而且短期内难以见到经济效
益。我国虽筹建了国家新药筛选中心,但是该中心接受的样品中鲜有海洋来源的纯化合物 或混合物。 (2)活性物质的分离、纯化等技术与国外存在较大差距,设备落后,质量差,速度慢 (3)利用基因工程、细胞工程、酶工程、生化工程等生物技术手段,进行海洋生物活性 物质开发更是刚刚起步,大部分项目还是处于研究的初期。 (4)产业化水平低。国内虽已开发出了一些海洋药品,但真正能称为海洋一类新药的 很少,大多属于中药类,而且其中绝大部分的长期疗效还有待进一步观察:开发出的海洋 保健食品,只有少数是功能因子已知的第三代保健食品:海洋化妆品、海洋生物分子材料 的研究开发则更少。很多研究和开发项目常常出现一窝峰而上的现象,很多是在低水平上 重复。 存在上述问题的原因很多,科技投入不足是重要原因之一。我国投入海洋生物活性物 质研究与开发的经费,同发达国家相比很少。以海洋药物这一最重要的领域为例,美国投 入海洋药物的研究基金达到植物化学药物和合成药总资金的11%,而我国不到1%;1991 年,美国大学与国立海洋生物技术研究中心的研究费为4400万美元,其中海洋药物占 14.6%;日本通产省1991年对海洋药物和其他精细化学品研究的投资也达150亿日元; 我国高校或科研单位的海洋新药能得到的资金投入则很少。从企业投入来看,国外制药集 团每年用产值的10%~15%投入新药研究开发,少则几百万美元,多至几亿美元,尤其重 视发现新的单体。我国制药企业多数规模不大,利润有限,每年能拿出100万元人民币用 于新药,特别是用于海洋药物研究开发的单位甚少;大多数企业只需要短平快项目,而不 肯投入基础硏究,使新药开发缺乏资金后盾。另外,科技力量分散,中试环节薄弱等,也是 影响我国海洋生物活性物质研究的重要原因。 为了加快我国海洋生物活性物质研究和开发的速度,我们认为,首先应增加经费支 持,国家和地方政府应加大资金投入,相关企业从自身利益出发也应给予充分的重视,提 前介入有关的研究与开发:全国应建立相应的海洋生物活性物质研究开发中心(或基地) 中心既要有较高水平的研究技术队伍,又要配备比较先进齐全的设备:要发挥高校、科研 所和生产企业三方面优势,共同努力,加快培养相关的研究技术人才,同时要吸引更多 从事本领域研究和开发的留学人员归国参与该领域工作:建立全国从事海洋生物活性物 质研究开发的协调组织和全国海洋生物活性物质数据库。海洋生物活性物质的研究与开 发是比较容易见到直接经济效益的领域,应该特别给予重视,使之能够得到快速的发展
万美元，其中海洋药物占 ，而我国不到 亿日元； 益。我国虽筹建了国家新药筛选中心，但是该中心接受的样品中鲜有海洋来源的纯化合物 或混合物。 活性物质的分离、纯化等技术与国外存在较大差距，设备落后，质量差，速度慢。 利用基因工程、细胞工程、酶工程、生化工程等生物技术手段，进行海洋生物活性 物质开发更是刚刚起步，大部分项目还是处于研究的初期。 产业化水平低。国内虽已开发出了一些海洋药品，但真正能称为海洋一类新药的 很少，大多属于中药类，而且其中绝大部分的长期疗效还有待进一步观察；开发出的海洋 保健食品，只有少数是功能因子已知的第三代保健食品；海洋化妆品、海洋生物分子材料 的研究开发则更少。很多研究和开发项目常常出现一窝峰而上的现象，很多是在低水平上 重复。 存在上述问题的原因很多，科技投入不足是重要原因之一。我国投入海洋生物活性物 质研究与开发的经费，同发达国家相比很少。以海洋药物这一最重要的领域为例，美国投 入海洋药物的研究基金达到植物化学药物和合成药总资金的 年对海洋药物和其他精细化学品研究的投资也达 年，美国大学与国立海洋生物技术研究中心的研究费为 ；日本通产省 投入新药研究开发，少则几百万美元，多至几亿美元，尤其重 我国高校或科研单位的海洋新药能得到的资金投入则很少。从企业投入来看，国外制药集 团每年用产值的 视发现新的单体。我国制药企业多数规模不大，利润有限，每年能拿出 万元人民币用 于新药，特别是用于海洋药物研究开发的单位甚少；大多数企业只需要短平快项目，而不 肯投入基础研究，使新药开发缺乏资金后盾。另外，科技力量分散，中试环节薄弱等，也是 影响我国海洋生物活性物质研究的重要原因。 为了加快我国海洋生物活性物质研究和开发的速度，我们认为，首先应增加经费支 持，国家和地方政府应加大资金投入，相关企业从自身利益出发也应给予充分的重视，提 前介入有关的研究与开发；全国应建立相应的海洋生物活性物质研究开发中心（或基地）， 中心既要有较高水平的研究技术队伍，又要配备比较先进齐全的设备；要发挥高校、科研 院所和生产企业三方面优势，共同努力，加快培养相关的研究技术人才，同时要吸引更多 从事本领域研究和开发的留学人员归国参与该领域工作；建立全国从事海洋生物活性物 质研究开发的协调组织和全国海洋生物活性物质数据库。海洋生物活性物质的研究与开 发是比较容易见到直接经济效益的领域，应该特别给予重视，使之能够得到快速的发展
海洋生物技术一个新分支 海洋生化工程 李元广~①张良①李光友②刘发义②许璞③曹竹安④ ①华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、国家生化工程技术研究中心,上海,200237 ②国家海洋局第一海洋研究所、国家海洋局海洋生物活性物质重点实验室,青岛,266003 ③江苏省海洋水产研究所,南通,226007;④清华大学生物化工研究所,北京,100084) 摘要对海洋生物技术领域的一个重要分支一-海洋生化工程这一新兴学科的定义、研究 范畴、特点等问题进行较系统的探讨和阐述,并简要介绍我国海洋生化工程的某些进展,以期 推动海洋生化工程学科的发展并加快海洋生物技术产业化的进程 海洋生物技术海洋生化工程海洋生物资源开发利用 海洋生物技术目前正处于蓬勃发展阶段,在海洋生物资源的研究、开发利用中日益发 挥着其重要作用。许多国家纷纷制定相应政策以大力发展海洋生物技术,如美国国家科技 委员会下属的基础研究委员会生物技术研究分委员会发表的《21世纪生物技术新前沿》 的长篇报告认为,当今生物技术研究已进入“第二次浪潮”,美国政府除向与健康相关的生 物技术投资外,应重点把握的4个投资领域就包括海洋生物技术(徐庆毅,1999)。我国政 府有关部门也对海洋生物技术予以了高度重视,已将海洋生物技术列入国家“九五”科技 攻关计划“海洋863”计划和“科技兴海”计划中:此外,我国政府目前正在制定的“生物技 术‘十五’科技计划”和“2015年规划”及“S863”计划也均已将海洋生物技术列入其中。 海洋生物技术( Marine Biotechnology始于本世纪80年代( Colwell et al,1984) 海洋生物技术,也被称为海洋生物工程 Marine bioengineering)。目前,一般通称为海洋 生物技术。海洋生物技术,是运用现代生物学、化学和工程学手段,利用海洋生物体、生命 系统和生命过程,生产有用产品的高技术(林锦湖,1994)。也可以更完善的说,海洋生物技 术,是以海洋生命科学为基础,利用海洋生物体系和工程学原理改造海洋生物遗传特性、 开发海洋生物制品和保护海洋环境的综合性科学技术。海洋生物技术是现代生物技术与 海洋生物学交叉的产物,是继80年代蛋白质工程之后发展起来的生物高技术,被誉为“第 三代生物技术”由于海洋生物的多样性和种类远较陆地生物更丰富数量更多,也由于海 洋的生态环境比陆地复杂和特殊,这就决定了海洋生物技术的特殊性。迄今,海洋生物技 术的任何研究成果,大都是多学科综合运用产生的,涉及诸多的技术和方法。从这个意义 上讲,海洋生物技术充分体现了它的综合性和研究分支丰富的突出特性。本文就海洋生物 技术领域的一个重要新分支??海洋生化工程学科的有关定义、研究范畴、特点等进行较系 统的探讨、阐述,以期为海洋生化工程学科的发展以及加速海洋生物技术产业化进程提供 参考
海洋生物技术一个新分支 海洋生化工程 李元广 张嗣良 李光友 刘发义 许 璞 曹竹安 华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、国家生化工程技术研究中心，上海 ②国家海洋局第一海洋研究所、国家海洋局海洋生物活性物质重点实验室，青岛， ③江苏省海洋水产研究所，南通， ④清华大学生物化工研究所，北京， 。我国政 年 代（ 摘要 对海洋生物技术领域的一个重要分支 海洋生化工程这一新兴学科的定义、研究 范畴、特点等问题进行较系统的探讨和阐述，并简要介绍我国海洋生化工程的某些进展，以期 推动海洋生化工程学科的发展并加快海洋生物技术产业化的进程。 关键词 海洋生物技术海洋生化工程海洋生物资源开发利用 世纪生物技术新前沿》 海洋生物技术目前正处于蓬勃发展阶段，在海洋生物资源的研究、开发利用中日益发 挥着其重要作用。许多国家纷纷制定相应政策以大力发展海洋生物技术，如美国国家科技 委员会下属的基础研究委员会生物技术研究分委员会发表的《 个投资领域就包括海洋生物技术（徐庆毅， 的长篇报告认为，当今生物技术研究已进入“第二次浪潮”，美国政府除向与健康相关的生 物技术投资外，应重点把握的 ”计划和“科技兴海”计划中；此外，我国政府目前正在制定的“生物技 府有关部门也对海洋生物技术予以了高度重视，已将海洋生物技术列入国家“九五”科技 攻关计划“、海洋 年规划”及“ ”计划也均已将海洋生物技术列入其中。 ）起始于本世纪 术‘十五’科技计划”和“ 海洋生物技术（ 海洋生物技术，也被称为海洋生物工程（ 。目前，一般通称为海洋 。也可以更完善的说，海洋生物技 生物技术。海洋生物技术，是运用现代生物学、化学和工程学手段，利用海洋生物体、生命 系统和生命过程，生产有用产品的高技术（林锦湖， 年代蛋白质工程之后发展起来的生物高技术，被誉为“第 术，是以海洋生命科学为基础，利用海洋生物体系和工程学原理改造海洋生物遗传特性、 开发海洋生物制品和保护海洋环境的综合性科学技术。海洋生物技术是现代生物技术与 海洋生物学交叉的产物，是继 海洋生化工程学科的有关定义、研究范畴、特点等进行较系 三代生物技术”。由于海洋生物的多样性和种类远较陆地生物更丰富、数量更多，也由于海 洋的生态环境比陆地复杂和特殊，这就决定了海洋生物技术的特殊性。迄今，海洋生物技 术的任何研究成果，大都是多学科综合运用产生的，涉及诸多的技术和方法。从这个意义 上讲，海洋生物技术充分体现了它的综合性和研究分支丰富的突出特性。本文就海洋生物 技术领域的一个重要新分支 统的探讨、阐述，以期为海洋生化工程学科的发展以及加速海洋生物技术产业化进程提供 参考
1海洋生化工程产生的背景 关于海洋生物技术涵盖的分支,从狭义上讲,主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、 发酵工程。随着海洋生物技术的飞速发展、陆地生物技术的借鉴和引入、国际现代学术思 想的引进,以及学科发展的需要等,海洋生物技术的外延已经且需要扩展至更大的范围, 如海洋生化工程、海洋微生物工程海洋生物免疫学工程海洋生物蛋白质工程,以及海洋 环境生物工程学等。 关于海洋生化工程 Marine Bioprocess engineering)方面的研究工作国外已有报道 如国际上已于近年召开了专门的学术研讨会( wijffels et a,1998)①。在中国也已出现了 批重要研究成果,如藻酸双酯钠、海藻多糖、海藻硒多糖、微生物多肽,以及全自动封闭 式光生物反应器、多参数水质计算机在线检测系统等。这些成果大都已应用于食品、药物、 保健品、化妆品等海洋生物制品及海水养殖与微藻大规模培养中。实践表明,海洋生化工 程是海洋生物技术产业化的关键技术之一。但迄今为止,对于海洋生化工程这一新学科的 知识领域,国内外尚缺乏基础理论方面的探讨。国内学者(李元广等,1996)曾指出,海洋生 化工程是一交叉学科,这对学科的建设无疑是一进步。 2海洋生化工程的定义 参照生化工程的定义俞俊棠等,1991),海洋生化工程可定义为:运用生化工程的原 理和方法,结合海洋生物的特点,对实验室所取得的海洋生物技术成果加以开发、放大和 工程化,使之成为可供产业化的工艺过程的一门工程技术学科。海洋生化工程可被简单地 理解为:将实验室所取得的海洋生物技术成果开发成可用于工业化生产的海洋生物技术, 最终可高效、低成本、大规模地生产出海洋生物技术产品。概括地说,海洋生化工程是为海 洋生物技术产业化服务的生化工程,它是海洋生物技术和生化工程技术相结合而形成的 门新兴交叉学科 3海洋生化工程的研究范畴 海洋生化工程是研究海洋生物技术中具有普遍性意义的特殊工程技术问题。从国内 外海洋生物技术发展现状来看,海洋生化工程研究范畴如下:(1)水产动物的大规模集约 化育苗与养殖,以及海洋动物细胞大规模培养过程中的工程技术问题。(2)微藻及大型海 藻细胞和组织大规模高密度培养过程中的工程技术问题。(3)海洋微生物大规模高密度 培养过程中的工程技术问题。(4)海洋生物(包括天然海洋生物、人工培养的天然海洋生 物和通过基因工程或细胞工程等技术改造后的海洋生物)的收获,以及海洋生物中生物活 性物质的分离提取和综合利用过程中的工程技术问题。 Wijffels R H, Osinga R, Wessels H Set al. 1998. Marine Bioprocess Engineering: An International Symposium Held Under Auspices of the Working Party on Applied Biocatalysis of the European Federation of Biotechnology and the European Society for Marine Biotechnology-Book of Abstracts(Noordwijkerhout, The Netherlands) 2~136
海洋生化工程产生的背景 海 洋 生化 工 程 的 研究 范 畴 海洋生化工程是研究海洋生物技术中具有普遍性意义的特殊工程技术问题。从国内 外海洋生物技术发展现状来看，海洋生化工程研究范畴如下： 水产动物的大规模集约 关于海洋生物技术涵盖的分支，从狭义上讲，主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、 发酵工程。随着海洋生物技术的飞速发展、陆地生物技术的借鉴和引入、国际现代学术思 想的引进，以及学科发展的需要等，海洋生物技术的外延已经且需要扩展至更大的范围， 如海洋生化工程、海洋微生物工程、海洋生物免疫学工程、海洋生物蛋白质工程，以及海洋 环境生物工程学等。 关于海洋生化工程（ ）方面的研究工作国外已有报道， 如国际上已于近年召开了专门的学术研讨会（ 。在中国也已出现了 曾指出，海洋生 一批重要研究成果，如藻酸双酯钠、海藻多糖、海藻硒多糖、微生物多肽，以及全自动封闭 式光生物反应器、多参数水质计算机在线检测系统等。这些成果大都已应用于食品、药物、 保健品、化妆品等海洋生物制品及海水养殖与微藻大规模培养中。实践表明，海洋生化工 程是海洋生物技术产业化的关键技术之一。但迄今为止，对于海洋生化工程这一新学科的 知识领域，国内外尚缺乏基础理论方面的探讨。国内学者（李元广等， 化工程是一交叉学科，这对学科的建设无疑是一进步。 海洋生化工程的定义 参照生化工程的定义（俞俊棠等， ，海洋生化工程可定义为：运用生化工程的原 理和方法，结合海洋生物的特点，对实验室所取得的海洋生物技术成果加以开发、放大和 工程化，使之成为可供产业化的工艺过程的一门工程技术学科。海洋生化工程可被简单地 理解为：将实验室所取得的海洋生物技术成果开发成可用于工业化生产的海洋生物技术， 最终可高效、低成本、大规模地生产出海洋生物技术产品。概括地说，海洋生化工程是为海 洋生物技术产业化服务的生化工程，它是海洋生物技术和生化工程技术相结合而形成的 一门新兴交叉学科。 化育苗与养殖，以及海洋动物细胞大规模培养过程中的工程技术问题。 微藻及大型海 藻细胞和组织大规模高密度培养过程中的工程技术问题。 海洋微生物大规模高密度 培养过程中的工程技术问题。 海洋生物（包括天然海洋生物、人工培养的天然海洋生 物和通过基因工程或细胞工程等技术改造后的海洋生物）的收获，以及海洋生物中生物活 性物质的分离提取和综合利用过程中的工程技术问题
概括的说,海洋生化工程研究任务主要有三个:(1)海洋生物技术研究及产业化过程 中所需的各类装置,即海洋生物技术发展的支撑技术,如各类传感器、反应器、分离提取设 备等的研制和开发。(2)传统海洋生物技术产业的改造,提高其生产效率,保证其持续稳定 地发展。(3)促进新型海洋生物技术产业的形成。开发新的海洋生物技术及产品,大规模 培养天然海洋生物以及通过基因工程或细胞工程等技术改造后的海洋生物,以大规模地 获得海洋生物活性物质 海洋生化工程的特点 海洋生化工程问题同我国生化工程学科过去所涉及的问题相比,两者之间既有许多 联系,又有很大差异。依据现有的资料和硏究成果,从海洋生化工程学科所涉及的主要研 究内容来分析海洋生化工程这一新领域的特点(主要是和生化工程学科进行对比) 4.]海水动物工厂化养殖与育苗过程的特点 与陆地好氧生物主要是指微生物、动物细胞及植物细胞)培养过程相比,海水动物工 厂化养殖与育苗过程具有以下特点 (1)从培养系统中物相角度来看。陆地好氧生物培养系统和海水动物工厂化养殖与育 苗系统均为气一液一固三相体系:但前者中的固相为陆地好氧生物,其个体均很小(一般 为微米级),而后者中的固相为海水动物,其个体较大,且在养殖与育苗过程中由小变大, 最大者可达数十厘米;此外,后者的培养体积一般比前者大得多 (2)从培养系统中的营养成分角度来看。陆地好氧生物培养过程所需营养几乎全为水 溶性物质,而海水动物工厂化养殖与育苗过程所需营养几乎全为固体饵料。陆地好氧生物 培养过程中营养过多会对生物的生长和产物的形成产生抑制作用,而海水动物工厂化养 殖与育苗过程的投饵过多,虽不会对动物生长直接产生抑制作用,但过多的残留饵料会引 起系统内水质恶化,最终影响海水动物的生长 (3)从培养过程有害物质来源及其作用角度来看。陆地好氧生物培养过程中生物产生 的有害物质会抑制生物的生长或产物的形成:而海水动物工厂化养殖与育苗过程中有害 物质有两个来源,一是残留饵料,二是海水动物产生的代谢废物和粪便。这些物质会使水 质恶化,为了保持养殖及育苗过程的顺利进行,必须设法去除这些有害物质。 (4)从有害物质去除角度来看。陆地好氧生物培养过程中有害物质的去除都采用反应 分离耦合技术,但这一技术正在研究开发之中,尚未进入产业化;而海水动物工厂化养殖 与育苗过程中有害物质的去除则是通过固液分离、水质生物净化、泡沫分离、臭氧灭菌等 单元操作来实现,这些技术已用于循环水式工厂化海水动物养殖与育苗过程,但尚存在许 多问题亟待解决 (5)从气液传递的角度来看。陆地好氧生物培养过程需供大量的氧,海水动物工厂化 养殖及育苗过程也同样需大量供氧,因而可借鉴生化工程领域中的某些强化供氧技术来 提高海水动物工厂化养殖及育苗系统的供氧效率, (6)从培养系统操作及工艺优化角度来看。陆地好氧生物培养过程及海水动物的工厂 化养殖与育苗过程均涉及水体流动,但后者还涉及水体输送问题,而前者不涉及。此外,前 者一般均为纯种培养需无菌操作,而后者为敞开式培养,不需要无菌操作,这为后者水质
海洋生化工程的特点 概括的说，海洋生化工程研究任务主要有三个： 海洋生物技术研究及产业化过程 固三相体系；但前者中的固相为陆地好氧生物，其个体均很小（一般 中所需的各类装置，即海洋生物技术发展的支撑技术，如各类传感器、反应器、分离提取设 备等的研制和开发。 地发展。 传统海洋生物技术产业的改造，提高其生产效率，保证其持续稳定 促进新型海洋生物技术产业的形成。开发新的海洋生物技术及产品，大规模 培养天然海洋生物以及通过基因工程或细胞工程等技术改造后的海洋生物，以大规模地 获得海洋生物活性物质。 海洋生化工程问题同我国生化工程学科过去所涉及的问题相比，两者之间既有许多 联系，又有很大差异。依据现有的资料和研究成果，从海洋生化工程学科所涉及的主要研 究内容来分析海洋生化工程这一新领域的特点（主要是和生化工程学科进行对比）。 海水动物工厂化养殖与育苗过程的特点 与陆地好氧生物（主要是指微生物、动物细胞及植物细胞）培养过程相比，海水动物工 厂化养殖与育苗过程具有以下特点。 液 从培养系统中物相角度来看。陆地好氧生物培养系统和海水动物工厂化养殖与育 苗系统均为气 为微米级），而后者中的固相为海水动物，其个体较大，且在养殖与育苗过程中由小变大， 最大者可达数十厘米；此外，后者的培养体积一般比前者大得多。 从培养系统中的营养成分角度来看。陆地好氧生物培养过程所需营养几乎全为水 溶性物质，而海水动物工厂化养殖与育苗过程所需营养几乎全为固体饵料。陆地好氧生物 培养过程中营养过多会对生物的生长和产物的形成产生抑制作用，而海水动物工厂化养 殖与育苗过程的投饵过多，虽不会对动物生长直接产生抑制作用，但过多的残留饵料会引 起系统内水质恶化，最终影响海水动物的生长。 从培养过程有害物质来源及其作用角度来看。陆地好氧生物培养过程中生物产生 的有害物质会抑制生物的生长或产物的形成；而海水动物工厂化养殖与育苗过程中有害 物质有两个来源，一是残留饵料，二是海水动物产生的代谢废物和粪便。这些物质会使水 质恶化，为了保持养殖及育苗过程的顺利进行，必须设法去除这些有害物质。 从有害物质去除角度来看。陆地好氧生物培养过程中有害物质的去除都采用反应 分离耦合技术，但这一技术正在研究开发之中，尚未进入产业化；而海水动物工厂化养殖 与育苗过程中有害物质的去除则是通过固液分离、水质生物净化、泡沫分离、臭氧灭菌等 单元操作来实现，这些技术已用于循环水式工厂化海水动物养殖与育苗过程，但尚存在许 多问题亟待解决。 从气液传递的角度来看。陆地好氧生物培养过程需供大量的氧，海水动物工厂化 养殖及育苗过程也同样需大量供氧，因而可借鉴生化工程领域中的某些强化供氧技术来 提高海水动物工厂化养殖及育苗系统的供氧效率。 从培养系统操作及工艺优化角度来看。陆地好氧生物培养过程及海水动物的工厂 化养殖与育苗过程均涉及水体流动，但后者还涉及水体输送问题，而前者不涉及。此外，前 者一般均为纯种培养需无菌操作，而后者为敞开式培养，不需要无菌操作，这为后者水质
的在线检测用传感器的研制带来方便,但因后者的水体流速较慢,且温度变化幅度较大, 因而给在线检测带来一些新的问题,如水体流动对检测的影响,温度补偿等问题。两个系 统的工艺优化技术基本相同,其差异在于前者是结合陆地好氧生物生理生化特性进行,而 后者是结合海水动物的生理生化特性来进行 4.2微藻光自养培养过程的特点 微藻大多为光能自养型。用于光能自养型海洋微藻培养的封闭式光生物反应器应具 有如下特点:(1)必须要用光照。对于外部光源的反应器,要求反应器的比表面积很大,培 养液的深度要相对小,否则藻体就得不到充足的光能。为了充分利用自然光,反应器必须 放在户外,而户外的光照条件受地域和气候的影响,难以控制。对于采用内部光源的反应 器,则需要在反应器中加上复杂的光照系统,而且光源产生的热量会给温度控制带来困 难。所有这些问题在常规生物反应器中均不存在( Pirt et al,1983)。(2)从混合角度来看 在藻类培养过程中的混合,除了具有促进气液传递、液固传递、防止细胞沉降作用外,还必 须使藻细胞在与反应器表面垂直的方向上能充分混合,否则藻细胞受光就不均匀(Laws etal,1986)。(3)从气液传递角度来看,藻类培养必须供应大量的二氧化碳,即要强化二 氧化碳吸收过程:同时将微藻产生的氧气从培养液中排出,即要强化氧解析过程( Dlaizola etal,19sl; Lee et al,1991)。而在好氧生物培养过程中,要强化氧吸收过程和二氧化碳解 析过程。因此,微藻培养过程的气液传递方向与好氧生物培养过程的气液传递方向正好相 反。(4)从培养液性质来看,好氧生物培养基大多用淡水配制,而海洋微藻的培养基多用海 水配制。由于二氧化碳和氧在海水及淡水中的溶解度差别很大,因而海洋微藻培养中的气 液传递过程将出现许多新的问题。此外,海水具有很强的腐蚀性,因而培养设备的材料选 择又将遇到新的问题 4.3海洋微生物培养过程的特点 将陆地好氧微生物培养同海洋微生物的培养相比,两者的异同点如下:(1)培养基成 分相差较大,前者用淡水配制,后者用海水配制。海洋微生物大都具有嗜盐性,适宜的盐度 范围为2.5%~4.0%,很多种类在淡水培养基中生长不良,甚至根本无法存活。(2)前者 的培养温度一般为30C左右,后者的培养温度一般较低,大多为18~22C。对于海洋中生 活于极端环境下的嗜高温、嗜低温、嗜压、嗜碱微生物来说,它们对条件的要求又是极为苛 刻和特殊的,这同陆地淡水微生物是不可同日而语的。(3前者培养的pH值多为中性或 偏酸性,后者多为中性或偏碱性 4.4海洋生物活性物质分离提取的特点 同陆地好氧生物活性物质分离提取相比,海洋微藻生物活性物质分离提取具有以下 特点:(1)海洋微生物(包括微藻〕在培养液或天然水体中的细胞密度往往很低(如微藻培 养密度一般为0.1g/L),因此从水体中收获细胞难度大。(2)海洋生物活性物质大多为胞 内产物,且胞内活性物质含量往往很低。从海洋生物中分离提取活性物质经常用到的技术 有粉碎、匀浆、溶剂提取、离心或过滤、浓缩、脱色、液一液萃取、真空减压浓缩、分子蒸馏、 层析、喷雾或冷冻干燥等
特点： 的培养温度一般为 的在线检测用传感器的研制带来方便，但因后者的水体流速较慢，且温度变化幅度较大， 因而给在线检测带来一些新的问题，如水体流动对检测的影响，温度补偿等问题。两个系 统的工艺优化技术基本相同，其差异在于前者是结合陆地好氧生物生理生化特性进行，而 后者是结合海水动物的生理生化特性来进行。 微藻光自养培养过程的特点 必须要用光照。对于外部光源的反应器，要求反应器的比表面积很大，培 微藻大多为光能自养型。用于光能自养型海洋微藻培养的封闭式光生物反应器应具 有如下特点： 养液的深度要相对小，否则藻体就得不到充足的光能。为了充分利用自然光，反应器必须 放在户外，而户外的光照条件受地域和气候的影响，难以控制。对于采用内部光源的反应 难。所有这些问题在常规生物反应器中均不存在 器，则需要在反应器中加上复杂的光照系统，而且光源产生的热量会给温度控制带来困 从混合角度来看， 在藻类培养过程中的混合，除了具有促进气液传递、液固传递、防止细胞沉降作用外，还必 须使藻细胞在与反应器表面垂直的方向上能充分混合，否则藻细胞受光就不均匀（ ）从气液传递角度来看，藻类培养必须供应大量的二氧化碳，即要强化二 氧化碳吸收过程；同时将微藻产生的氧气从培养液中排出，即要强化氧解析过程（ 。而在好氧生物培养过程中，要强化氧吸收过程和二氧化碳解 析过程。因此，微藻培养过程的气液传递方向与好氧生物培养过程的气液传递方向正好相 反。 从培养液性质来看，好氧生物培养基大多用淡水配制，而海洋微藻的培养基多用海 水配制。由于二氧化碳和氧在海水及淡水中的溶解度差别很大，因而海洋微藻培养中的气 液传递过程将出现许多新的问题。此外，海水具有很强的腐蚀性，因而培养设备的材料选 择又将遇到新的问题。 海洋微生物培养过程的特点 将陆地好氧微生物培养同海洋微生物的培养相比，两者的异同点如下： 培养基成 ，很多种类在淡水培养基中生长不良，甚至根本无法存活。 分相差较大，前者用淡水配制，后者用海水配制。海洋微生物大都具有嗜盐性，适宜的盐度 范围为 ）前 者 左右，后者的培养温度一般较低，大多为 ）前者培养的 。对于海洋中生 活于极端环境下的嗜高温、嗜低温、嗜压、嗜碱微生物来说，它们对条件的要求又是极为苛 刻和特殊的，这同陆地淡水微生物是不可同日而语的。 值多为中性或 偏酸性，后者多为中性或偏碱性。 海洋生物活性物质分离提取的特点 同陆地好氧生物活性物质分离提取相比，海洋微藻生物活性物质分离提取具有以下 海洋微生物（包括微藻）在培养液或天然水体中的细胞密度往往很低（如微藻培 养密度一般为 ，因此从水体中收获细胞难度大。 海洋生物活性物质大多为胞 液萃取、真空减压浓缩、分子蒸馏、 内产物，且胞内活性物质含量往往很低。从海洋生物中分离提取活性物质经常用到的技术 有粉碎、匀浆、溶剂提取、离心或过滤、浓缩、脱色、液 层析、喷雾或冷冻干燥等
5国内海洋生化工程的一些进展 应用生化工程原理和方法,结合海洋生物的特点,开拓海洋生化工程这一新领域,形 成一个新的交叉学科,显然具有很重要的学术意义和现实意义。另外,目前我国海洋生物 资源开发中,存在一个很大的问题是,实验室的研究成果转化为生产力的比例很低,其中 一个重要的原因就是在产业化过程中有很多工程问题未能很好解决。为此,加快海洋生化 工程的研究和应用,将会使海洋生物技术领域中的一些技术难题迎刃而解,将会加速海洋 生物技术成果产业化的进程,加快海洋生物资源的合理开发。总之,海洋生化工程这一新 兴的交叉学科具有广阔的应用前景。下面从海洋生化工程研究的三个主要任务角度来介 绍国内海洋生化工程的某些进展 5.1海洋生物技术发展的支撑技术 5.1.1光生物反应器研制 国内在封闭式光生物反应器研制方面已成功地开发出了 有机玻璃制气升式全自动封闭式光生物反应器、玻璃制气升式全自动封闭式光生物反应 器、可在位蒸汽灭菌的玻璃制气升式全自动封闭式光生物反应器、有机玻璃制平板式全自 动封闭式光生物反应器。上述封闭式光生物反应器(体积为10~150L灼为二级计算机 控制的全自动封闭式光生物反应器,具有DO溶氧),pH,温度等参数的在线检测与控制 功能,能实现二级计算机控制和数据的在线采集,反应器外表面的光照强度最大可达 80000lx光生物反应器的氧解析性能良好,可化学灭菌或高温灭菌。可在位蒸汽灭菌的 玻璃制气升式全自动封闭式光生物反应器能用于各种微藻(包括转基因微藻)的光自养 混合营养及完全异养培养,同时也适合于海洋微生物的培养 5.1.2多参数水质计算机在线检测系统研制与开发 国内已成功地开发出可用于敞 开式跑道池螺旋藻大规模培养及水产动物养殖过程DO,pH,温度的在线检测二级计算机 系统的软件及硬件,具有在1km内实现在线检测参数的传输、数据的在线采集与参数控 制、离线测定数据的输入、在线及离线参数的二次计算、自动绘图、数据分析、存盘及打印 等功能,DO,pH,温度测量范围和精度分别为(0~32)±0.1mg/L,(0~14)±0.1,(0~ 50)士0.1C. 5.2传统海洋生物技术产业的改造 5.2.1微藻大规模培养国内有关科研单位在微藻培养方面取得了如下几方面的研 究结果:(1)开发了一套完整的微藻高密度光自养培养技术。在10L封闭式光生物反应器 中采用该技术可使螺旋藻培养浓度达7.5g/L,平均产率达22.6~25.2g/(m2·d),它比 国内现有的敞开式跑道池的平均生产率高出二倍多:作为转基因微藻表达系统的集胞藻 6803的光自养培养密度达0.74g/L,它比目前国内传统培养方式的细胞浓度(0.1g/L 提高了约6.4倍。(2)对敞开式跑道池螺旋藻大规模培养过程中跑道池内DO的三维分布 及DO,pH,温度的在线变化特征进行了较深入的研究,为敞开式跑道池结构优化和螺旋 藻的大规模培养工艺优化提供了实验依据。(3)开发了一套微藻高密度混合培养技术。在 有光照条件下,葡萄糖能显著促进集胞藻6803生长:集胞藻6803在2.5L光生物反应器 中混合培养58.5h的藻细胞浓度可高达2.5g/L,而在同一光生物反应器中光自养培养 58.5h的藻细胞浓度仅为0.2g/L,前者是后者的12倍。(4)对微藻培养体系光衰减规律
国内海洋生化工程的一些进展 倍。 对微藻培养体系光衰减规律 应用生化工程原理和方法，结合海洋生物的特点，开拓海洋生化工程这一新领域，形 成一个新的交叉学科，显然具有很重要的学术意义和现实意义。另外，目前我国海洋生物 资源开发中，存在一个很大的问题是，实验室的研究成果转化为生产力的比例很低，其中 一个重要的原因就是在产业化过程中有很多工程问题未能很好解决。为此，加快海洋生化 工程的研究和应用，将会使海洋生物技术领域中的一些技术难题迎刃而解，将会加速海洋 生物技术成果产业化的进程，加快海洋生物资源的合理开发。总之，海洋生化工程这一新 兴的交叉学科具有广阔的应用前景。下面从海洋生化工程研究的三个主要任务角度来介 绍国内海洋生化工程的某些进展。 海洋生物技术发展的支撑技术 ）均为二级计算机 光生物反应器研制 国内在封闭式光生物反应器研制方面已成功地开发出了 有机玻璃制气升式全自动封闭式光生物反应器、玻璃制气升式全自动封闭式光生物反应 器、可在位蒸汽灭菌的玻璃制气升式全自动封闭式光生物反应器、有机玻璃制平板式全自 动封闭式光生物反应器。上述封闭式光生物反应器（体积为 控制的全自动封闭式光生物反应器，具有 （ 溶 氧 ）， ，温度等参数的在线检测与控制 功能，能实现二级计算机控制和数据的在线采集，反应器外表面的光照强度最大可达 ，光生物反应器的氧解析性能良好，可化学灭菌或高温灭菌。可在位蒸汽灭菌的 玻璃制气升式全自动封闭式光生物反应器能用于各种微藻（包括转基因微藻）的光自养、 混合营养及完全异养培养，同时也适合于海洋微生物的培养。 ，温度的在线检测二级计算机 多参数水质计算机在线检测系统研制与开发 国内已成功地开发出可用于敞 开式跑道池螺旋藻大规模培养及水产动物养殖过程 系统的软件及硬件，具有在 内实现在线检测参数的传输、数据的在线采集与参数控 温度测量范围和精度分别为 制、离线测定数据的输入、在线及离线参数的二次计算、自动绘图、数据分析、存盘及打印 等功能， ） ） 。 传统海洋生物技术产业的改造 究结果： 封闭式光生物反应器 微藻大规模培养 国内有关科研单位在微藻培养方面取得了如下几方面的研 开发了一套完整的微藻高密度光自养培养技术。在 中采用该技术可使螺旋藻培养浓度达 ，平均产率达 ，它 比 ，它比目前国内传统培养方式的细胞浓度 国内现有的敞开式跑道池的平均生产率高出二倍多；作为转基因微藻表达系统的集胞藻 的光自养培养密度达 倍。 对敞开式跑道池螺旋藻大规模培养过程中跑道池内 的三维分布 ，温度的在线变化特征进行了较深入的研究，为敞开式跑道池结构优化和螺旋 提高了约 及 开发了一套微藻高密度混合培养技术。在 生长；集胞藻 藻的大规模培养工艺优化提供了实验依据。 有光照条件下，葡萄糖能显著促进集胞藻 在 光生物反应器 中混合培养 的藻细胞浓度可高达 ，而在同一光生物反应器中光自养培养 的藻细胞浓度仅为 ，前者是后者的
进行了硏究。建立了一个描述螺旋藻培养体系内光照强度冋培养液深度及螺旋藻浓度这 两者之间关系的数学模型,即Ⅰ=l。exp[(0.03498-1.7665OD)h+(0.020 0.0027]OD+0.0991OD3)h2]。该模型的光照强度预测值和实测值之间的平均相对 偏差小于4.5%,这为光生物反应器的设计奠定了理论基础 5.2.2水产养殖 国内有关科研单位利用多参数水质在线检测系统及生化工程技术 开展了大黄鱼循环水式工厂化养殖、人工海水育苗、甲鱼工厂化养殖等研究开发工作,取 得了明显的效果。 5.3新型海洋生物技术产业的开发——转基因微藻培养技术 80年代后期至今,微藻(尤其是蓝藻)基因工程技术快速发展,并逐步转向应用Zeng etal,1998; Stevens et al,1994)。蓝藻等微藻的基因转移系统日趋成熟,用于微藻表达系 统的载体构建及外源基因转化技术也基本成熟。一些外源基因在蓝藻中得到稳定表达,可 以人工构建微藻新品种(即转基因微藻),然后利用生物反应器大规模培养转基因微藻以 大量生产高附加值外源基因表达产物。转基因微藻的研究在国内外刚刚兴起,能够成功地 表达外源基因的转基因微藻为数不多(目前仅有十几个)。对利用封闭式光生物反应器进 行微藻光自养培养及混合/异养培养的研究(Chen,1996),在国外已有大量报道,并有部 分产品实现产业化。但利用封闭式光生物反应器进行转基因微藻光自养及混合/异养高密 度高表达培养的研究,在国内外文献中,除国内有关科研单位发表的几篇文章( Liu et a 1997)外,未见其他报道。我国目前在该领域处于领先地位,如转小鼠金属硫蛋白(MT)基 因聚球藻7942的光生物反应器培养,浓度可达1.04g/L,比国内传统培养方法的细胞浓 度提高了9倍:转MT基因的集胞藻6803培养浓度达1.44g/L,比国内传统的培养浓度 提高了约13.4倍。我国海洋生化工程科技人员,目前正准备用全自动封闭式光生物反应 器,开展转人胸腺素a1基因微藻、转人源 Pro-uk基因微藻、转人表皮生长因子基因微藻 的高密度高表达培养研究工作。上述研究工作必将加速转基因微藻这一新兴海洋生物技 术产业的形成进程。 6结语 综上所述,关于海洋生化工程理论的探讨和研究,是加速这一新兴学科发展的需要。 通过学术讨论与研究,将会使海洋生化工程、海洋生物技术的理论体系得到日臻完善并不 断发展,进而丰富海洋生物学的科学宝库。关于海洋生化工程理论的探讨和研究,也是直 接关系到国计民生的海洋高新技术发展的需要。海洋生物技术研究和运用的目的,就是按 照人类理想的需要定向的,为海水养殖提供大量高产优质、抗病能力强、遗传性能好的养 殖新品种,向社会提供许多结构特异、功能独特的、新的海洋药物、功能食品、食品添加剂 精细化学品、轻化工原料,以及保护海洋生物资源、保护海洋等等。在海洋生物技术领域, 将海洋生化工程及其姊妹技术群,有机地、科学地综合应用,那么,海水养殖新品种培育, 海水主要养殖动物病害快速诊断与防治,养殖品种生殖、发育和生长调控,抗盐、耐海水植 物品种培育,海洋生物活性物质大规模高效筛选与分离提取,海洋天然产物生源材料的大 规模培养,将会成为可能或迅速地逐步实现。 可以预期,海洋生化工程将会对我国海洋生物技术产业的发展壮大起到重要的推动
结语 进行了研究。建立了一个描述螺旋藻培养体系内光照强度同培养液深度及螺旋藻浓度这 两者之间关系的数学模型，即 （ ） 。该模型的光照强度预测值和实测值之间的平均相对 偏差小于 ，这为光生物反应器的设计奠定了理论基础。 水产养殖 国内有关科研单位利用多参数水质在线检测系统及生化工程技术 开展了大黄鱼循环水式工厂化养殖、人工海水育苗、甲鱼工厂化养殖等研究开发工作，取 得了明显的效果。 新型海洋生物技术产业的开发 转基因微藻培养技术 年代后期至今，微藻（尤其是蓝藻）基因工程技术快速发展，并逐步转向应用（ ，在国外已有大量报道，并有部 。蓝藻等微藻的基因转移系统日趋成熟，用于微藻表达系 统的载体构建及外源基因转化技术也基本成熟。一些外源基因在蓝藻中得到稳定表达，可 以人工构建微藻新品种（即转基因微藻），然后利用生物反应器大规模培养转基因微藻以 大量生产高附加值外源基因表达产物。转基因微藻的研究在国内外刚刚兴起，能够成功地 表达外源基因的转基因微藻为数不多（目前仅有十几个）。对利用封闭式光生物反应器进 行微藻光自养培养及混合／异养培养的研究（ 分产品实现产业化。但利用封闭式光生物反应器进行转基因微藻光自养及混合／异养高密 度高表达培养的研究，在国内外文献中，除国内有关科研单位发表的几篇文章（ ）基 的光生物反应器培养，浓度可达 ）外，未见其他报道。我国目前在该领域处于领先地位，如转小鼠金属硫蛋白（ 因聚球藻 ，比国内传统培养方法的细胞浓 倍；转 基因的集胞藻 培养浓度达 ，比国内传统的培养浓度 倍。我国海洋生化工程科技人员，目前正准备用全自动封闭式光生物反应 度提高了 提高了约 器，开展转人胸腺素 基因微藻、转人源 基因微藻、转人表皮生长因子基因微藻 的高密度高表达培养研究工作。上述研究工作必将加速转基因微藻这一新兴海洋生物技 术产业的形成进程。 综上所述，关于海洋生化工程理论的探讨和研究，是加速这一新兴学科发展的需要。 通过学术讨论与研究，将会使海洋生化工程、海洋生物技术的理论体系得到日臻完善并不 断发展，进而丰富海洋生物学的科学宝库。关于海洋生化工程理论的探讨和研究，也是直 接关系到国计民生的海洋高新技术发展的需要。海洋生物技术研究和运用的目的，就是按 照人类理想的需要定向的，为海水养殖提供大量高产优质、抗病能力强、遗传性能好的养 殖新品种，向社会提供许多结构特异、功能独特的、新的海洋药物、功能食品、食品添加剂、 精细化学品、轻化工原料，以及保护海洋生物资源、保护海洋等等。在海洋生物技术领域， 将海洋生化工程及其姊妹技术群，有机地、科学地综合应用，那么，海水养殖新品种培育， 海水主要养殖动物病害快速诊断与防治，养殖品种生殖、发育和生长调控，抗盐、耐海水植 物品种培育，海洋生物活性物质大规模高效筛选与分离提取，海洋天然产物生源材料的大 规模培养，将会成为可能或迅速地逐步实现。 可以预期，海洋生化工程将会对我国海洋生物技术产业的发展壮大起到重要的推动