综述：藻类生物质作为可持续资源：生物活性化合物、提取技术与多功能应用

《Journal of Marine Science and Engineering》：Review on Algal Biomass as a Sustainable Resource: Bioactive Compounds, Extraction Technologies, and Multifunctional Applications

　　

环境退化、能源需求不断增长以及不可持续的废物积累等日益严峻的全球性挑战，迫使研究人员必须探索替代性的高价值生物质资源。藻类生物质已成为一种独特的多功能且可持续的候选资源，在广泛的工业和环境领域具有变革潜力。本综述全面评估了藻类的最新进展和多学科应用，重点强调了其独特的化学成分、生物活性化合物（bioactive compounds）和环境适应性。本综述的创新之处在于其综合性的范围，涵盖了从藻类培养、生产、贸易到生物活性成分的尖端提取技术。此外，本综述详细探讨了藻类作为生物燃料（biofuels）、药品（pharmaceuticals）、可持续农业（sustainable agriculture）、生物塑料（bioplastics）、绿色化学（green chemistry）和水处理（water treatment）原料的功能性，将其定位为蓝色经济（blue economy）发展的基石。通过批判性分析传统和创新应用，本研究有助于更深入地理解藻类在塑造可持续和韧性生物经济（bioeconomy）中的战略作用。

1. 引言
全球人口持续增长，预计到2050年将从80亿增至约100亿。自工业革命以来，能源消耗显著增加，目前化石燃料约占全球能源生产的85%，但其大量使用导致二氧化碳（CO₂）等污染物排放加剧气候变化。全球CO₂排放量从18世纪中期的约3公吨猛增至21世纪初的约8230公吨。人口增长推动了对营养健康食品的需求，同时药品消费增加带来了新的环境挑战，如药品残留进入水生态系统。应对这些挑战的策略涉及探索富含生物活性化合物的自然资源，藻类生物质因其含有丰富的初级代谢产物（如氨基酸、核苷酸、多糖、脂质和维生素）和次级代谢产物（如色素、毒素、酚类化合物等）而成为重要可再生来源。本综述提供了跨部门的综合分析，强调藻类生物质作为蓝色经济战略资源的潜力，区别于以往仅关注单一应用（如生物燃料或废水处理）的研究。

2. 藻类生物质的生物活性化合物
藻类生物质含有多种生物活性物质，包括生物碱、萜类、苷类等次级代谢产物，以及多酚化合物（如类黄酮、酚酸和褐藻中特有的褐藻多酚）。多糖种类因藻类而异：褐藻含藻酸盐、岩藻依聚糖、纤维素和昆布多糖；红藻含琼脂、甘露聚糖、木聚糖、卡拉胶和纤维素；绿藻含石莼聚糖、纤维素、甘露聚糖和硫酸鼠李聚糖。此外，藻类还含有各种维生素和色素，如类胡萝卜素（岩藻黄质、叶黄素、角黄素、虾青素、β-胡萝卜素、玉米黄质和番茄红素），以及蛋白质、矿物质和脂质。

3. 海洋藻类生物活性物质的提取方法
3.1. 传统提取技术
传统方法包括索氏提取、水蒸馏和醇浸渍，这些方法能耗高、使用大量有机溶剂且高温易降解酚类等敏感化合物，耗时长且环境不友好。
3.2. 先进提取方法
为克服传统方法的缺点，发展了绿色提取技术，如超声辅助提取、超临界流体提取、加压液体提取、微波辅助提取和酶辅助提取，这些方法简单、提取时间短且减少溶剂使用。

4. 全球海洋藻类生产、养殖、贸易和应用现状
4.1. 生产
全球海藻产量从1969年的220万公吨增长至2019年的约3580万公吨（养殖），其中97%的产量来自亚洲养殖。
4.2. 藻类种植技术
藻类可在陆地、海洋、沙漠和综合水产养殖系统中培养。陆基系统可控但成本高，海水养殖因海水循环和养分可用性而成为大规模生产的重要策略，综合系统结合废水处理和营养回收支持循环生物经济。

5. 藻类生物质贸易
2019年，全球98个国家出口海藻及其亲水胶体产品达26.5亿美元，其中藻类生物质出口9.09亿美元，藻类衍生亲水胶体出口17.4亿美元。进口方面，128个国家进口额达29亿美元，藻类价值12.6亿美元，亲水胶体17.4亿美元。

6. 藻类生物质的应用
6.1. 食品领域
6.1.1. 人类食品
藻类作为营养补充剂（如小球藻和螺旋藻）广泛用于食品中，可提高抗氧化剂、矿物质和蛋白质含量。藻类多糖用于包装材料以减少脂质氧化，延长保质期。藻酸用作稳定剂和增稠剂。
6.1.2. 动物食品
藻类可替代15-20%的鸡饲料，提高牛奶质量和动物健康。
6.2. 藻类生物质在医药和制药中的应用
藻类聚合物具有抗肿瘤、抗病毒、抗癌、抗肥胖、抗炎、抗高脂血症、抗过敏、抗菌、抗糖尿病、抗氧化、抗抑郁、神经保护等多种生物活性。藻类亲水胶体用于药物递送、伤口愈合、组织工程和牙科印模。3D打印结合藻类多糖用于再生医学。
6.3. 藻类生物质在农业中的应用
藻类提取物作为生物刺激剂提高作物产量和品质，如褐藻提取物增加菠菜酚类和类黄酮含量。蓝藻（如鱼腥藻、念珠藻）固氮肥田。微藻生物肥料提高土壤肥力，小球藻和螺旋藻使水稻增产20.9%。
6.4. 藻类生物质用于可持续腐蚀抑制
藻类提取物中的碳水化合物、蛋白质、多酚等含有硫（S）、氧（O）、氮（N）杂原子，可吸附于金属表面形成保护膜，作为环保型缓蚀剂。多种藻类衍生物已用于不同金属的腐蚀抑制。
6.5. 利用藻类生物质进行废水处理
微藻通过吸收氮磷去除污染物，如小球藻降低化学需氧量（COD）和多酚含量超过92%，固定化栅藻可去除98%的染料，并吸附重金属。藻类生物质作为廉价吸附剂用于水净化和生物甲烷提取。
6.6. 利用海洋藻类制备生物炭
藻类残渣通过热化学过程（热解、水热碳化、烘焙）转化为生物炭，其碳含量28.5%-59.2%，具有高比表面积和多孔结构，用于CO₂吸附、废水处理、超级电容器和催化。藻类生物炭还改善土壤保水性和微生物群落，作为肥料应用。
6.7. 藻类衍生的生物塑料
藻类可产生葡萄糖、短链聚羟基脂肪酸酯（PHAs）等聚合物，用于制造生物塑料。通过调控藻类中的羧基、羟基和硫酸根官能团可优化性能。小球藻和螺旋藻的塑料特性因蛋白质组成而异。
6.8. 从海藻中生产的棕色天然色素
褐藻中的岩藻黄质提供棕色色素，可替代合成着色剂用于食品、医药和化妆品。微藻生产β-胡萝卜素、叶黄素、藻胆蛋白和虾青素等色素。
6.9. 藻类在绿色屋顶应用中的支撑补充
褐藻（如Turbinaria conoides）添加到绿色屋顶基质中可改善隔热、隔音、雨水管理，并吸附重金属。
6.10. 藻类生物质在化妆品中的应用
藻类次级代谢产物具有抗氧化、抗衰老、保湿、美白和紫外线（UV）防护特性。褐藻墨角藻提取物减少黑眼圈，红藻多糖可替代透明质酸作为润滑剂和抗氧化剂。虾青素等色素抗炎。
6.11. 藻类生物质作为能源资源
微藻通过培养、收获、脂质提取和酯交换生产生物柴油，碳水化合物发酵生产生物乙醇、丁醇和生物氢。微藻固定CO₂速率最高达1.12 g/L。
6.12. 藻类作为含磷阻垢剂的替代品
褐藻中的藻酸对钙离子有高反应性，可抑制碳酸钙、硫酸钙、碳酸锶和硫酸钡沉淀，用于反渗透（RO）系统的防垢。
6.13. 藻类资源储能技术与现代电化学能源
藻类生物质通过热解转化为多孔碳材料，用于锂离子电池和超级电容器电极。藻类色素用作染料敏化太阳能电池的天然光敏剂，微藻和蓝藻可生物产氢。
6.14. 从藻类生物质生产糠醛
褐藻富含藻酸和多糖，水解后脱水脱羧生成糠醛和羟甲基糠醛（HMF），作为平台化学品用于树脂、溶剂、塑料和生物燃料。
6.15. 从海洋藻类生产纤维素纳米纤维
藻类纤维素经碱处理、漂白和冷冻干燥制成纳米纤维素，具有高强度、低重量和可透光性，用于牛奶增稠、脱臭和过滤材料。
6.16. 藻类生产的生物传感器材料及其实际用途
藻类细胞用作生物感测元件，通过生物电化学信号检测重金属、有毒有机物和农药。藻类生物传感器具有高灵敏度、遗传可修饰性和环境友好性。
6.17. 藻类生物质在海洋生态系统中的生态意义
藻类作为初级生产者提供有机质支持食物网，产生氧气并固定CO₂。海藻床和巨藻林为海洋生物提供栖息地、育幼场和食物，促进养分循环和沉积物稳定。

7. 藻类生物质对减缓气候变化的贡献
大规模藻类养殖吸收大气CO₂，缓解气候变化，同时改善海洋健康，减少海洋酸化，并提供可持续食物和能源。

8. 未来展望
藻类作为高产量生物能源来源，不竞争食物和耕地，可捕获工业CO₂和氮氧化物、硫氧化物。藻类用于第三代生物燃料及纳米治疗学，通过藻类提取物稳定合成纳米颗粒。

9. 结论
藻类生物质是传统生物质原料的可持续替代品，结合废水处理可实现零废物和零排放，推动生物技术应用和可持续未来。