综述：利用海藻潜力促进蓝色生物经济和可持续发展

《South African Journal of Botany》：Harnessing seaweed's potential for blue bioeconomy and sustainable future

本文系统综述了海藻（大型海藻）作为关键可持续资源在食品、饲料、生物塑料、生物燃料、生物肥料、生物医药（如组织工程、再生医学、药物递送）及环境修复（废水处理、碳封存）等领域的多功能应用。文章强调了海藻丰富的营养成分（蛋白质、多糖、维生素、矿物质）和生物活性物质（如岩藻黄质、岩藻多糖）的抗炎、抗菌、抗病毒、抗癌等药理活性，并指出其在应对气候变化（CO2封存）、资源短缺和环境污染等全球挑战中的潜力，展望了海藻在推动蓝色生物经济和实现联合国可持续发展目标（SDGs）方面的广阔前景。

　　

1. 引言

海藻是生长在海洋中的光合自养大型藻类，主要分为褐藻（Phaeophyceae）、红藻（Rhodophyta）和绿藻（Chlorophyta）三大类。全球约有12,000种海藻，它们生长在潮间带、浅海乃至深达约180米的海域，附着于岩石、贝壳等硬质基质上。海藻具有悠久的食用和非食用历史，例如早在公元四世纪日本和六世纪中国就有食用记录。海藻富含碳水化合物、蛋白质、膳食纤维、矿物质、维生素和脂肪酸，其蛋白质含量可达干重的33.2%，绿藻和红藻的膳食纤维含量尤为丰富。此外，海藻含有多种生物活性化合物，具有抗氧化、抗炎、抗血管生成、抗凝血和抗肿瘤等特性。除了健康和经济效益，海藻还能提供重要的生态服务，如水质净化、营养循环、海岸线保护和碳封存，有助于减缓海洋酸化和温室效应。

2. 海藻在烹饪和食品工业中的应用

海藻营养丰富、风味独特，被全球各地广泛食用。常见的食用海藻包括紫菜（Porphyra，红藻）、石莼（Monostroma，绿藻）和昆布（Laminaria，褐藻）等，常加工成片状或粉末用于沙拉、汤羹、调味品等。海藻产生的亲水胶体，如琼脂（Agar）、海藻酸盐（Alginate）和卡拉胶（Carrageenan），是食品工业中重要的凝胶剂、增稠剂和稳定剂，广泛应用于果冻、冰淇淋、乳制品和烘焙食品中。

3. 海藻作为牲畜饲料和膳食补充剂

海藻作为饲料在沿海地区已有多年应用历史。其含有的次级代谢产物、维生素、多糖和微量元素能改善动物健康。例如，在猪饲料中添加海藻可提高肠道微生物数量和免疫反应；裙带菜（Undaria pinnatifida）能改善猪的肠道健康；海藻饲料还能提高奶牛产奶品质和鸡蛋中胆固醇水平，并减少反刍动物甲烷排放。

4. 海藻基生物塑料和包装解决方案

海藻多糖（如琼脂、卡拉胶、海藻酸盐、ulvan等）是制备生物塑料的理想原料。海藻基生物塑料无毒、可生物降解、环境友好，且不会分解成微塑料。通过与其他材料共混或添加增塑剂可改善其机械性能和阻水性。这类生物膜还具有一定的抗菌性，可用于食品包装以延长保质期。

5. 生物燃料和生物能源

海藻生物质可通过化学转化（如酯交换）、生化转化（如厌氧消化产沼气、发酵产乙醇）和热化学转化（如气化、热解）等方式生产生物柴油、生物乙醇、生物氢、生物甲烷和生物油等。富含碳水化合物的海藻种类（如马尾藻Sargassum、江蓠Gracilaria、糖海带Saccharina latissima）被认为是生产乙醇的有效原料。海藻生物质还可用于制备钠离子电池和锂离子电池的电极材料。

6. 生物肥料和生物刺激素

海藻提取物含有植物生长促进剂、微量元素和激素（如生长素、细胞分裂素），能提高作物产量、增强抗逆性（如耐盐、抗旱）。例如，泡叶藻（Ascophyllum nodosum）提取物可提高番茄植株高度和果实产量，并缓解铁缺乏；卡帕藻（Kappaphycus alvarezii）提取物能帮助小麦抵抗盐旱胁迫。市场上已有多种海藻基液体肥料。

7. 海藻与人类健康

海藻在预防和管理非传染性疾病（NCDs）方面显示出潜力，如心血管疾病（CVD）、糖尿病、高血压和癌症。其生物活性成分（如omega-3多不饱和脂肪酸、岩藻黄质）具有抗炎、抗氧化、调节血脂和血糖的作用。研究表明，海藻摄入可降低血压、中风风险和胆固醇水平，但多数结论来自体外和动物实验，需更多人体研究验证。

8. 海藻在组织工程、再生医学和伤口愈合中的应用

海藻多糖（海藻酸盐、岩藻多糖、卡拉胶、ulvan）因其高生物相容性、可降解性和类似细胞外基质的结构，被广泛用于组织工程和再生医学。海藻酸盐水凝胶可用于骨组织修复、软骨再生及作为药物控释载体；卡拉胶薄膜可用于局部药物递送和伤口敷料；低分子量岩藻多糖能促进血管生成和胶原重塑，加速伤口愈合。

9. 海藻化合物的纳米颗粒、治疗及药物递送应用

利用海藻合成的纳米颗粒（如银、金、氧化铁纳米颗粒）表现出抗菌和抗癌活性。海藻多糖（如海藻酸盐、岩藻多糖、卡拉胶）被用于构建药物递送系统，例如岩藻多糖-阿霉素纳米颗粒用于乳腺癌治疗，卡拉胶接枝氧化石墨烯载体用于靶向宫颈癌治疗，这些系统能提高药物疗效并降低毒性。

10. 生物修复与废水处理

海藻能够吸附和富集重金属（如Cd²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺）及有机污染物，常用于污水处理。江蓠（Gracilaria）和石莼（Ulva）等物种能有效去除废水中的氮、磷、BOD、COD及药物残留。修复后的海藻生物质还可进一步用于生产生物燃料、肥料等，实现资源循环利用。

11. 碳封存与气候缓解

海藻光合作用效率高、生长快，能有效吸收并固定二氧化碳，其碳封存能力显著。海藻床将碳转化为溶解有机碳（DOC）和无机碳（DIC），部分碳随生物质收获被转移，其余参与海洋碳循环。某些物种（如Gracilaria corticata、Sargassum polycystum、Ulva lactuca）已被评估具有CO₂减排潜力。

12. 文献计量分析

2010–2024年的文献分析显示，海藻研究主要集中在食品、饲料、气候变化、生物医药、生物燃料、生物肥料、生物塑料和生物修复等领域。中国、美国、印度是发表论文最多的国家。关键词共现分析揭示了“大型海藻”、“生物活性化合物”、“可持续发展”、“生物能源”、“生物刺激素”等热点主题，并显示出向可持续性和跨学科研究发展的趋势。海藻研究广泛支持多项联合国可持续发展目标（SDGs）。

13. 人工智能与机器学习在海藻研究中的应用

人工智能（AI）和机器学习（ML）技术已应用于海藻养殖监测、生物量预测、物种分类和生物活性化合物筛选。例如，长短期记忆（LSTM）网络可用于预测海藻生长；ML模型辅助海藻形态识别和活性物质（如凝集素）纯化。AI还有助于加速海洋药物发现和个性化治疗开发。

14. 局限性与挑战

海藻应用面临营养成分受地域和季节影响、过量摄入风险、作为肥料可能增加土壤盐分、易富集重金属污染物、单一材料生物塑料机械性能和阻水性较差等问题。提取工艺的工业化放大仍需进一步研究。

15. 未来建议

未来研究应致力于标准化物种鉴定和提取流程，推动实验室成果向规模化应用转化，加强AI技术在养殖和产品开发中的应用，采用生物精炼模式实现资源最大化利用，并通过政策支持和跨领域合作促进蓝色生物经济发展。

16. 结论

海藻是一种多功能、可持续的生物资源，在食品、医药、能源、材料和环境等领域具有广泛应用前景。通过持续的技术创新和负责任的管理，海藻有望为应对全球资源、环境和健康挑战，实现可持续发展目标做出重要贡献。