《Enzyme and Microbial Technology》：Harnessing enzyme and microbial biotechnology for macroalgae valorization: A circular economy approach with implications for carbon sequestration
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宏观藻类作为可持续生物质资源，在蓝色经济中具有重要价值。本文系统综述了酶与微生物生物技术在其加工中的应用，通过温和酶解和微生物转化实现高附加值产品（如水凝胶和Omega-3脂质）的多产品提取，并整合分子组学技术优化生物过程。生命周期评估（LCA）为验证其环境可持续性提供了关键框架，推动宏观藻类从单一产品提取向循环经济模式转型。
Bharmjeet Singh | Mahesh Vemula | Abeba Haile Mariamenatu | Abdalah Makaranga | Asha Arumugam Nesamma | Pannaga Pavan Jutur
藻类组组学，工业生物技术，国际遗传工程与生物技术中心，Aruna Asaf Ali Marg，新德里 110067，印度
摘要
大型藻类是一种可持续的非陆地生物质资源，对新兴的蓝色经济至关重要。它们在海洋生态系统中发挥着关键作用，包括自然碳封存，这为整个碳 dioxide (CO?) 移除的价值链奠定了基础。本文综述了酶和微生物生物技术如何在循环生物精炼框架内推动大型藻类加工的技术经济可行性。我们详细介绍了如何通过定制的酶混合物选择性地、在温和条件下从三大主要大型藻类群中提取和改性高价值产品，如水胶体和营养保健品（如欧米伽-3 脂质）。同时，微生物转化对于将大型藻类成分（包括多糖、蛋白质和脂质）转化为副产品（如生物燃料和生物肥料）至关重要，从而确保资源效率并减少浪费。分子组学技术（基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学）的应用有助于揭示大型藻类的生物学特性，并通过鉴定新的微生物菌株、酶以及工程改造微生物菌株的代谢途径来优化生物过程，以提高产量和特异性。本研究讨论了技术、经济和环境方面的挑战。这种综合的、级联的方法对于将大型藻类的价值开发从单一产品提取转变为盈利的多产品产业是必要的，以实现经济增长与环境保护的平衡。对该框架整体环境可行性的关键评估依赖于生命周期分析 (LCA)。本文为未来的研究提供了重要的方法论综合，确保了对大型藻类生物精炼的可持续性评估的一致性。
引言
大型藻类（也称为海藻）是多细胞海洋藻类，是蓝色生物经济中重要的非陆地资源。大型藻类具有每天高达 10% 的快速生长能力，且不会与淡水、肥料或耕地竞争 [1]。除了资源保护之外，大型藻类在海洋碳固定和潜在封存方面也发挥着关键生态作用，使其成为应对气候变化的重要组成部分 [2]。它们丰富的生化组成，包括复杂的多糖（藻酸盐、卡拉胶和琼脂）、蛋白质以及独特的生物活性脂质，为食品、制药、化妆品和材料工业提供了宝贵的资源 [3]。
尽管具有这种环境和商业双重优势，大型藻类产业仍面临重大挑战。大型藻类坚硬复杂的细胞壁结构需要密集且往往苛刻的预处理方法，导致处理成本高昂，并可能降解敏感的高价值化合物。此外，由于所需化合物（如欧米伽-3 脂质）的浓度通常较低，以及大规模培养的高成本，其整体经济可行性受到限制。克服这些限制需要向生物技术范式的根本转变，并采取最大化总生物质价值的策略。虽然酶和微生物方法经常被单独研究，但需要全面综合它们在循环生物精炼模型中的协同整合，以确定技术经济上可行的商业成功路线图。
本文重点关注酶和微生物生物技术的整合，作为在循环生物经济模型中实现选择性提取和级联价值开发的关键工具。酶具有选择性和温和的操作条件，这对于提取纯净的高价值成分至关重要。同时，微生物平台能高效地将剩余生物质转化为有用的大宗产品，从而最大化生物固定碳的利用率。分子组学的整合为这些生物系统的工程改造提供了必要的基础，并有助于鉴定新的酶。我们分析了这些生物技术的现状，讨论了它们在建立稳健生物精炼厂中的作用，并概述了该框架如何支持全球气候变化缓解工作。因此，生命周期评估 (LCA) 被视为验证生物精炼方法可持续性主张的关键工具，包括量化其碳封存影响。本文不仅总结了现有的 LCA，还对方法论进行了批判性综合，为未来的研究建立了必要的框架，确保了对大型藻类价值开发所固有挑战的一致性评估。
节选
大型藻类及其组成
大型藻类的主要生物分子成分是碳水化合物（多糖）、脂质和蛋白质，以及多种生物活性化合物，包括色素和多酚。
用于大型藻类加工的酶生物技术
大型藻类富含生物活性化合物，如多糖（15–76%）（例如藻酸盐、卡拉胶和岩藻多糖）、蛋白质（5–47%）和脂质（1–5%），使其成为生物技术应用的宝贵原料 [33]。传统上，大型藻类生物质加工采用化学和物理方法，这些方法存在多个挑战，包括高能耗、使用苛刻化学品以及可能降解有价值化合物。
与大型藻类相关的微生物群落
大型藻类与生活在藻圈中的微生物（附生菌）或内部组织（内生菌）建立了复杂的共生关系 [60]。这些统称为海藻全生物体，其结构和功能与周围海水微生物组不同 [61]。涵盖寄生、共栖和互惠等所有共生相互作用，极大地影响了宿主的防御、发育、生理和耐受性 [62]。
技术经济分析
在新技术或产品投入工业规模市场之前，必须在其研发阶段进行全面的技术经济分析。评估可能涉及生物能源、生物基产品、系统配置和过程的经济可行性 [97]。以下是一些支持大型藻类生物质微生物转化的技术经济分析：
•在 Chong 等人 (2020) 的研究中，Aspen Plus V10 和
大型藻类生物技术中的分子组学
分子组学技术，包括基因组学、转录组学、代谢组学和宏基因组学，彻底改变了大型藻类生物技术领域。高通量方法提供了关于生长、发育和应激反应的分子机制的全面见解，使研究人员能够利用其潜力进行各种生物技术应用 [106]。通过整合多组学数据，科学家们揭示了复杂的生物网络
大型藻类与碳封存
大型藻类主要分布在沿海生态系统中，通过光合作用从海水和大气中吸收 CO?，并将其转化为储存在其藻体中的有机碳 [2]，这是生物精炼生产产品的先决条件。与海草、潮汐沼泽和红树林相比，大型藻类的碳储存面积是其 10–40 倍 [122]。其原因是巨大的体积和高产量，能够封存大量碳
大型藻类生物精炼：循环经济方法
大型藻类生物精炼的理念不仅限于单一产品提取，而是将生物质转化为多种产品，在可持续的循环经济框架内优化技术。该模型的成功和技术经济可行性从根本上依赖于酶和微生物技术提供的选择性和效率。传统的化学处理方法往往会导致化合物降解和高能耗。相比之下，酶和微生物方法
大型藻类生物精炼的生命周期评估和可持续性
生命周期评估 (LCA) 是验证大型藻类生物精炼可持续性和环境影响的重要工具，需要涵盖整个价值链 [140]。该方法遵循国际标准 ISO 14040:2006 和 ISO 14044:2006 [141]，将过程分为四个相互关联的阶段：
1. 定义目标和范围
2. 清单分析
3. 影响评估
4. 解释
LCA 方法可以是“从摇篮到大门”或“从摇篮到坟墓”的方法。
挑战与未来展望
尽管大型藻类作为可持续资源具有巨大潜力，但在高效加工和增值方面仍存在许多技术障碍。由于大型藻类的细胞壁结构复杂，由纤维素、半纤维素和独特多糖组成，且经常抵抗传统的分解程序，因此生物质预处理是一个相当大的挑战 [148]。目前使用的预处理方法（机械、热处理等）
结论
在循环经济框架内，一种可持续资源利用的潜在策略是结合酶和微生物生物技术来开发大型藻类。这些生物工具提供了选择性和效率，以及传统化学程序通常缺乏的环境兼容性，正如本研究所示。通过专门酶的能力，可以在保持功能特性的同时制造高价值产品
资助
这项研究得到了印度新德里 科技部 生物技术部 (DBT) 的支持。DBT 向 BS、MV 提供的奖学金；ICGEB-Arturo Falaschi 向 AHM、AM 提供的奖学金也得到了应有的认可。
CRediT 作者贡献声明
Pannaga Pavan Jutur：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、调查、资金获取、概念构思。
Abdalah Makaranga：撰写 – 初稿撰写、调查、正式分析、数据管理、概念构思。
Nesamma Asha Arumugam：撰写 – 审稿与编辑、监督、正式分析、概念构思。
Mahesh Vemula：撰写 – 初稿撰写、方法论制定、正式分析、数据管理、概念构思。
Abeba Haile写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明
本声明明确指出，AI 工具仅用于语言润色、编辑辅助和提高清晰度，而科学内容、分析、结论和智力贡献仍由作者全权负责。
