《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Harnessing seaweeds for third-generation bioethanol: Opportunities in the Indian context
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印度拥有8000公里海岸线和丰富的海藻生物多样性，海藻作为第三代生物乙醇原料具有快速生长、低碳排放和无需淡水等优势，但当前技术转化和产业化面临规模化生产、预处理成本高及政策支持不足等挑战。本文系统梳理印度海藻资源、技术瓶颈及国际经验，提出分阶段战略 roadmap，旨在通过整合科研机构资源、优化产业链和加强国际合作，推动印度从海藻研究向商业化生物乙醇生产转型，助力全球蓝色经济与碳中和目标。
罗丝·库伦（Ros Kooren）| T.G. 苏米斯拉（T.G. Sumithra）| V.S. 曼努尔（V.S. Mannur）| K.V. 贾塞拉（K.V. Jaseera）| K. 苏尼塔库马里（K. Sunithakumari）| 萨米娅·哈桑（Shamiya Hasan）| R. 拉蒂什·库马尔（R. Ratheesh Kumar）| S.R. 克鲁佩莎·夏尔玛（S.R. Krupesha Sharma）| P. 卡拉达哈兰（P. Kaladharan）
ICAR-中央海洋渔业研究所（ICAR-Central Marine Fisheries Research Institute），邮政信箱1603号，埃尔纳库拉姆北部（Ernakulam North），科钦682018，喀拉拉邦，印度
摘要
海藻已成为第三代（3G）生物乙醇生产中极具前景的原料，相比陆地生物质具有多项优势，包括较低的木质素含量、更快的生长速度以及较少的资源需求。尽管印度拥有长达8000公里的海岸线、丰富的海藻生物多样性以及强大的沿海社区，但其对全球海藻基生物乙醇生产的贡献仍然有限。本文深入探讨了印度大型海藻在可持续生物乙醇生产方面的未开发潜力，强调了其中的机遇与挑战。文章讨论了本土海藻物种的现状、多样性及分布情况，它们的生化特性，以及确定原料优先级的策略。同时分析了从海藻采集、收获后处理、预处理、发酵到生物乙醇回收等3G生物乙醇技术的进展，还介绍了综合性海藻生物精炼厂的重要性以及印度主要研究机构的作用。最后提出了一个战略路线图，以加速印度从研究阶段向商业化海藻生物乙醇生产的转型。通过将科技创新与政策支持及基于生态系统的资源管理相结合，印度这一全球第三大能源消费国有望成为可持续海藻基生物乙醇生产的全球领导者，从而推动其生物能源和蓝色经济的发展。本文是首篇全面介绍印度海藻基生物乙醇发展前景的综述。
引言
由于过度依赖化石燃料、工业化以及人口增长，全球能源危机引发了严重的环境和地缘政治问题[1]。化石燃料仍供应着全球80%以上的能源[2]，但其使用导致温室气体排放、污染、气候变化和资源枯竭。化石燃料的有限性及市场波动性进一步凸显了可持续替代能源的必要性[3]。在此背景下，可再生能源正日益受到重视，尤其是生物燃料（如生物乙醇）被视为更清洁的选择[4]。第一代（1G）生物乙醇来自粮食作物，引发了关于粮食安全和土地使用的担忧；第二代（2G）生物乙醇虽然利用木质纤维素生物质部分解决了这些问题，但加工过程复杂且成本较高。相比之下，第三代（3G）生物乙醇来自海洋大型海藻，是一种有前景的非粮食基替代品[5]。
海藻是3G生物乙醇的生产基础，属于生长在沿海和半咸水中的高产大型海藻[6]。与陆地植物相比，海藻生长迅速、光合作用效率高、生物质产量大且碳封存能力更强[7][8]。由于海藻栽培无需淡水、肥料或耕地，因此可以成为可持续的生物燃料来源[9]。此外，由于海藻木质素含量低，糖化过程更加高效[10]。因此，对于像印度这样拥有超过8000公里海岸线的国家而言，海藻基生物乙醇是一种可行的生物燃料资源[11][12]。印度沿海水域拥有丰富的海藻多样性，估计包含249属68科的896种海藻[11][13]。同时，印度热带海洋气候、高太阳辐射和富含营养的水质为全年海藻栽培提供了理想条件[10]。凭借这些优势，印度可以利用海藻养殖来提升能源安全、履行气候承诺，并通过蓝色经济框架创造可持续生计。然而，全球范围内关于大型海藻生物燃料的研究主要集中在日本、中国、俄罗斯和欧洲部分地区[14][15][16]，而印度在海藻栽培和乙醇生产技术方面的进展在全球范围内仍相对不足。本文总结了印度的海藻研究及3G生物乙醇进展，与国际先进水平进行了对比，指出了相关关键机构，并探讨了未来的发展方向。同时提出了一个战略路线图，旨在将印度打造成可持续海藻基生物乙醇生产的全球领导者。该综述不仅突出了印度的战略优势，还向全球利益相关者表明了印度为实现可持续海洋生物燃料解决方案所做的准备，这与更广泛的气候目标和可再生能源转型目标相一致。
印度生物乙醇的能源需求与现状概述
印度是全球第三大能源消费国[17]。该国人口占全球的17.5%（约13.66亿），每年增长率为1.13%，最近的主要能源需求达到了9.29亿吨油当量[18]。预测显示到2030年能源需求将翻一番[19]，这凸显了能源安全和低碳转型的紧迫性。化石燃料占印度能源消耗的约80%[20]，而国内生产仅能满足其中18%的需求
印度的海藻多样性与分布
印度拥有丰富的海藻资源[24]。最初是由艾恩加尔（Iyengar）对印度的海洋藻类进行了研究[25]；赫尔曼（Hermann）于1672年正式描述了印度第一种海藻——Amphiroa（红藻门）[26]。博格斯森（Boergesen）对南印度、孟买和古吉拉特邦海岸的海藻资源进行了广泛研究[27]。随后，斯里尼瓦桑（Srinivasan）整理了有关印度海洋藻类的现有文献，蒂维（Thivy）绘制了印度重要经济价值海藻的分布图
印度海藻的生化组成
了解目标海藻物种的生化组成是开发高效生物乙醇生产过程的关键第一步[62]。然而，海藻的组成因类型、分类学、季节、地理位置、温度和光照强度而异[63]。海藻大致分为绿藻、褐藻和红藻三种类型，每种类型都具有独特的多糖结构[64]。海藻中的高碳水化合物含量使其
印度海藻的利用途径
海藻可应用于多个工业领域，包括人类食品、动物饲料、医药、生物能源等[94]。全球每年海藻收获量约为3600万吨，其中约1000万吨直接作为食物消费[95]，日本和中国有着悠久的海藻食用传统[95]。在亚洲国家中，印度尼西亚、菲律宾、韩国、朝鲜和马来西亚也有直接食用海藻的习惯[24]。相比之下，其他国家直接食用海藻的情况较少
3G生物乙醇生产的关键技术步骤
海藻生物乙醇的生产通常包括五个关键阶段：采集、收获后处理、水解、发酵和生物乙醇回收（图3），本文将详细介绍这些在印度背景下的关键步骤。
综合性海藻生物精炼厂
综合性海藻生物精炼厂强调对海藻生物质的全面和可持续利用，最大限度地提取高价值产品的同时减少浪费[80]。海藻富含琼脂、卡拉胶、藻酸、岩藻多糖和藻类色素等具有商业价值的化合物，这些化合物广泛应用于食品、制药和化妆品行业[169]。然而，这些行业通常仅利用了海藻生物质的30%左右[170]。剩余的海藻生物质
推动印度海藻基生物乙醇研究的主要机构
本文概述了印度在海藻基生物乙醇生产领域的主要创新机构。CSIR-中央盐与海洋化学品研究所（CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute，位于巴夫纳加尔）是海藻基生物乙醇研究和海藻栽培领域的领先机构。他们已经开发了K. alvarezii、G. edulis和U. lactuca的预处理和发酵工艺，并建立了试点生产装置，还开发了环保的生物转化技术[[114]]
印度海藻基生物乙醇生产的未来前景
在印度背景下，海藻基生物乙醇生产仍面临诸多挑战。由于缺乏适当的养殖技术、季节性生物质获取困难、劳动密集型且低效的收获方式以及干燥和预处理步骤，生产过程成本较高。此外，技术限制也导致了产量下降。大规模海藻养殖带来的环境问题以及目前缺乏技术经济可行性研究进一步限制了发展
印度3G生物乙醇的战略路线图
我们建议分三个阶段推进印度的海藻基生物乙醇生产：第一阶段应全面记录现有资源并推广可扩展的养殖技术；第二阶段需确保工业规模生物乙醇生产的持续生物质供应；第三阶段需对印度漫长海岸线上的本土海藻资源进行全面测绘和评估。此外，还需要推进大规模的海上
结论
海藻是一种极具潜力但尚未得到充分利用的第三代生物乙醇生产原料，可为陆地生物质提供可持续替代方案，且无需竞争淡水或耕地。在印度背景下，丰富的沿海生物多样性、有利的气候条件以及对蓝色经济倡议的关注为发展海藻基生物燃料产业提供了独特机遇。然而，实现这一潜力需要采取综合性的方法
资金来源
本研究得到了印度人力资源发展部（Ministry of Human Resources Development）下属的大学拨款委员会（University Grants Commission，UCG）[30–09-2015–361548]、印度地球科学部（Ministry of Earth Sciences）资助的“深海宏基因组学项目（用于提升下一代生物乙醇生产”[MoES/PAMC/DOM/176/2023 (E-14624)]，以及印度农业研究委员会（Indian Council of Agriculture Research）的支持。
关于本文中使用的AI辅助技术的声明
作者贡献声明
罗丝·库伦（Ros Kooren）：撰写初稿、进行形式分析、数据整理和概念构思。T.G. 苏米斯拉（T.G. Sumithra）：撰写、审稿与编辑、验证、监督、项目管理和资金获取、概念构思。V.S. 曼努尔（V.S. Mannur）：撰写、审稿与编辑、软件开发、资源调配和方法论设计。K.V. 贾塞拉（K.V. Jaseera）：资源调配、方法论设计、调查工作。K. 苏尼塔库马里（K. Sunithakumari）：方法论设计、调查工作、数据整理。萨米娅·哈桑（Shamiya Hasan）：方法论设计、调查工作、数据整理。R. 拉蒂什·库马尔（R. Ratheesh Kumar）：撰写——
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者衷心感谢ICAR-CMFRI的主任为本文的撰写提供了机构支持。同时感谢印度政府大学拨款委员会（UGC）提供的研究经费（作为研究奖学金授予RK），以及印度地球科学部资助的“深海宏基因组学项目（用于提升下一代生物乙醇生产”项目（作为研究奖学金授予VSM）的支持。
