《Regional Studies in Marine Science》：Fourier Transformed Infrared Spectroscopy-based macronutrients and mineral composition analysis of marine macroalgae of Visakhapatnam, Andhra Pradesh
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本研究利用FTIR、XRD和XRF技术对比分析Visakhapatnam海岸Rushikonda和Tenneti海滩采集的绿藻（如Ulva lactuca）、褐藻（如Gracilaria foliifera）和红藻（如Hypnea valentiae）的生化功能群与矿物成分。结果表明：所有藻类均含蛋白质、多糖、脂类及磺化基团，绿藻磺化存在于赤道和轴向位置，红藻则主要在赤道位置，褐藻富含不饱和脂肪酸；XRD证实红藻Jania rubens含Mg-calcite晶体，XRF分析显示海水pH中性。研究证实FTIR能有效揭示海藻分子结构差异，为生态功能评估和生物资源开发提供依据。
塔努什丽·帕尼格拉希（Tanushree Panigrahi）、穆普里亚·穆克吉（Moupriya Mukherjee）、M·帕拉尼萨米（M. Palanisamy）、阿尼玛·苏尼尔·达迪奇（Anima Sunil Dadhich）、高塔姆·普拉马尼克（Goutam Pramanik）
印度维沙卡帕特南（Visakhapatnam）GITAM科学学院化学系（GITAM School of Science, GITAM，被认定为大学），邮编530045
摘要
本研究利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）在4000–4000 cm?1范围内，比较分析了来自印度安得拉邦维沙卡帕特南海岸Rushikonda和Tenneti海滩区域的绿藻（Chlorophyta）、褐藻（Phaeophyta）和红藻（Rhodophyta）的生化功能基团。FTIR分析确认了所有研究海洋大型藻类中存在蛋白质、多糖、脂质以及硫酸化程度。在Ulva lactuca和Gracilaria foliifera中，多糖之间的氢键通过O-H伸缩频率向较低波数的移动得到了证实。强烈的C-H伸缩振动表明这些褐藻中含有大量的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。S-O和C-O-S伸缩的观察表明所有大型藻类中的多糖都发生了硫酸化。C-O-S弯曲振动显示，在绿藻中硫酸化既发生在赤道位置也发生在轴向位置。相比之下，在红藻Hypnea valentiae和Centroceras clavulatum中，硫酸化主要发生在赤道位置。除了FTIR之外，X射线衍射（2θ从20o到60o）和X射线荧光也有助于了解大型藻类中的矿物组成。Jania rubens中的C-O伸缩和碳酸盐的平面外C-O弯曲振动表明其含有Mg方解石。红藻中碳酸盐离子的存在表明采样区域的海水pH值为中性。总体而言，我们的研究表明FTIR足以揭示各种海洋大型藻类的功能基团和化学结构差异，从而对其生态作用及其对水生环境的贡献提供了宝贵的见解。
引言
海藻或海洋大型藻类是一类非维管、多细胞、肉眼可见的物种，缺乏专门的组织（木质部和韧皮部），分布于不同地质气候带的沿海地区（D和A，2015年）。海洋大型藻类通常由固着器、条带和叶片组成，其整体被称为藻体。海洋大型藻类在海洋生态系统中起着关键作用，并具有重要的经济和环境价值。它们可以从大气中吸收CO2，有助于减少大气中的温室气体并缓解海洋酸化（Filbee-Dexter等人，2023年）。此外，大型藻类在减轻海水脱氧和富营养化方面也起着重要作用（Gao等人，2021年）。海洋藻类被认为是第三代生物燃料的主要来源。与第一代和第二代燃料不同，由微藻生产的生物燃料含有高量的多糖、脂质和生物甲烷，生长速度快，并且能够在非耕地使用废水的情况下生长，而不会与食物生产竞争（Anone等人，2015年；Saini等人，2015年；Gao等人，2020年）。海洋大型藻类含有多种具有药用特性的生物活性物质（Ganesan等人，2019年）。真核海洋大型藻类是多种宏量营养素的来源，如多糖、膳食纤维、蛋白质、多不饱和脂肪酸（PUFA）、欧米伽-3和欧米伽-6脂肪酸、维生素和矿物质（Premarathna等人，2022年；Carpena等人，2023年）。这些大型藻类是多种藻胶的主要来源，包括卡拉胶（Carrageenan）、乌尔瓦胶（Ulvan）、藻酸酯（Alginate）、岩藻多糖（Fucoidan）等（El-Beltagi等人，2022年；Fernando等人，2017年；Guidara等人，2021年；Ibrahim等人，2022年）。由于能够产生富含能量的油脂，海洋大型藻类也被探索作为潜在的生物燃料原料（Hannon等人，2010年）。
根据颜色和栖息地，海洋大型藻类大致分为三类：绿藻（Chlorophyta）、褐藻（Phaeophyceae）和红藻（Rhodophyta）（Paniz等人，2020年）。海洋大型藻类的颜色主要取决于其中存在的优势光合色素，如叶绿素、类胡萝卜素、岩藻黄质和藻蓝蛋白。绿藻富含叶绿素a、b和类胡萝卜素，使它们能够在海洋上层（最深10米）的光照区域生长。褐藻产生岩藻黄质、叶绿素a、c和类胡萝卜素，使其呈现棕色，并能在超过20米的深度进行光合作用（Ferrara，2023年）。红藻中的水溶性藻胆蛋白（如藻红蛋白和藻蓝蛋白）能在海洋150米深度有效吸收红、橙、绿波长的光进行光合作用（Ferrara，2023年）。海洋大型藻类中的生化成分很大程度上取决于物种所属的科及其地质环境（Yang等人，2021a）。因此，广泛研究和表征海洋大型藻类对于了解它们作为生物活性分子来源在医学领域的应用至关重要。
全球约有9800种海洋大型藻类被商业化利用（El-Beltagi等人，2022年）。尽管印度拥有长达11,098公里的 coastline，沿线环绕阿拉伯海、印度洋和孟加拉湾，但在已知的865种藻类中只有60种具有商业价值（El-Beltagi等人，2022年；Ss和Murugan，2017年；Mantri等人，2020年）。将原始海洋生物质转化为具有竞争力的高产量产品的主要瓶颈之一是对各种物种的生化、结构和分子特性的有限了解。
海洋大型藻类的形态识别是一种初步技术（Yang等人，2021a；Leliaert等人，2012年）。基于分子表征的光谱技术可以提供关于分子结构、组成和性质的宝贵信息。傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种经典的非破坏性光谱方法，可以提供有关生物样本中存在的生化功能基团的宝贵信息。FTIR广泛用于识别和表征生物分子，如蛋白质、核酸、碳水化合物和光合色素，这是基于它们的特征红外吸收频率（Banerjee等人，2024年；Liu等人，2020年；Sukhikh等人，2022年）。通过利用功能基团的振动模式，该技术可以阐明化合物的结构特征。FTIR已被用于揭示大型藻类的质量、真实性、营养成分以及防止商业产品掺假的具体生物标志物（Espinosa-Velázquez等人，2018年；Vandanjon等人，2023年）。FTIR还被用于确定大型藻类中的脂质、碳水化合物、蛋白质含量以及多糖的硫酸化程度（Liu等人，2020年）。FTIR光谱也是表征影响藻类衍生材料的沉积后过程及其与其他海洋生物或非生物物质相互作用的有效工具（Murdock等人，2008年）。对印度次大陆大型藻类的FTIR研究，主要来自泰米尔纳德邦（Tamilnadu）和古吉拉特邦（Gujarat）海岸，帮助识别了关键生物活性化合物，如多糖、硫酸化多糖、芳香烃和生物矿物（Fernando等人，2017年；Kannan，2014年；Sowjanya和Sekhar，2017年）。维沙卡帕特南（Visakhapatnam）的海岸线以岩石海岸、岬角和潮池为特征，支持着多样化的海洋大型藻类。该地区的研究发现了丰富的海洋大型藻类多样性（Sowjanya和Sekhar，2017年）。在本研究中，从印度安得拉邦维沙卡帕特南海岸的Rushikonda和Tenneti海滩收集了不同的绿色、棕色和红色海洋大型藻类物种，并利用FTIR光谱进行了功能基团分析。本研究的主要目的是阐明这三种类型海洋大型藻类之间的结构差异，并提供关于这些海洋大型藻类功能特性的新见解。
研究片段
大型藻类的采集
2023年9月至2024年1月期间，每天早晨5点至7点，在低潮时，从Rushikonda海滩（17.8341°N；83.4130°E）和Tenneti海滩（17.7486°N；83.3503°E）的潮间带和亚潮带随机手工采集海洋大型藻类。海洋大型藻类样本来自常见的基质，如淹没的岩石和沿海废弃物，如渔网、塑料绳等。所有采集地点的地理坐标均使用GPS标记（图1）。每个分类单元都进行了鉴定。
绿色大型藻类的FTIR分析
每种大型藻类都有独特的生化特征，包括不同水平的多糖、蛋白质、脂质和酚类化合物。根据先前的研究，海洋大型藻类的FTIR光谱可分为三个主要区域：蛋白质区域（明确显示酰胺I和酰胺II，1800–1500 cm?1）、脂质区域（1740 cm?1）和碳水化合物区域（1200–900 cm?1）（Barto?ová等人，2015年）。此外，在生化分析中还观察到了两个额外的光谱带。
结论
基于海洋大型藻类的红外吸收带对功能基团的鉴定显示了复杂的生化特征。FTIR光谱证实了所有研究藻类样本中都存在蛋白质和多糖。FTIR光谱还发现了Gracilaria foliifera和Ulva lactuca中多糖和蛋白质之间的增强非共价氢键，这对细胞内相互作用、结构完整性和凝胶化过程至关重要。
CRediT作者贡献声明
Moupriya Mukherjee：研究、数据分析。Palanisamy M：研究。Dadhich Anima：监督、撰写-审稿及编辑、撰写-初稿、方法论、概念化。Tanushree Panigrahi：撰写-初稿、方法论、研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了UGC-DAE科学研究联盟，加尔各答中心的支持，通过合作研究计划（授权号：UGC-DAE-CSR/15/IOP/04/0566）。作者感谢S.S. Ghugre博士的指导和有益讨论，同时也感谢P. V. Rajesh博士进行的粉末XRD测量。
