藻类基础知识

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章节 1
拯救地球的小植物

章节 2
藻类到底是怎么一回事?

章节 3
藻类历史与政治

章节 4
藻类的竞争优势是什么?

章节 5
藻类分类

章节 6
藻类选择

章节 7
藻类栽培

章节 8
藻类使我们成为人类吗?

藻类转化二氧化碳

藻类将 CO2 转化为植物键并释放 O2

Mark Edwards 博士的藻类基础知识

第 1 章:拯救地球的小植物

Algae 将我们的大气转化为氧气,从而使生命得以存在,从而拯救了我们的星球。 藻类提供了地球上的第一种食物,再次拯救了我们。 藻类能否再次拯救我们的星球?

早期地球既不支持生物也不支持食物。 大约 3.7 亿年前,由于地球表面太热且没有氧气,因此没有生命存在。 地球的大气层由一层致命的吸热二氧化碳和甲烷气体组成。

化石记录显示,原始汤中出现了一种微小的植物,并做了一件非凡的事情。 这种植物吸收了太阳能,并利用光合作用这一化学反应来分解二氧化碳和水分子。 这种微小的植物通过从水中取出两个氢原子并将氧分子释放到大气中,将碳原子转化为高能绿色植物键,即碳氢化合物。 藻类已经开始了改变大气的工作。

生物起源研究地球上的生命是如何出现的,它使用原始汤理论,并表明地球上的化学条件创造了生命的基本组成部分。 虽然关于第一个生命究竟是如何合成的争论仍在继续,但化石表明第一个植物细胞蓝藻,也称为蓝绿藻,是一个纳米颗粒大小,5 µ(微米)。 这句话末尾的句点大约是 500 µ。

藻类系统地收集太阳能,隔离碳原子并释放氧气。 藻类以一次一个微小分子的极其缓慢的速度移动,将无法维持生命的严酷二氧化碳大气转变为支持生命的氧气大气。 藻类又花了 3 亿年的时间来创造足够的氧气来支持其他形式的生命,因为陆地植物仅在大约 500 亿年前从藻类进化而来。

藻类的大气转化促进了其他水生植物、鱼类、昆虫、陆生植物、两栖动物、爬行动物以及最终陆生动物的发展。 尽管微藻是我们星球上最小的植物,但每天藻类产生的氧气占大气中氧气的 70%,比所有森林和田地的总和还多。

藻类的第二份礼物——食物
藻类对我们富含氧气的大气的贡献与这种微小植物的另一项礼物相匹配——作为食物链的基础。 许多最早的植物和水生生物都依赖藻类作为食物来源。 藻类是从最小的浮游植物到地球上最大的哺乳动物——大蓝鲸的所有生物的营养食物,因为这种植物提供了一组极好的蛋白质、矿物质和维生素。 每天,当藻类捕获二氧化碳并释放纯氧时,绿色生物质为生物提供的食物是地球上任何其他食物来源的 2 倍。

地球上的严酷条件意味着第一个藻类细胞必须进化和重新进化数百万次,因为它们的微环境因电风暴和酷热而崩溃,然后是冰冻和过热岩石的流星雨。 藻类显示出令人难以置信的持久性,并发展出各种各样的防御机制,使植物能够生存和繁殖。 藻类为了生存而快速适应的能力导致估计有 10 万种藻类,每种都具有独特的生长能力和生物量组成。

由于藻类形成了食物链的最低层,因此它们制定了一种绝妙的生存策略——生长速度超过其捕食者的进食速度。 以藻类为食的食草动物吃掉了许多但不是所有快速生长的植物。 繁殖速度快于其捕食者可以吞噬它们的能力创造了巨大的竞争优势并确保了藻类的生存。 藻类可能是第一个免费午餐,因为许多物种在中午之前就已经具备将生物量翻倍的能力。 一个藻类细胞一天可以产生一百万个后代。

藻华在古代海洋、湖泊和池塘中很常见。 我们今天燃烧的化石燃料主要由化石藻类组成。 孩子们在学校里被教导原油来自恐龙,但恐龙在地球上漫游大约 200 亿年已经太晚了,无法成为化石燃料的首选生物质。

大多数藻类都非常小,只有在显微镜下才能看到。 然而,藻类可能会聚集、聚集、聚集或生长在可见和可食用的地层中。 藻类通常比水重并沉淀下来,在池塘底部形成一层绿色的雪。 随着藻类储存的能量沿食物链向上移动,藻类的绿色太阳能每天为数以万亿计的生物提供燃料。

被称为海藻或大型藻类的海藻通常长成具有假根、树干和叶子的陆地植物外观。 这种平行进化使海藻能够长到与树木一样大的大小。 大型藻类通常被鱼类和哺乳动物直接食用,例如海獭、海牛、海豚和鲸鱼。 大型藻类为海洋提供了各种鲜艳的颜色,并且比食草动物可以吃的生物量多得多。

藻类生长在极地冰盖下的森林、冰川下的土壤、最热和最干燥的沙漠以及水池、水族馆和水道中。 藻类的简单性使这些植物非常健壮; 它们不仅能在极其恶劣的环境中生存,还能产生高价值的生物质。 对于数十亿年前在恶劣环境条件下幸存下来的植物来说,当今地球上最恶劣的环境可能看起来很温顺。

丰富的投入
藻类使用大量且通常是过剩的投入,包括阳光、二氧化碳和废物、盐水或海水。 藻类光合作用从周围的水中去除二氧化碳和养分,并产生由各种形式的脂质(油)、蛋白质和碳水化合物组成的植物生物质。 该过程将大量纯氧释放到大气中。

藻类使用丰富而廉价的投入物

藻类使用丰富而廉价的投入物

在没有人类栽培的自然环境中,藻类是许多生物的主要食物来源。 在自然环境中生长的野生藻类产生令人难以置信的快速生物量增长,但既不可靠也不可持续,因为生产通常会因营养限制或捕食者攻击而崩溃。 在池塘、水槽或容器中培养藻类可以显着提高野生藻类的生产力,因为可以提供足够的营养,并且可以管理或避免捕食者。

自然环境中最常见的营养限制来自碳、氮或磷。 无机营养物,如氮,只能以游离离子的形式存在,在水中稀释。 然而,藻类可以快速消耗自然环境(如泻湖)中的可用离子。 同样,藻类在战略上适应,许多物种有能力从生物生物质或其他废物中消耗有机营养。

藻类能否再次拯救我们?
不起眼的藻类通过在每磅藻类生物质中隔离两磅二氧化碳来拯救我们的星球。 今天,我们的大气和海洋携带着大量来自人类造成的化石燃料污染的二氧化碳。 藻类可能会通过减少大气碳负荷再次在拯救我们的星球方面发挥作用。 藻类还可以通过生产碳中性液体运输燃料来减少温室气体,这些燃料可回收大气中的碳,同时取代化石运输燃料。 当种植、收获和提炼能源来自太阳能、风能、波浪、地热或海藻油等可再生能源时,碳中性燃料由藻类原料制成。

藻类燃料具有显着的优势,因为它们燃烧干净,没有黑色烟尘颗粒。 导致肺部疾病、呼吸系统疾病和癌症的黑烟尘污染来自 400 亿年藻类在原油、煤炭和页岩中的化石化过程。 藻类燃料在几周内就可以生产出来,而且不会变成化石,因此它们燃烧起来很干净,就像它们在陆地上的表亲植物油一样。

藻类承诺为我们日益炎热、拥挤、饥饿和能源消耗的社会提供急需的解决方案。 摆在我们面前的机会是以一种让全球人民参与生产可持续和负担得起的食物和能源来满足当地家庭和社区需求的方式来种植藻类。

第 2 章:关于藻类的全部内容是什么?

螺旋藻曲奇

螺旋藻饼干。 照片提供: thedorkyfrench.com

藻类的价值链。
Algae 可能是人类最好的朋友。 藻类可以提供可持续和负担得起的食物和燃料,以及生态和新颖的解决方案。 任何可以由陆上作物制成的食物、纤维或材料都可以由藻类制成,因为陆地植物是在 500 亿年前从藻类进化而来的。 与陆生植物相比,藻类提供更广泛的颜色、质地、味道和化合物。 任何由化石燃料制成的燃料、塑料或其他材料都可以由藻类制成,因为化石燃料只是化石化的藻类或以藻类为食的生物。

最有用的藻类属性并不是我们可以用藻类制造任何东西。 藻类与陆生植物和化石燃料的不同之处在于藻类食物、能源和副产品的制造方式。 我们的大气中充满了二氧化碳,二氧化碳会被自然回收或与藻类生产隔离。 粮食作物会因全球变暖而失败,但藻类会在高温下繁衍。 我们的世界没有足够的耕地来种植粮食作物,但藻类可以在非耕地上生产补充食物和能量。

在全球范围内,社会正面临淡水短缺的问题,而藻类却在废物、盐水或海水中大量繁殖。 我们已经过了石油和藻类可以以比开采原油更低的成本提供液体运输燃料的高峰期。 农民面临着藻类可以回收​​的磷等自然资源的严重短缺,以及从动物和人类废物流中回收和再利用营养物质。

藻类种植可以不使用或仅使用与陆基粮食作物竞争的化石资源来生产有价值的生物质,并且不需要肥沃的土壤、淡水、化石燃料、肥料和化石农业化学品。 在农场或城市垃圾场共处藻类生产使藻类能够将这些昂贵的废物流从成本中心转变为利润中心,提供能源、动物饲料和丰富的有机肥料。 除了用于生物燃料和有价值的副产品的生物质生产之外,在碳源(例如发电厂或水泥厂或啤酒厂)附近共同定位藻类生产提供了潜在的污染解决方案。 当藻类净化空气和水时,绿色生物质将二氧化碳和废物营养物质转化为有价值的糖、蛋白质、脂类、碳水化合物和其他有机化合物。

O我们当前的食品和运输系统对空气、土壤和水造成严重污染。 藻类可以生产具有积极生态足迹的碳中和食物和燃料。 我们目前的燃料燃烧时会释放出肮脏的黑色烟尘颗粒,但藻类燃烧起来却很干净。 藻类燃料是在几周内制成的,并且没有经历 300 亿年的深度和肮脏的化石化。 藻类燃料燃烧干净,因为它们本质上是植物油。

藻类进行了引人入胜的研究,因为根据领先的教科书 藻类 作者:詹姆斯·格雷厄姆、李·威尔科克斯和琳达·格雷厄姆, 估计存在 10 万种藻类。 大约 90% 的特殊化合物仍有待发现、描述和培养。 藻类产生的化合物比在陆地植物或动物中发现的要多得多,因为藻类的种类比其他生物多得多。 与陆地植物相比,藻类从超过 3 亿年的适应和进化中受益,它们创造了巧妙的生存策略,以最大限度地提高它们的生长和活力并击退捕食者。

藻类成分已经融入我们的食品、饲料、化妆品和药品中。 亚利桑那州立大学的一项购物篮测试发现,消费者通常在超市购买的产品中有近 70% 含有藻类成分。 大多数人不直接食用藻类,而是喜欢由藻类成分制成的产品,包括: 藻粉代替小麦、玉米或大豆粉; 海藻油比玉米油更健康且不易发胖,以及海藻营养素,如欧米茄 3。

低热量、美味的海藻巧克力将使消费者能够吃到蛋糕,而不会因高热量而感到内疚。 除了比陆基食物低脂肪和高营养外,俄罗斯和日本的研究表明,藻类可能会改变肝脏中控制脂肪酸代谢的酶活性,从而降低血液中的脂肪、胆固醇和甘油三酯水平。 .

巧克力海藻曲奇
藻类具有独特的优势,可以为人类的关键需求提供产品和解决方案的价值链。 价值链包括可持续食品、燃料、生态和新颖的解决方案,以藻类的绿色承诺为代表。

藻类的绿色承诺

食品

  • 餐饮。 藻类为人类提供高蛋白、低脂肪、营养丰富、健康美味的食物。 藻类比陆生植物提供更多的维生素、矿物质和营养,是一种天然的健康食品。 藻类由于其卡路里很少,不能为营养不良提供完整的解决方案。
  • 注意:在找到几个关键问题的解决方案之前,藻类的食物价值将是次优的; 使坚硬的细胞壁易于消化并产生更少的核酸。 所有其他绿色承诺只等待宏观和微观规模的养殖藻类生产系统。
  • 食品添加剂。 藻类成分增强了现代超市中约 70% 的产品,包括乳制品、啤酒、软饮料、果酱、烘焙产品、汤、酱汁、馅饼馅料、蛋糕、糖霜、着色剂、溃疡药物、助消化剂、眼药水、牙膏,护肤霜和洗发水。
  • 饲料。 藻类生产高蛋白、低成本、营养丰富的动物饲料,含有多种维生素、矿物质和营养素。 取代一半作为美国出口产品出售给动物的粮食将节省 20 万英亩的农田和数万亿加仑的淡水。 当地村庄的藻类生产将养活数百万只动物,每年可减少 20 万英亩森林和草原因动物饲料造成的荒漠化。
  • 渔业。 藻类提供高蛋白质; 低成本、营养丰富的鱼饲料、维生素和营养素。 藻类可以就地生长,与鳍鱼和贝类一起在水中生长。 与陆地谷物相比,鱼类往往在藻类上生长得更快,更有活力,因为鱼在其自然栖息地吃藻类。

汽油

  • 燃料——生物柴油。 直接从藻类生物质中压榨出的藻油从阳光、CO 02 和废水中产生可再生和可持续的高能生物燃料。 取代美国的乙醇生产需要 2 万英亩的沙漠,占亚利桑那州一个县的一半。 用藻类作为生物燃料原料替代玉米,每年将节省 40 万英亩农田、2 万亿加仑水、240 亿吨土壤侵蚀和广泛的水污染。
  • 燃料——喷气燃料、乙醇和氢气。 藻类可以生产多种高能液体运输燃料,包括汽油。 虽然炼油通常需要比压榨藻油更多的能源投入,但美国的乙醇炼油能力可能过剩。 藻类可以在化石燃料精炼厂中提炼成由化石燃料制成的相同产品,因为化石燃料只是化石化的藻类。
  • 化石燃料。 替代美国乙醇生产还将节省 7 亿加仑用于生产乙醇的化石燃料。 将美国农业生产的 1/10 从肮脏的柴油转向清洁的藻类柴油将清洁环境并每年节省 20 亿加仑的化石燃料。 使用藻油替代卡车、火车、轮船和飞机使用的部分柴油,可以节省更多的化石燃料。
  • 火——做饭。 炊事火和木材、杂草和粪便加热产生的黑烟每年导致 1.6 万人因烟气死亡和 10 万人残疾,其中大多数是妇女和儿童。 清洁燃烧的高能藻油可以终结烟气致死和许多烟气残疾。 用海藻油代替木材、粪便和农业材料,将节省大量的拾柴劳力,并可以重新种植森林。

生态解决方案

  • 淡水。 通过藻类养殖运行废水可以养活植物并清洁水。 使用废水或盐水生产燃料、饲料或肥料可以节省原本用于种植陆地作物的水。 用藻类养殖食品代替一半的美国食品出口将节省 30 万英亩的农田、2 万亿加仑的水和 5 亿加仑的化石燃料。
  • 新鲜空气。 通过藻类养殖排放烟囱气体可去除发电厂或工厂中的二氧化碳、一氧化氮、硫和重金属(如汞),隔离温室气体并净化空气。 藻类只是部分解决方案,因为植物只能在阳光下生长,而且发电厂一天 2 小时都在运行。 一些生产商报告称,夜间生产用生长灯取得了成功。
  • 肥料。 固氮藻类可以在生产和能源投入方面以非常低的成本提供高氮肥料。 该产品是天然的,支持有机食品生产,可以为全球自给农民提供廉价的当地肥料。 藻灰在烹饪火中燃烧后仍保留肥料价值。
  • 森林。 高能藻油燃料可以结束砍伐森林和草原作为烹饪和取暖燃料的需要。 村民可能会在森林中重新种植坚果树或豆类作为食物,以抵消藻类食物提供的低热量。

新颖的解决方案

  • 面料。 藻类碳水化合物类似于木材,可制成纺织品、纸张和建筑材料。 藻纸和建筑材料拯救森林。 织物为粮食作物节省农田并提供温暖。 藻类可制成可生物降解的塑料、生物燃料或其他精制产品。
  • 外援。 美国的外援提供美国补贴食品,破坏或破坏当地食品生产,因为农民无法与美国补贴食品竞争。 赠送食物未能解决饥饿和贫困的根本原因——当地对食物资源的控制和社区参与。 藻类养殖外国援助将转让知识和一些启动材料,以在当地种植藻类食物、燃料、饲料、肥料和药物。
  • 饥荒救灾。 藻类含有丰富的维生素和矿物质,可激活免疫系统并防止饥饿,同时提供燃料、饲料、织物、肥料和精细药物。 当地藻类养殖生产的救灾可以防止数百万人遭受社区饥饿。 本地藻类生产解决了食物分配的关键问题。
  • 良药。 高质量、负担得起的药物、疫苗和药物可以由藻类副产品制成,也可以在经过生物工程改造的藻类中生长,以生产抗生素、维生素、营养品和疫苗等先进化合物。 这些化合物今天在陆地植物和动物中生长,因此藻类提供更快、更低成本的生产。 通过提供无需包装或分发的低成本疫苗或其他药物,在村庄当地种植的特制藻类可以挽救数百万人的生命。 精细药物,尤其是为个人量身定制的个性化药物,可能比所有其他藻类副产品的总和价值更高。

大自然在地球上的第一个食物生产系统——藻类养殖,提供了非凡的好处。 商业和小规模种植系统的解决方案将引发绿色淘金热,以利用藻类生产高价值且价格合理的食品、燃料、饲料、肥料和药物。

藻类食品可以创造丰富的食物和能量,同时减少对需要大量耕地、淡水、肥料和化石燃料的食品的需求。 仅向大气中添加氧气且不会污染当地生态系统的食品生产将为环境提供非常积极的净产量。

改编自: 绿色太阳能花园:藻类终结饥饿的承诺2009。

收获的螺旋藻

收获的螺旋藻作为食物。

第 3 章:藻类历史和政治

N早期,生活在海洋、河口或湖泊附近的每个人类社会都使用藻类作为食物、动物的饲料、田地的肥料以及治疗割伤、瘀伤和胃病的药物。 干藻提供了第一种便携式方便食品,可能与白色贝壳珠一起用作贸易中的 wampum。 考古证据表明,地中海周围的早期尼安德特人吃藻类和贝类。

一个多世纪以来,藻类非凡的生产力已被公认为解决全球饥饿问题的潜在解决方案。 对藻类作为全球食物解决方案的兴奋已经多次冒泡,每次都以卑鄙的方式爆发。 1890 年代,专家们担心托马斯·马尔萨斯 (Thomas Malthus) 的预测,即人口增长将超过食物,并推荐非传统食物来源,包括酵母、真菌和藻类。

第一次世界大战后,一项类似的倡议来了又走。科学家们继续寻找可持续的食物来源。 第二次世界大战后,世界上一半以上的人口处于贫困和饥饿状态,专家建议采用非常规农业作为摆脱马尔萨斯陷阱的方法。 藻类成为最好的解毒剂,许多试点项目都尝试进行藻类生产。

研究人员于 1948 年宣布,他们能够在受控实验室条件下使用廉价材料培育有营养的藻类。 当在最佳条件下生长时——阳光充足、温暖、浅水池,由简单的 CO2 喂养——小球藻将大约 20% 的可用太阳能转化为植物生物质,其中含有超过干燥时含有 50% 的蛋白质。 与大多数植物不同,小球藻的蛋白质含有 10 种氨基酸,当时被认为是必不可少的,并且富含卡路里、脂肪和维生素。

光学显微镜下的小球藻

用光学显微镜观察小球藻。 照片:巴里·H·罗森博士

媒体对藻类的潜力和 高力杂志 勾勒出未来的农场,在那里,玻璃管的脂肪卷在自动化农场中生产了数千吨蛋白质。 专家们也不甘示弱,他们创造了合理的场景,藻类将以接近零的成本解决世界粮食供应问题。

不幸的是,研究人员绊倒了墨菲定律,所有可能出错的地方都发生了。 结果证明,小球藻不是很健壮,而是一种非常喜怒无常的有机体,只是随着温度、密度、光线、pH 值和营养成分的微小变化而停止生长。 该植物非常脆弱,以至于离心机的收获和除湿所需的热量都会破坏生物质。 小球藻坚硬的细胞壁使其难以消化,这增加了热量或额外机械加工的成本和能量。

虽然大多数研究人员放弃了用藻类解决世界饥饿问题的努力,但美国宇航局在 1950 年代调查了使用藻类作为在长途太空飞行中喂养宇航员的一种方式。 在所谓的“藻类竞赛”中,苏联和美国的项目竞相开发一种独立的航空航天生命支持系统,该系统将使用藻类将宇航员的废物转化为清洁的空气、水和食物。 科学家们无法解决污染和重量问题,该计划被取消。

作为这项工作的一部分,至少有一篇研究论文于 1961 年发表在 营养学杂志 题为“藻类喂养人类”。 它总结了关于藻类作为人类食物的稀疏研究。 美国陆军研究小组检查了来自日本的小球藻,这些小球藻在池塘中生长、收获、离心、洗涤、加热并真空干燥成绿色粉末。 他们的分析表明其成分为:蛋白质:59%,脂肪(油):19%,碳水化合物:13%,水分:3% 和灰分:6%。

作者发现,他们的五名人类受试者可以耐受每天高达 100 克的藻类食品补充剂。 使用的绿藻,小球藻,给添加的食物带来了强烈的菠菜般的味道。 最可接受的准备是饼干、巧克力蛋糕、姜饼和冷牛奶。 较大的补充剂会引起胃部问题,但在停止补充剂后症状消失。 该团队得出的结论是,干藻可以作为一种食品补充剂,但在它成为主要食物来源之前,还需要进一步加工。 这些发现将藻类归为保健食品市场的一小部分。 美国关于藻类作为食物来源的研究几乎蒸发了。

对人类来说幸运的是,绿色革命始于 1950 年代,藻类食物再次蓬勃发展,这归因于三个几乎相同的因素:

  • 更强大的灌溉泵的发明
  • 合成肥料的新技术
  • 创造高产种子的分子遗传学进展

更强大的泵和更大的管道使农民能够大量过度抽取地下水用于灌溉。 农民还将更多的化肥、杀虫剂和除草剂堆放在田里。 绿色革命已经开始,在廉价化石燃料和淡水的侵蚀基础上,粮食产量翻了一番。

由于粮食生产的进步,非农业粮食来源是不必要的。 消费者因科幻小说、记者和电影而变得不信任非传统食物来源。

科幻小说作者既普及了合成食品的概念,又预测了消费者的不利反应和意想不到的后果,例如 杀手番茄 和弗兰肯食品。 HG 威尔斯 “时间机器”,1895, 世界大战,1898和 众神的食物, 1905, Aldus Huxley's 美丽新世界, 1932 和 Ward Moore 的 比你想象的更环保1947 年,所有人都警告不要使用生物技术灵丹妙药。

H哈里·哈里森 腾出空间! 腾出空间! 1966 年和 Paul Ehrlich 的 人口炸弹,在 1968 年解释了不受限制的人口增长的可怕结果。 哈里森的世界末日情景包括浮游生物、酵母和藻类作为饥饿群众的基本食物。 小球藻有鱼腥味,因此营销人员决定生产一种改进的版本,他们将其命名为 Soylent Green。 这导致了 1973 年根据哈里森的书改编的电影, Soylent绿色,这表明藻类生物质培养不仅使用人类废物,还使用回收的人类。 即使有同类相食,这项发明也不能养活所有人。 水和肥料短缺、瘟疫、瘟疫和农药中毒毁坏了庄稼并污染了水源。 温室效应加剧,洪水、暴风雨和干旱增加。 艺术确实模仿生活。

重制 Soylent绿色 将使藻类产业倒退至少十年。 虽然科幻小说作者激起了公众对弗兰肯食品的恐惧,但人们在他们的水族馆、游泳池和休闲水道中亲身体验了绿色粘液。 媒体急于传达藻类的耸人听闻的危险,这些藻类会产生致命的毒素、致命的赤潮和杀死许多生物的死区。

吉米卡特总统发起了几个藻类项目,以推动美国走向能源独立,但重点是将电网生产从石油转向煤炭。 卡特的藻类研究的最后一部分,为期 18 年的水生物种计划,在克林顿政府做出将政府研发从藻类生物燃料转向玉米乙醇的政治决定时终止。 这项政策的不幸结果是,大学及其教职员工十多年来无法获得资助来研究藻类。

1990 年代,当国会无视科学并将美国生物燃料的未来押在玉米乙醇上时,藻类研究受到了打击。 在一波漂绿承诺中,玉米获得了补贴和激励措施,即乙醇将是可持续的、可再生的、清洁的并取代石油进口。 现有研究表明,玉米乙醇与这些说法相反。 每英亩玉米生产侵蚀 2.5 吨土壤,污染地下水并释放 XNUMX 吨二氧化碳2 加上一氧化氮、微粒和烟雾。 9 年生产的 2008 亿加仑乙醇以数十亿美元的补贴和环境污染为​​代价,抵消了不到 3% 的美国石油进口。 2005 年的能源政策法案制定了可再生燃料标准,要求更多的可再生能源生产,但将藻类原料排除在可再生能源政策之外。

2008 年,随着两个行业协会的出现以及行业贸易期刊的出现,藻类作为一种生物燃料解决方案重新出现, 藻类工业杂志. 2007 年藻类生物质组织和国家藻类协会的第一次行业会议吸引了少数科学家和少数生物燃料企业家。 2009 年在圣地亚哥举行的藻类生物质组织峰会吸引了 800 多人参加,并得到了国际媒体的报道。

藻类政治面临着充满挑战的未来,因为藻类必须在经济和生态上与其他绿色能源解决方案竞争。 其他可再生能源解决方案产生电力,但不产生汽油、柴油或喷气燃料。 藻类作为未来 50 年船舶、飞机、卡车和飞机所需的液体运输燃料,成为实现能源独立的可行解决方案。

第 4 章:藻类的竞争优势是什么?

N大小不一的单细胞藻类是地球上最早的生命形式之一。 它们已经在地球上许多最恶劣的环境中生存了 3.7 亿年。 藻类的简单性使这些植物非常健壮——它们不仅能在恶劣的环境中生存,而且还能产生高价值的生物质。 在良好的栽培条件下,藻类产生蛋白质和能量生物质,每英亩的产量是陆地植物的 30 到 100 倍。

藻类对地球上的生命至关重要,因为它们在食物链的底部产生有机物质。 生物质被从最小的磷虾到大蓝鲸的所有东西吃掉。 藻类还生产其他水生生物所需的大部分氧气,并提供我们日常大气中约 70% 的氧气。

藻类,海藻的拉丁名称,以各种形状和大小呈现。 微藻是单细胞的微观生物,通常小于 5μ(微米)宽。 这句话末尾的句号大约是 100µ。

藻类生长在地球各处,包括在两个冰盖下。 它们的首选环境是潮湿的地方或水中,但藻类在陆地和水生环境中很常见。 土壤、岩石、树木和冰含有干燥的藻类细胞,其中许多仍然可以存活。 各种藻类在各种水中生长,这使得它们非常适合控制污染。

海藻约占藻类的 10%,还有一些更大的物种生活在海洋环境中,例如海带:棕色海藻可以长到 180 英尺。 海藻可能看起来有类似于陆地植物的树干和叶子,但这些结构实际上是未分化的细胞,称为假叶。 在热带地区,珊瑚藻有助于构建珊瑚并支持珊瑚礁和其他与海绵共生的物种的形成。

海带、硅藻和纤维状绿藻

海带、硅藻和纤维状绿藻

远离海洋,大多数藻类不是生活在水道中,而是生活在土壤中。 藻类在陆地植物的根部共生,在那里它们分解土壤化合物并使植物可以生物利用养分。 蓝绿藻,也称为蓝藻,还通过将大气中的氮固定在根瘤中或直接固定在植物表面上为作物服务。 许多平原、山脉和沙漠都覆盖着藻壳,它们将土壤固定在适当的位置,为有根的植物提供基础并保持关键的土壤水分。 藻类生物工程建筑材料,如石灰石,这是埃及人用来建造大金字塔的材料。

藻壳

藻壳

各种藻类最大化不同的成分。 一些物种提供超过 50% 的脂质(油),其他物种提供 60% 的蛋白质和其他 90% 的碳水化合物。 某些种类的食品蛋白质几乎没有天然气味或味道,因此产品可能具有所需的特征,例如任何气味、颜色、质地、密度或味道。 藻类和大豆之间的盲味测试有利于藻类,因为藻类没有未加工大豆的苦味、淀粉味。 与粮食谷物一样,藻类生物质受益于食品加工,以最大限度地提高味道、质地、颜色和口感。

藻类在将光、水和碳转化为含有油性化合物(脂质)的生物质方面非常有效,这些油性化合物可以被提取并加工成汽油、绿色柴油或喷气燃料。 剩余的生物质,主要是蛋白质和碳水化合物,可以制成食品、药物、疫苗、矿物质、动物饲料、肥料、颜料、沙拉酱、冰淇淋、布丁、泻药和护肤霜。 藻类组成的一个例子显示了一种藻类,其中 40% 的植物生物质是油。

藻类成分
脂肪藻类,也称为含油藻类,是产生大量脂质的物种。 绿藻可能看起来不像生物原油原料,但今天车辆中使用的石油来自史前生物质,这些生物质主要来自古代湿地和海洋中的藻类大量繁殖。

自然界的生物质分解始于 200 亿多年前的石炭纪,在巨大的热量和压力条件下。 从北海抽取的石油由称为球石藻的分解触生藻组成。 藻类也是硅藻土、煤页岩和煤的主要成分。 埃及人用藻类形成的石灰石建造金字塔。

藻类优势
藻类的 30-100 倍年产量每英亩生产力优势主要是由于陆生植物和水基植物之间的差异。 藻类以几乎无限数量的物种和菌株表达自己,这使它们成为一种独特的有机体。 几个关键特征将藻类与陆生植物区分开来。

藻类是水基生物,生长在淡水、咸水、咸水、海水或废水中。 陆地植物需要淡水才能生长,因为大量的盐离子会堵塞它们的管道和根系,使植物缺乏水分和养分。 藻类在咸水中繁盛,因为它们是在非常咸的古老海洋中进化而来的。 盐离子对藻类没有问题,因为藻类没有根。

藻类在地球上的数十亿年中制定了关键的生长、繁殖和生存策略。 陆地植物仅在 500 亿年前从藻类进化而来,需要整个生长季节,即 120-140 天才能为新一代产生种子。 在陆地植物生长一代的时间里,藻类可能会繁殖数百万代,因为藻类没有生长季节。 藻类在许多方面与陆生植物不同。

藻类的竞争优势

  • 上层建筑。 陆地植物将大部分能量用于构建纤维素结构,包括树干、叶子和茎,以抵御风和天气。 藻类没有这样的要求。 水像天然子宫一样支持藻类。
  • 性。 陆地植物将 35% 的能量用于构建和支持它们的性器官。 藻类是简单的单细胞生物,不必理会有性结构。 当条件良好时,藻类会进行有性繁殖。 当压力源出现时,细胞可以无性增殖。
  • 根。 陆地植物将 25% 的能量投入根部,将它们锁定在适当的位置,并使植物依赖原位土壤水分和生物可利用的养分,这些养分通常由土壤微生物(如藻类)提供。 藻类没有根,有些物种会长出鞭毛,它们可以摆动以获取营养、水分或太阳能。
  • 成长速度。 粮食作物等陆地植物需要一个从春季到秋季的完整生长季节——通常需要 140 天或更长时间才能生产一种作物。 藻类在得到滋养时学会了蓬勃发展,并且可以迅速生长成熟。 一个藻类细胞可以在一天内产生超过一百万个后代。
  • 方向。 陆地植物朝一个方向缓慢生长,朝向太阳,可能在 10 天内使其生物量增加一倍。 然后它们逐渐减缓生长直至成熟。 藻类可以 360 度向各个方向生长,并且每天的生物量可能会增加三倍或四倍。
  • 连续收获。 藻类生长如此之快,每天可以收获一半的藻类生物量。 收获可能在阳光普照的每一天发生,在亚利桑那州、新墨西哥州、科罗拉多州和德克萨斯州等地,这可能是一年 360 天。
  • 连续生长季节。 一些藻类生产者使用适合每个季节的物种全年种植藻类。 一些生产商使用生长灯来增加太阳能。 一些生产商正在试验 LED 和其他形式的光,以将增长扩展到白天以外的时间。
  • 稳健的生产。 整个生长季节中的单个事件,如温度飙升、干旱、昆虫、风或冰雹,都可能摧毁整个粮食作物。 当发生恶劣天气时,藻类会休息并减慢其生长速度或进入休眠状态。 当天气好转时,藻类会恢复快速生长。
  • 固氮。 被称为蓝藻的蓝绿藻能够固定大气中的氧气,从而促进生长,因为氮通常是静止水中的限制性营养物质。
  • 组成。 陆地植物绿色生物质(例如玉米)可能 80% 是非油或废物,因为大部分植物成分是纤维素结构,而不是用于食物或能源生产油的蛋白质。 一些藻类菌株产生 50% 的脂质——可以直接转化为喷气燃料或绿色柴油的油。
  • 储存的能量。 玉米等陆地植物可以转化为乙醇,燃烧时热量更少,仅提供汽油 MPG 的 64%。 藻类将阳光、二氧化碳和其他营养物质转化为长碳链,这些碳链可以转化为更强大的液体运输燃料,如 JP-2、喷气燃料和绿色柴油,每加仑的能量可能比汽油高 8% 到 30%。
  • 正能量。 用玉米生产乙醇是一种能量吸收器,因为它消耗的能量多于燃料提供的能量,主要是柴油和电力。 藻类可以使用最少或不使用化石燃料来生产燃料。
  • 可持续的。 土地作物消耗了大量即将耗尽的化石资源——肥沃的土壤、淡水、化石燃料、化肥和化石农业化学品。 藻类不与土地作物竞争资源,可以利用不会耗尽的丰富资源(包括阳光、废水和多余的二氧化碳)生长。
  • 生态积极。 现代谷物生产每英亩增加了 2.5 吨二氧化碳以及一氧化氮、颗粒物和烟雾。 每英亩作物侵蚀 2 吨土壤,这些土壤携带着污染湿地、河流和湖泊的养分和化学物质。 藻类种植仅向大气排放氧气,同时隔离二氧化碳并避免水土流失和生态系统污染。
  • 地理独立。 与土地作物不同,许多藻类生长在地球上最恶劣的环境中。 在封闭式和半封闭式生长系统中,藻类几乎可以在任何海拔、纬度、经度或地理环境中生长。

藻类是健壮的生物体,与陆基作物相比具有许多优势。 藻类仍然是地球上最不发达的生物。 驯化藻类以获得其诸多益处是 21 世纪最具吸引力的挑战之一。

第 5 章:藻类分类

Algae 是一种打破植物分类规则的活植物,因为它们以多种不同的形式进化——细胞、多细胞植物、细菌以及几乎无限的组合。 虽然不同的物种具有某些特征,但不同的藻类,即使是同一物种,在形状、大小、结构、组成和颜色方面也表现出非凡的多样性。

根据可用光能、营养物质、温度和酸度、pH 值等培养变量,单个藻类物种可能会在一天内改变形状、组成和颜色。 与所有生物类似,当藻类受到压力时,它们会切换到生存模式,从而改变细胞代谢的速度和组成。 压力源可能会导致藻类以牺牲蛋白质或碳水化合物为代价来储存更多的油,以供日后使用。 一些藻类似乎积累了更多的油,以便上升到水柱的顶部,在那里它们可以收获更多的太阳能。

将藻类分类为分类群遵循与陆地植物分类相同的规则。 陆地植物分类出现在藻类之前,因为在先进的显微镜之前无法看到许多纳米尺寸的藻类物种。 根据色素沉着、形状、结构、细胞壁组成、鞭毛特征、储存的产品和繁殖方法来区分主要的藻类群。

藻类显示出如此多的变异,即使在每个物种内,它们也表达了几乎所有分类规则的例外。 有趣的是,许多物种可以根据环境条件改变它们的繁殖方式。 当条件良好时,它们会进行有性繁殖。 当条件恶化时,它们能够使用一种或多种无性方法,例如细胞分裂、破碎或孢子。

自 1960 年代以来,通过电子显微镜观察藻类细胞微小差异的能力已经大大改变了分类。 随着新的差异化因素的发现,分类变化继续进行。

藻类与其他植物的区别在于它们通常:

  • 显示通过产生分子氧进行光合作用的能力,这与叶绿素的存在有关 a,b or c;
  • 没有专门的运输组织或器官,由相互连接的细胞组成,在生物体内的不同部位之间移动营养物质和代谢物;
  • 有性或无性繁殖以产生通常不受保护性多细胞亲本组织包围的配子。

陆地植物大约在 500 亿年前从藻类进化而来,并进化出专门的细胞来吸收和移动营养物质并进行繁殖。 藻类与高等植物的区别在于缺乏真正的根、茎或叶。 一些海藻,如海带,似乎有叶子,但它们是由与植物其他部分相同的细胞结构组成的假叶子。 科学家们认为,大型藻类——海藻——是与陆地植物平行进化的。

藻类文化收藏可在多伦多大学、加州大学伯克利分校、德克萨斯大学、哥本哈根大学、苏格兰海洋研究所、中国科学院、布拉格大学和世界文化收藏联合会获得。 大多数馆藏都提供成分和培养信息、文化销售、描述性细节和图片。 德克萨斯大学的优秀馆藏提供了广泛的可搜索参数。 这 藻类影像实验室 鲍灵格林分校免费提供藻类的数字图像,用于教育目的。

许多物种是单细胞和微观的,包括浮游植物和其他微藻,而其他物种是多细胞的,可能长得像海带等树木一样高。 藻类研究的藻类学包括对称为蓝绿藻或蓝藻的原核形式的研究。 一些藻类还与地衣、珊瑚和海绵共生。 基本的单细胞生物藻类具有图中所示的一般外观。

藻类细胞

藻类细胞

真核绿藻(希腊语为“真正的坚果”)植物的结构就像一个坚果,外壳保护着它们的遗传物质,遗传物质排列在细胞器中。 绿藻创建具有特定功能的离散结构,并具有双膜结合核或核。 蓝绿藻、蓝藻的原核细胞不含细胞核或其他膜结合细胞器。

藻类即使不是动物,也可以是活泼的小动物。 许多人会游泳,例如鞭毛藻,它们具有称为鞭毛的小鞭状结构,可以拉动或推动它们穿过水面。 一些藻类向前挤压身体的一部分并沿着固体表面爬行。 一些藻类甚至可以形成可以检测光的眼芽,这对它们的能量供应至关重要。

其他物种由细丝制成,细胞从头到尾连接。 有些聚集在一起形成菌落,而另一些则独立漂浮。 海藻几乎可以生长成任何形状,例如锥形、管状、细丝或圆形。 藻类形成的形状比陆地植物多得多,并且可能会改变形状或结构以适应当地条件。 细胞复杂性的主要步骤发生在从病毒到细菌,然后从细菌的原核细胞到藻类的真核细胞的进化过程中。 细胞壁使藻类能够保护自己免受周围环境的影响,通常是水和压力,称为渗透压。

藻类细胞壁

藻类细胞壁

由于溶液浓度的差异,细胞壁调节由试图通过其半透膜流入或流出细胞的水产生的渗透压。 藻类通常具有由纤维素、糖蛋白和多糖构成的细胞壁。 一些物种具有由硅酸(硅)或海藻酸组成的细胞壁。

例如,红藻是一大群约 10,000 种多细胞海藻,包括海藻。 其中包括珊瑚藻,它们与珊瑚共生,分泌碳酸钙并在建造珊瑚礁方面发挥重要作用。 红藻如dulse (掌叶棕榈) 紫菜(nori 或 gim)是欧洲和亚洲美食的传统组成部分,用于制作其他产品,如琼脂、角叉菜胶和其他食品添加剂。

广泛的藻类分类包括:

  • Bacillariophyta — 硅藻
  • Charophyta — 石苔
  • 叶绿 - 绿藻
  • Chrysophyta - 金藻
  • 蓝藻——蓝绿色
  • Dinophyta - 甲藻
  • 褐藻——褐藻
  • Rhodophyta - 红藻
硅藻、石苔和甲藻

硅藻、石苔和甲藻

绿藻与叶绿体一起进化,叶绿体能够进行光合作用并大大提高可用的 O2. 蓝绿藻获得了最近的大部分研究,因为许多受过细菌研究训练的科学家已经开始研究这种植物的商业价值,将其归类为蓝绿藻和细菌; 蓝藻。

原绿球藻,一种蓝绿藻,可能是地球上最小的生物,只有 0.6 微米(百万分之一米),但却是地球上最丰富的生物之一。 一滴水可能含有超过 100,000 个这样的单细胞生物。 麻省理工学院的莎莉·奇泽姆 (Sallie Chisholm) 研究了原绿球藻,并表示数以万亿计的这些微小细胞构成了看不见的森林,并提供了海洋中大约一半的光合作用。

藻类分类

分类群 叶绿素 类胡萝卜素 存储产品
芽孢杆菌 a,c β-胡萝卜素,±-胡萝卜素很少岩藻黄质 叶绿素油
绿藻(绿藻) a,b β-胡萝卜素,±-胡萝卜素很少 胡萝卜素和番茄红素,叶黄素 淀粉、油
金藻(金藻) a,c β-胡萝卜素、岩藻黄质 叶绿素油
蓝藻(蓝绿藻) a,c β-胡萝卜素、藻胆素
Phaeco phycophyta(褐藻) a,c β-胡萝卜素,± 岩藻黄质,紫黄质 海带多糖、可溶性碳水化合物、油
甲藻(甲藻) a,c β-胡萝卜素、peridinin、新perididnin、地黄质、新地黄质。 淀粉、油
Rhodo phycophyta(红藻) a、很少 d β-胡萝卜素、玉米黄质、±β-胡萝卜素 佛罗里达淀粉,油

 

颜色
通常与藻类相关的绿色来自叶绿素,但藻类也含有多种颜色的色素,尤其是青色、红色、橙色、黄色、蓝色和棕色。 有些品种是无色的。 绿藻看起来是绿色的,因为绿色是它不吸收的唯一颜色。 红藻吸收全光谱的颜色并反射红色。 红藻可以在海洋中比大多数其他物种生长得更深,因为它们能够吸收穿透海洋深处的蓝光。

藻类使用色素来捕捉阳光以进行光合作用,但每种色素只在很窄的光谱范围内发生反应。 因此,藻类会产生各种不同颜色的色素来捕获更多的太阳能。 藻类将光导入叶绿素 a,将光能转化为有机分子的高能键。

绿藻、蓝藻和红藻

绿藻、蓝藻和红藻

藻类为以它们为食的食草动物提供颜色。 藻类使著名的巨树懒的白色皮毛呈现绿色。 藻类生活在北极熊的空心毛发中,为火烈鸟提供粉红色的色素,它们在虾和藻类中都可以食用。 类似的藻类类胡萝卜素使鲑鱼呈现粉红色。

几年前,亚利桑那州的 Palo Verde 核电站将一只粉红色的火烈鸟吸引到其冷却池中。 这只可怜的鸟变白了,引发了全球媒体对可能的辐射泄漏的猜测。 幸运的是,一位生物学家发现池塘中藻类中缺乏足够的β-胡萝卜素来维持鸟的粉红色。 火烈鸟飞到另一个有藻类的池塘,很快就恢复了粉红色。

藻类可能与真菌共生,形成地衣——岩石和树木向阳面的彩色粗糙材料。 藻类和真菌相互依赖,因为藻类为植物生产食物,作为交换,从真菌中获取水和矿物质。 这种真菌还提供了防止干燥的关键保护——在阳光下干燥和死亡。

藻类地衣植物用于颜料和染料的使用早于凯撒大帝。 罗马束腰外衣的经典红色来自从称为 urchilles 的地衣中提取的色素。 罗马妇女很看重这种植物,并用它作为胭脂,让她们的脸色更加鲜艳。 几乎所有现代化妆品都含有藻类成分,以改善颜色、乳化和/或保湿。

第 6 章:藻类选择

A藻类生产商为藻类生物质中生长的有价值的化合物选择特定的藻类菌株。 藻类生物质主要包括用于生产生物燃料的脂质、用于食品、饲料和营养品的蛋白质以及可制成一系列产品的淀粉和碳水化合物。

脂质是长碳链分子,为植物储存能量并作为细胞膜的结构成分。 脂质是使植物更具浮力的油,从而使其沿着水柱向上移动以获取太阳能。 一些藻类物种的天然脂质产量非常高,例如干重的 80%,但它们生长非常缓慢。 其他物种生长非常快,自然储存约 20% 的脂质,但当受到营养限制时,储存约 40% 的脂质。

蛋白质是由氨基酸组成的大型有机化合物,排列成由肽键连接的线性链。 植物的遗传密码决定了氨基酸的序列,但营养限制可能会导致氨基酸生产发生变化。 大多数蛋白质是催化生化反应和植物代谢的酶。 其他蛋白质维持细胞形状并在植物内提供信号功能。

藻类利用光合作用和太阳能从二氧化碳中产生葡萄糖。 葡萄糖主要以淀粉颗粒的形式储存在叶绿体和淀粉体等质体中。 藻类可以制造水溶性葡萄糖、植物糖,但要消耗相当大的空间。 藻类适应了以淀粉的形式制造葡萄糖的能力,这种复杂的碳水化合物是不可溶的并且可以紧凑地储存。 淀粉是人类饮食中最重要的碳水化合物,藻类碳水化合物可以替代玉米、小麦、土豆或大米等粮食面粉。 淀粉也可以发酵成多种酒精或生物燃料。

前进的道路基于 水生物种计划 其他藻类生产研究的经验表明,用于生物燃料生产的健壮藻类物种需要以下特性:

  • 产生高且恒定的脂质含量。
  • 持续生长,这需要克服藻类培养常见的稳定性问题。
  • 表现出高光合作用效率。
  • 随着季节性气候差异和温度的每日变化而增长。
  • 从容器侧面或底部的附着物产生最少的污垢。
  • 易于收获和提取具有柔软或灵活细胞壁的脂质。

藻类种植者可以从德克萨斯大学、多伦多大学、加州大学伯克利分校、哥本哈根大学、苏格兰海洋研究所、中国科学院、布拉格大学和世界文化收藏联合会提供的文化收藏中选择和购买物种. 大多数馆藏都提供文化销售、构图和图片。 藻类画廊 史密森尼国家自然历史博物馆提供了大量关于藻类的信息以及与藻类遗址的链接。

物种之间的组成差异很大。 一些藻类含有 80% 的脂质,而另一些则产生 60% 的蛋白质,还有一些是 92% 的碳水化合物。 物种选择不仅对于所需的组成至关重要,而且对于在物种和菌株之间差异很大的许多结构和生长变量也很重要。

不同藻类的组成差异

不同藻类的组成差异

当藻类营养有限时,例如氮、磷或硫,它们会减少必需多不饱和脂肪酸的产生,并可能产生具有较少氨基酸的低质量蛋白质。 营养缺乏可能会导致藻类增加脂质生产,但通常会减慢或停止繁殖和生长。 生物工程师正在研究可以在不缺乏营养的情况下增加脂质的藻类。 几个研究实验室已经创造出无需收获即可分泌油的转基因藻类菌株,从而实现连续生产。 避免收获和石油提取消除了大量的时间和成本因素。

藻类品种提供了几乎无限的特征组合。 通过对天然生物、生物工程和杂交的选择筛选,正在增强特殊属性。 藻类专家喜欢 Drs。 Milton Sommerfeld 和 Jerry Brand 已投入数十年时间在湿地、湖泊和沙漠中寻找具有理想特性的天然藻类。 Bruce Rittmann 博士致力于对藻类进行基因改造以生产更多的油或其他高级化合物。 许多藻类生产者致力于通过交叉受精来杂交藻类菌株,以最大限度地提高所需的生长特性、易于收获和提取以及所需的化合物。

每种藻类提供不同比例的脂质、淀粉和蛋白质,见表 1。一些藻类蛋白质含量高,而其他藻类主要是淀粉或脂质。 培养的变化可能会显着改变藻类生物质的组成。

表 1. 各种藻类的组成(占干物质的百分比)

藻类 血脂 蛋白质 碳水化合物
圆柱鱼腥藻 4-7 43-56 25-30
丝瓜 3 62 23
极大节肢动物 6-7 60-71 13-16
布氏葡萄球菌 86 4 20
莱茵衣藻。 21 48 17
椭圆小球藻 84 5 16
蛋白核小球藻 2 57 26
小球藻寻常型 14-22 51-58 12-17
杜氏盐藻 6 57 32
细叶藻 14-20 39-61 14-18
小扁虱 22-38 30-45 25-33
紫菜 9-14 28-39 40-57
斜栅藻 12-14 50-56 10-17
螺旋藻 4-6 46-630 8-14
极大螺旋藻 6-7 60-71 13-16
水绵属 11-21 6-20 33-64
螺旋藻 4-9 46-63 8-14
聚球藻属 11 63 15

 

藻油的不饱和脂肪酸含量极高,各种藻类提供:

  • 亚油酸,一种不饱和的 omega-6 脂肪酸,用于肥皂、乳化剂、速干油和各种美容助剂。 保湿特性是重要的皮肤疗法,用于平滑和保湿、抗炎和减少粉刺。
  • 花生四烯酸,一种也存在于花生油中的 omega-6 脂肪酸。 本品缓和炎症,对中枢神经系统的运作起重要作用。
  • 二十碳五烯酸, omega-3 脂肪酸,具有与鱼油相同的好处,当然鱼油来自藻类。 研究表明,EPA 可以改善大脑活动,减少抑郁和适度的自杀行为。
  • 二十二碳六烯酸,一种 omega-3 脂肪酸,通常存在于鱼油中,是大脑和视网膜中含量最丰富的脂肪酸。 DHA 缺乏与认知能力下降和增加神经细胞死亡有关。 DHA在严重抑郁症患者的大脑皮层中耗尽。
  • γ-亚麻酸, 一种存在于植物油中的 omega-6 脂肪酸,最早是从月见草中提取的。 它作为膳食补充剂出售,用于治疗炎症和自身免疫疾病。 正在研究其对癌症的治疗价值,以抑制肿瘤的生长和转移。

藻类成分通常存在于食品成分中。 一个使用普通乳制品的普通家庭可能会发现他们的食品购物车中 70% 的物品都含有藻类成分。 构成几种红色和棕色海藻细胞壁的角叉菜胶是线性多糖家族。 角叉菜胶细胞壁材料是一种胶体,用作稳定剂或乳化剂,通常存在于乳制品和烘焙产品中。

琼脂。 这种物质是一种多糖,几乎可以固化任何液体。 琼脂是一种胶体剂,用于增稠、悬浮和稳定。 然而,最引人注目的是其在低温下形成热可逆凝胶的独特能力。 琼脂自 17 世纪就在中国使用,目前在日本、韩国、澳大利亚、新西兰和摩洛哥生产。

洋菜

洋菜

今天,琼脂作为一种类似明胶的培养基为全球科学家提供服务,用于科学和医学研究中的生物生长。 琼脂在制药工业中广泛用作泻药或作为需要缓慢释放药物的药物产品的惰性载体。 细菌学和真菌学使用琼脂作为生长培养基中的硬化剂。

琼脂还用作乳液的稳定剂和化妆品皮肤制剂、软膏和乳液的成分。 它用于照相胶片、鞋油、牙科印模模具、剃须皂、洗手液和制革工业。 在食品中,琼脂用作明胶的替代品,用作面包和糕点中的抗干燥剂,也用于胶凝和增稠。 琼脂用于制造加工奶酪、蛋黄酱、布丁、奶油、果冻和冷冻乳制品。

Nori 是海藻的日语单词,在世界各地都很流行,尤其是在亚洲,它有多种名称,如海带、裙带菜、海带、海带和 limu。 苏格兰厨师称其为 dulse,爱尔兰人称他们的产品为 dilisk。 Amanori 特别是那些由紫菜类制成的食物,因为它含有必需的氨基酸、维生素和矿物质。 在韩国,紫菜被称为 kim 或 lavor。 它提供不含与西方饮食相关的糖和脂肪的健康食品。

自史前时代以来,内陆的野生藻类就因其新鲜的味道和营养价值而被收集和食用。 最常见的一种,nostoc 由长串珠链组成,形成细丝的凝胶状聚集体。 单个细丝是微观的,但聚集成各种大小的小球,看起来类似于葡萄。

诺斯托克

诺斯托克

螺旋藻的微观细丝不会形成椭圆形球体,但通常会聚集成漂浮的团块,被风推向岸边。 其他藻类物种表现为自由漂浮的团块或细丝,在快速移动的水中附着在岩石上。 粉状螺旋藻在总蛋白质和可用蛋白质方面均领先于大多数传统食品。 只有家禽和鱼类具有超过 45% 的可用蛋白质。 螺旋藻搭配蛋白质含量为 30% 至 45% 的肉类和乳制品。 螺旋藻和发菜提供的蛋白质重量比任何其他蔬菜都多。 地升营养品 每年在其位于南加州 500 英亩的农场生产 100 吨可食用螺旋藻。

地出农场

地出农场

藻类物种的选择将继续成为藻类生产者的关键问题,因为正确的物种选择可以提高种植、收获、提取和所生产产品的价值。 幸运的是,藻类物种收藏提供了有关其收藏物种的广泛信息,并使这些物种能够以适中的成本可靠地获得。

改编自: 绿藻战略:终止石油进口和设计可持续食品和燃料, 2008.

第 7 章:藻类养殖

Algae 在开放式、封闭式或半封闭式系统中生长,位于圆形、长形或管状罐中,最大限度地使整个生物质获得阳光。 除非发生混合,否则生长仅发生在生长培养基的顶层,大约两英寸。 新的细胞生长阻挡了下面植物的阳光。 半连续混合对于给所有藻类足够的光是必要的。 一些生产系统将光源放置在水中或水中以增强阳光。

生长的发生基于许多变量,这些变量不仅限制生长,而且可能改变藻类成分。 主要变量包括以下内容。

光: 通常阳光能提供足够的光,但人造光也能发挥作用——尤其是对于室内种植系统。 一些生长系统可能会倾斜以优化太阳和反射光的方向。 一些生产商正在试验使用镜子或玻璃电缆的弯曲光,而其他生产商则使用 LED 灯来最大限度地减少能源消耗。

混合。 由于大多数生长发生在面向光源的表面的顶层,因此混合势在必行。 每个细胞在吸收 CO2 和呼出 O2 时都需要在它们的明暗生长期进出光。 藻类比水重,并且会在不混合的情况下从它们的光源下沉。

藻类生长得如此之快,它们在静止的水中很快就会受到营养限制。 它们无法移动和觅食,因为它们通常没有推进力。 混合为每个藻类细胞带来营养和二氧化碳,并提供间歇性光照。 混合还有助于将 O2 从水中释放到大气中。 过多或过少的混合都会阻碍生长,而粗略的混合方法可能会因剪切应力而造成细胞损伤。

一些藻类进化出了两个有趣的分化特征:鞭毛和眼斑。 在特定的生长阶段,一些藻类会长出鞭毛,鞭毛是身体的细长突起,就像精子尾巴一样,以鞭状运动来推动藻类。 眼点识别光线,鞭毛将植物推向光线。 运动非常缓慢,可能每小时一英寸。

水。 藻类在几乎任何种类的水中都能很好地生长。 他们特别擅长利用光合作用将废水中溶解的营养物质和金属转化为绿色生物质,在那里可以去除和回收金属。 生产系统可以使用废水、灰水和盐水或海水,具体取决于种植的物种。 不断增长的系统可以回收水,因此唯一的损失来自蒸发。

二氧化碳 大约一半的微藻生物质干重是碳,通常来自 CO2 或碳酸盐,并在白天连续供给。 每 100 吨藻类生物质大约固定 183 吨二氧化碳。 藻类最喜欢的食物 CO2 需要以气体或碳酸氢盐形式添加,因为养殖的藻类生长速度太快,无法从水中吸收足够的 CO2。 大多数水在 CO2 中太稀,无法进行高产量。 压缩空气与高达 2% 的二氧化碳混合,通常为藻类光合作用提供碳。 工业 CO2 或废烟道气是典型的来源,但一些燃煤发电厂会过度生产硫,这可能会抑制藻类的生长。 一些生产商如 Solazyme 使用乙酸或葡萄糖形式的有机碳源。

营养成分。 藻类用与陆生植物相同的肥料养活它们的生长,但肥料可能来自对陆生植物来说太咸的废物流。 与玉米等粮食谷物相比,藻类生长每磅生物质消耗的氮和其他肥料要少得多,而且营养物质的应用更容易且成本更低。 藻类利用溶解的化肥或废物流养分的效率远高于陆生植物,因为微小的单细胞藻类直接消耗养分,无需长距离运输养分。 未使用的肥料也可以与循环水一起重复使用。

pH值 水的酸度可能特定于产生的藻类类型。 控制水的 pH 值代表了阻止竞争藻类生长的好策略。 由于高光合作用活动,水的 pH 值可能在中午最高,这会消耗最大的 CO2。

稳定性。 保持稳定的增长环境存在高速增长的困难。 生长培养基可能会保留过多的任何养分或 O2,这可能会对植物造成压力和/或成分变化。 一些生产商捕获释放的 O2 并将纯气体作为增值产品出售。

藻类养殖生产
藻类生物质生长在称为生物工厂或栽培藻类生产系统 (CAPS) 的池塘或容器中。 为藻类培养提供水、无机养分、二氧化碳和光以促进生物量生长。 藻类更喜欢不太亮的漫射光,因此一些系统使用阴影来限制光并漫射它。 各种物种在特定温度下生产最佳,因此一些系统使用生物工厂外部的循环水来保持最佳温度。

尽管 CO2 可能占生产成本的 5% 左右,但通过将生物工厂选址在产生 CO2 的发电厂或制造厂附近,可以将成本降至最低。 养分可以从废水、从藻池中回收或收获的肥料中提供。 去除藻油后,剩余的生物质含有相当多的营养物质。

生物质增长

生物质增长

封闭系统的优势在于可以通过系统循环高营养水。 这种做法显着降低了添加营养素的成本。 它还可以最大限度地减少蒸发造成的水分损失。 使用高盐度水(例如农业废水或盐水)的藻类养殖系统会产生含有大量盐分的生物质,这些盐分需要在副产品提取过程中去除。 一些商业模式表明使用藻类从工业废水中提取重金属,然后提取并在化学品市场上出售。

可以通过过滤、离心或絮凝每天进行收获。 悬浮在肉汤中的细胞与水分离,残留的营养物质被回收用于生物质生产。 从回收的生物质中提取藻油并转化为生物柴油。 一些非油生物质可用作动物饲料、肥料和其他副产品。

部分用过的生物质经过厌氧消化产生沼气,产生电能,为生物质混合和水输送提供动力。 厌氧消化的流出物可用于更多的藻类生产或作为营养丰富的灌溉水。 沼气产生的大部分电力用于生物质生产,任何多余的能源都可以出售给电网。 一些系统使用带有光伏电池的太阳能电池板将太阳能直接转换为电能,电能通常直接使用或储存在电池中。

藻类养殖生产系统

藻类养殖生产系统

在连续培养中,以恒定速率加入新鲜培养基并取出相同数量的微藻肉汤。 喂食在夜间停止,但继续混合以防止生物量沉降。 白天产生的生物质中有多达 20% 可能会在夜间消耗以维持细胞直到日出。 夜间生物量损失取决于生长光照水平、生长温度和夜间温度。 一些生产系统正在尝试使用夜灯来提高生产力。

微藻含有高但可变百分比的关键常量营养素:通常为 20-50% 的蛋白质、5-30% 的碳水化合物和 10-30% 的脂质,以及约 10% 的灰分或废物。 可以通过物种选择、不同的生长条件或通过在不同生长阶段收获藻类来修改每种营养素的比例。 大多数物种都富含氨基酸并提供多种色素。 多糖的糖成分变化很大,但大多数种类的葡萄糖含量很高,为 20-87%。 微藻含有大量微量营养素和抗氧化剂,如维生素、抗坏血酸、核黄素、类胡萝卜素和各种新型脂质。

在将油组分用于生物燃料后,剩余的高蛋白生物质可以去湿并以方便的形式储存,例如不需要冷藏并且保质期为大约两年的饼。 藻饼可分离成各种食品、食品配料、饲料、肥料、精细药物或其他成分。

藻类成分、产品和用途

藻类成分、产品和用途

用于食品、燃料、药物或其他副产品的藻类生产可以是碳中性的,因为生产和加工藻类所需的动力可以来自于厌氧消化油提取后剩余的生物质残渣所产生的甲烷。 混合和收获的适度能源需求也可能来自其他非碳资源,如风能、地热能或太阳能。

收获的生物质具有极强的延展性,因为它可以以与玉米、小麦、大米或大豆产品相同的形式储存。 这些包括富含蛋白质的牛奶、任何大小、形状或质地的软泥、玉米饼、饼干或面粉。 生物质可制成添加纤维的组织化植物蛋白,或挤压制成肉类添加剂,以提高水分保持力并增加蛋白质,同时降低脂肪。

我们未来的食物很可能富含藻类和来自藻类的高级化合物。

改编自: 绿藻战略:终止石油进口和设计可持续食品和燃料, 2008.

第 8 章:藻类使我们成为人类吗?

Algae 在 3.5 亿年前通过转化炎热而致命的二氧化碳拯救了我们的星球2 和甲烷大气,以提供足够的氧气来维持生命。 仅在 2 万年前,藻类可能通过提供引发人类大脑增大的微量营养素,完成了另一项令人难以置信的壮举。 大脑比黑猩猩大三倍,区分了我们 智人 来自他们的前人类和灵长类表亲的祖先。

大约 2 万年前,一种神秘的营养来源引发了大脑扩大和脑部发育。 科学家们一致认为,早期的类人猿必须找到一种比他们之前的灵长类动物的坚果、树叶、树皮、枝条、根和昆虫的饮食更丰富的更有活力的饮食。 新饮食需要富含重要营养素,尤其是蛋白质和 omega-3,以支持大脑扩大。 教科书建议尽早 智人 通过扩大他们的饮食以包括稀树草原野味肉,这可以提供发育和支持更大的大脑所需的能量和营养,从而迈出了脑瘫的一步。

然而,获得肉类需要小脑(比黑猩猩的大脑稍大)和骨瘦如柴的早期人科动物与野生动物竞争获取肉类。 早期的 智人 为直立行走牺牲了肌肉质量、大小和速度,大脑大小略有增加。 野味肉类场景忽略了与具有专门清道夫和狩猎技能的更大、更快、更强壮的野生动物竞争相关的大量能量和生存风险。 2 万年前的非洲掠食者是今天的两倍。

在狩猎武器或烹饪火被发明之前,人类大脑已经扩大了一百万年。 早有 智人 没有武器猎杀肉,他们很可能会成为食物链。 即使他们找到了肉,他们也没有牙齿来撕下或咀嚼生肉。 他们的胃无法消化生肉,这可能会让他们腹泻得厉害。 富含 omega-3 的营养、安全、方便和易消化的食物来源必须先于野味消费,才能允许大脑扩大的初始阶段。

早期的小脑智人

左:早期的小脑智人。 右图:强大的剑齿虎。

脂肪酸ω-3
DHA 包含 27% 的多不饱和脂肪和 97% 的大脑中的 omega-3 脂肪酸。 花生四烯酸 (ARA) 是一种 omega-6 长链多不饱和脂肪,占大脑中 35% 的多不饱和脂肪和 48% 的 omega-6 脂肪酸。 DHA 和 ARA 一起占大脑结构脂肪的近三分之二。 它们对于正常的大脑发育和功能以及眼睛和心脏的运作都是必不可少的。 这些脂肪酸集中在负责复杂思维技能的大脑区域——对获取食物至关重要。

哺乳动物从饮食前体合成 DHA 和 ARA 的能力有限,因此脂肪酸可能是限制大多数哺乳动物谱系进化更大大脑尺寸的限制性营养素。 非洲稀树草原、草、谷物、块茎和坚果上的野生植物性食物所含的 ARA 和 DHA 可忽略不计。 野生非洲反刍动物的肌肉组织和器官只能提供中等水平的这些关键脂肪酸。

食物链下游
早期类人猿的第一步可能不是沿着食物链向上移动到野味,而是在他们摄入饮用水中的藻类时进入了食物链的下游。 食用藻类可能是有意的,但更可能是偶然的,因为微小的藻类细胞只有在它们使水变绿的意义上才可见。 裂谷中的湖泊和湿地是人类开发出更大大脑的地方,是地球上一些最古老的湖泊和湿地的所在地,这些湖泊和湿地产生了大量富含蛋白质和营养丰富的螺旋藻的天然林分。 螺旋藻是当今市场上最畅销的藻类营养补充剂,因为它提供了一套完整的必需营养素。 位于藻类湖背风侧的一个类人猿部落可能每天从饮用水中摄取数克藻类。 这几克藻类不会为完整饮食提供足够的粗饲料或蛋白质。 藻类本来可以作为一种天然食品补充剂,提供必需的营养素、维生素和抗氧化剂,为脑病提供绿色火花。

智人 可能是被绿色的甜水所吸引,因为它们清淡、干燥和坚韧的饮食几乎没有甜味。 藻类会吸引多种其他营养微生物,包括酵母、真菌、细菌、病毒和其他可提供额外营养价值的微生物。 摄入后,藻类会通过适度的葡萄糖释放产生饱腹感,这对于有饥饿婴儿的母亲来说是天赐之物。 藻类还促进消化,因此母亲可能会确保他们的后代在饭后饮用富含藻类的绿色甜水。 在湖泊和湿地的背风侧,风将藻类吹成垫子,用手一扫就可以轻松收获。 这些浓缩的藻类可能因其甜味和蛋白质价值而具有吸引力。

随着他们的大脑变大,早期 智人 可能通过利用水生生态系统为富含藻类蛋白质和营养物质(如无脊椎动物、贝类和鳍类鱼类、昆虫和两栖动物)的藻类饲养者扩大饮食。 藻类养分可在当地全年获得,并且易于收获、即食或晒干并储存以备后用。 藻类可能是最初的美味方便食品,提供健康蛋白质和全套关键氨基酸、支持大脑和身体发育的必需脂肪酸以及关键的维生素和矿物质。 非洲的土著居民继续从漂浮在水面上的垫子上收获藻类,用作营养补充剂。

妇女收获藻类

妇女收获藻类。 《人性绘画》,1978 年 XNUMX 月,Peter Furst。

健康
早期的人类大脑并不是唯一受益于藻类的身体部位。 今天,全球公共卫生中四种最普遍的缺乏症是:营养不良、营养性贫血(铁和 B12 缺乏症)、 干眼症 (维生素 A 缺乏症)和地方性甲状腺肿(碘缺乏症)。 这些营养缺乏中的每一个都会对既没有狩猎武器也没有狩猎技能也没有烹饪火的前人类构成挑战。 森林和热带稀树草原的植物性食物,尤其是在冬季和春季,会导致早期人科动物严重缺乏营养。 如果不通过烹饪火来软化细胞壁并释放坚果、谷物、芽和根等食物中的营养物质,那么大部分营养价值就会在早期流失。 智人.

即使当地饮食不能提供足够的维生素 A、碘、铁、锌和其他营养物质,这种微小的藻类补充剂似乎也不太可能。 通常,这些关键微量元素存在于当地水中,但稀释程度极低。 人们,尤其是儿童,无法喝足够的水来获取足够的碘。 在许多生态系统中,可供饮用的淡水很少。 藻类具有高营养价值的秘诀在于它能够在 1,000 倍于环境水平的水中生物积累营养。 这意味着即使人类饮食中可能缺乏某些营养素、矿物质或维生素,藻类也可以将这些营养素浓缩到绿色生物质中.

一旦类人猿的大脑和身体达到临界质量, 智人 扩大他们的饮食并最终成为猎人。 狩猎武器的第一个化石记录只有 400,000 年的历史。 狩猎武器和炊具的加入使饮食更加多样化,现代人的大脑、交流与合作得以发展。

成为人类的饮食路径可能不是收获稀树草原野味肉的食物链上的一步。 更有可能的是,我们的祖先为了藻类的营养价值,尤其是 omega-3 脂肪酸,首先沿着水生食物链向下走两步。 在他们的大脑因藻类营养而扩大后,我们的祖先准备在陆地营养食物网中迈出一大步,收获野味。

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