藻类基础知识

互推小编 2023-04-21

藻类基础知识

第一章
拯救我们星球的微小植物

第二章
海藻是怎么回事？

第三章
藻类历史和政治

第四章
海藻的竞争优势是什么？

第五章
藻类分类

第六章
藻类物种选择

第七章
藻类培养

第八章
藻类让我们变成了人类吗？

藻类将二氧化碳转化为植物键并释放出氧气

马克·爱德华兹博士的藻类基础知识

第一章:拯救我们星球的微小植物

Algae拯救了我们的星球，将我们的大气层转化为氧气，让生命得以存在。海藻通过提供地球上第一份食物再次拯救了我们。海藻能再次拯救我们的星球吗？

早期的地球既不支持生物也不支持食物。大约37亿年前，因为地球表面太热，没有氧气，所以没有生命存在。地球的大气层由一层致命的吸热CO₂和甲烷气体组成。

化石记录显示，一种微小的植物出现在原始汤里，并做了一件非凡的事情。这种植物吸收了太阳能，并利用化学反应——光合作用——来分解CO₂和水分子。这个微小的植物通过从H₂O获得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。海藻已经开始改变大气。

自然发生，研究地球上的生命是如何出现的，使用了原始汤理论，并提出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，第一个植物细胞蓝细菌，也被称为蓝绿藻，只有一个纳米粒子的大小，5微米。这句话结尾的句号大概是500。

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惊人速度移动，将无法维持生命的恶劣二氧化碳大气转化为支持生命的氧气大气。藻类又花了30亿年才产生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5亿年前从藻类进化而来。

藻类在大气中的转化使得其他水生植物、鱼类、昆虫、陆生植物、两栖动物、爬行动物以及最终陆生动物得以发展。尽管微藻是我们星球上最小的植物，但每天藻类产生70%的大气氧气，超过所有森林和田野的总和。

海藻的第二份礼物——食物
藻类对我们富氧大气的贡献与这种微小植物的另一个天赋相匹配——充当食物链的基础。许多最早的植物和水生生物依赖藻类作为食物来源。从最小的浮游植物到地球上最大的哺乳动物，大蓝鲸，海藻都是营养丰富的食物，因为这种植物提供了丰富的蛋白质、矿物质和维生素。每天，当藻类捕获CO₂并释放纯氧时，绿色生物质为比地球上任何其他食物来源多100倍的生物体提供食物。

地球上的残酷条件意味着第一批藻类细胞不得不进化和再进化数百万次，因为它们的微环境因电风暴和酷热而崩溃，随后是冰冻和超高温岩石的流星雨。藻类表现出令人难以置信的持久性，并发展出多种多样的防御机制，使植物得以生存和繁殖。藻类为了生存而快速适应的能力导致了大约1000万种藻类，每一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底层，它们发展出了一种绝妙的生存策略——生长速度快于捕食者的速度。以藻类为食的食草动物吃很多但不是所有快速生长的植物。繁殖速度比掠食者吞噬它们的速度更快，这创造了巨大的竞争优势，确保了藻类的生存。藻类可能是第一顿免费的午餐，因为许多物种发展出了在中午之前将生物量翻倍的能力。一个藻类细胞可能在一天内产生一百万个后代。

藻类大量繁殖在古代海洋、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构成。孩子们在学校被告知原油来自恐龙，但恐龙在地球上游荡了大约2亿年，为时已晚，无法成为化石燃料的首选生物质。

大多数种类的藻类非常小，只有在显微镜下才能看到。然而，藻类可以以可见和可食用的形式聚集、成束、成簇或生长。藻类通常比水重，会沉淀下来，在池塘底部形成一层绿色的雪。随着藻类储存的能量在食物链中上移，藻类的绿色太阳能每天为数万亿生物的生长提供燃料。

被称为海藻或大型海藻的海藻通常生长成具有陆地植物外观的形式，具有假根、假干和假叶。这种平行进化使得海藻可以长到和树一样大。大型海藻经常被鱼类和哺乳动物直接食用，如海獭、海牛、海豚和鲸鱼。大型海藻为海洋提供了各种鲜艳的颜色，并提供了比食草动物能吃的多得多的生物量。

藻类生长在极地冰盖下的森林中，冰川下的土壤中，最炎热和最干燥的沙漠中，以及池塘、水族馆和水道中。藻类的简单性使得这些植物异常健壮；它们不仅能在极端恶劣的环境中生存，还能生产高价值的生物质。对于一种在数十亿年前的恶劣环境中生存下来的植物来说，今天地球上最恶劣的环境可能显得很温和。

丰富的投入
藻类利用丰富且通常过剩的输入，包括阳光、CO₂、废物、盐水或海水。藻类光合作用从周围的水中剥离CO₂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。这个过程向大气中释放出大量的纯氧。

藻类使用丰富而廉价的原料

在未经人类培养的自然环境中，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，因为产量通常会因营养限制或捕食者攻击而崩溃。与野生藻类相比，在池塘、水槽或容器中培养藻类能够显著提高生产力，因为可以提供足够的营养，并且可以控制或避免捕食者。

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，只能以稀释在水中的游离离子的形式存在。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，藻类有策略地适应，许多物种有能力从生物量或其他废物中消耗有机养分。

海藻会再次拯救我们吗？
不起眼的海藻通过在每磅海藻生物质中隔离两磅CO₂拯救了我们的星球。今天，我们的大气和海洋携带着大量来自人类化石燃料污染的CO₂。藻类可能通过减少大气碳负荷来再次拯救我们的星球。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，这种燃料可以回收大气中的碳，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、海浪、地热或海藻油等可再生资源时，碳中性燃料由海藻原料制成。

藻类燃料有一个显著的优势，那就是它们燃烧干净，没有黑色的烟灰颗粒。导致肺部疾病、呼吸系统疾病和癌症的黑色煤烟污染来自超过4亿年的藻类石化成原油、煤和页岩。海藻燃料在几周内就能生产出来，而且不会变成化石，所以它们燃烧起来很干净，就像它们的陆地近亲——植物油一样。

藻类有望为我们日益炎热、拥挤、饥饿和消耗能源的社会提供急需的解决方案。摆在我们面前的机遇是，以一种让全球人民参与进来的方式来培养藻类，从而生产可持续的、负担得起的食物和能源，满足当地家庭和社区的需求。

第二章:海藻是怎么回事？

螺旋藻饼干。图片提供:thedorkyfrench.com

海藻的价值链。
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。任何可以由陆地作物制成的食物、纤维或材料都可以由藻类制成，因为陆地植物是在5亿年前由藻类进化而来的。海藻提供了比陆地植物更广泛的颜色、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，因为化石燃料只是藻类化石或以藻类为食的生物。

藻类最有用的属性并不是我们可以从藻类中制造任何东西。海藻与陆地植物和化石燃料的区别在于海藻的食物、能量和副产品是如何制造的。我们的大气中CO₂超负荷，它被自然回收或被海藻隔离。随着全球变暖，粮食作物将会歉收，但藻类在高温下会繁茂生长。我们的世界没有足够的耕地种植粮食作物，但藻类可以在非耕地上生产补充食物和能源。

从全球来看，社会正经历着淡水的匮乏，然而藻类却在废水、盐水或海水中大量繁殖。我们已经过了石油峰值，藻类可以以比开采原油更低的成本提供液体运输燃料。农民面临着自然资源的严重短缺，如藻类可以回收的磷，以及从动物和人类废液中回收和再利用营养物。

藻类种植可以不使用或使用最少的化石资源生产有价值的生物质，这些化石资源与基于陆地的粮食作物竞争，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。将藻类生产集中在农场或城市垃圾处理场，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，将藻类生产放在碳源附近，如发电厂或水泥厂或啤酒厂，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CO₂和废物营养转化为有价值的糖、蛋白质、脂类、碳水化合物和其他有机化合物。

我们目前的食物和运输系统对空气、土壤和水有很大的污染。藻类可以生产碳中性的食物和燃料，具有积极的生态足迹。我们目前的燃料燃烧时会释放出肮脏的黑色煤烟颗粒，但海藻燃烧起来很干净。藻类燃料在几周内就被制造出来了，并且没有经历3亿年又深又脏的石化过程。海藻燃料燃烧清洁，因为它们本质上是植物油。

海藻是令人着迷的研究，因为根据权威教科书海藻作者:詹姆斯·格拉汉姆、李·威尔库克斯和琳达·葛拉罕，估计存在1000万种藻类。它们所有的特殊化合物中可能有90%仍有待发现、描述和培育。藻类产生的化合物比陆地植物或动物多得多，因为藻类的种类比其他生物多得多。藻类受益于比陆地植物多30亿年的适应和进化，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。

藻类成分已经融入到我们的食物、饲料、化妆品和药品中。亚利桑那州立大学的市场篮子测试发现，消费者通常在超市购买的近70%的产品含有藻类成分。大多数人不直接食用藻类，而是喜欢食用由藻类成分制成的产品，包括:代替小麦、玉米或大豆粉的藻类粉；海藻油比玉米油更健康，脂肪含量更低，海藻营养素如Omega 3s。

低热量，美味的海藻巧克力将使消费者拥有他们的蛋糕，吃它没有高热量的罪恶感。除了比陆地食物脂肪更低、营养更高之外，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。

巧克力海藻饼干
藻类在为人类关键需求提供产品和解决方案的价值链中具有独特的地位。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。

海藻的绿色承诺

食物

食物。藻类提供高蛋白、低脂肪、营养、健康和美味的人类食物。海藻比陆地植物提供更多的维生素、矿物质和营养物质，是一种天然的健康食品。藻类由于热量少，不能为营养不良提供全面的解决方案。
注意:藻类的食物价值将是次优的，直到找到一些关键问题的解决方案；使坚硬的细胞壁易于消化并产生较少的核酸。所有其他绿色承诺只等待宏观和微观规模的培养藻类生产系统。
食品配料。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、沙司、馅饼馅、蛋糕、糖霜、色素、溃疡治疗剂、助消化剂、眼药水、牙膏、护肤霜和洗发水。
饲料。藻类产生高蛋白、低成本、营养丰富的动物饲料，含有多种维生素、矿物质和营养物质。替代一半作为美国出口商品出售给动物的粮食将节省2000万英亩耕地和数万亿加仑淡水。当地村庄的藻类生产可以喂养数百万只动物，并且每年可以拯救2000万英亩的森林和草原免于因动物饲料而荒漠化。
渔业。藻类提供高蛋白；低成本，营养丰富的鱼饲料，维生素和营养素。藻类可以在原位生长，在水中生长的有鳍的鱼和有壳的鱼。鱼在海藻上比在陆地谷物上生长得更快，更有活力，因为鱼在它们的自然栖息地吃海藻。

燃料

燃料——生物柴油。直接从藻类生物质中压榨出的海藻油从阳光、二氧化碳和废水中生产出可再生和可持续的高能生物燃料。替代美国的乙醇产量需要200万英亩的沙漠，相当于一个亚利桑那州县的一半。用藻类代替玉米作为生物燃料原料，每年将节省4000万英亩耕地、2万亿加仑水、2 . 4亿吨土壤侵蚀和大范围水污染。
燃料——喷气燃料、乙醇和氢气。藻类可以生产包括汽油在内的多种高能液体运输燃料。虽然提炼通常比压榨海藻油需要更多的能源投入，但美国的乙醇提炼能力可能会过剩。藻类可以在化石燃料精炼厂中精炼成由化石燃料制成的相同产品，因为化石燃料仅仅是化石藻类。
化石燃料。替代美国的乙醇生产也将节省70亿加仑用于生产乙醇的化石燃料。将1/10的美国农业生产从肮脏的柴油转移到清洁的海藻柴油将清洁环境并每年节省200亿加仑化石燃料。用海藻油代替卡车、火车、轮船和飞机使用的一部分柴油，可以节省更多的化石燃料。
火——烹饪。烧火和用木头、杂草和粪便取暖产生的黑烟每年导致160万人因吸烟而死亡，1000万人因吸烟而残疾，其中大多数是妇女和儿童。清洁燃烧的高能海藻油可以结束吸烟死亡和许多吸烟残疾。用海藻油代替木材、粪便和农业材料将节省大量收集柴火的劳动力，并允许重新种植森林。

生态解决方案

淡水。让废水流过藻类植物来滋养植物并净化水质。使用废水或盐水生产燃料、饲料或肥料节省了原本用于陆地作物的水。用农业食品取代美国一半的食品出口将节省3000万英亩耕地、2万亿加仑水和50亿加仑化石燃料。
新鲜空气。使烟道气通过藻类培养去除发电厂或工厂中的CO₂、氮氧化物、硫和重金属如汞，隔离温室气体并净化空气。藻类仅代表部分解决方案，因为植物仅在有阳光的情况下生长，并且发电厂一天24小时运行。一些制作人报道了夜间生产的成长灯的成功。
肥料。固氮藻类可以以非常低的生产和能量投入成本提供高氮肥。该产品是天然的，支持有机食品生产，并能为全球农民提供廉价的当地肥料。海藻灰在烹饪用火中燃烧后保留了肥料的价值。
森林。高能海藻油燃料可以结束砍伐森林和草原来做饭和取暖的需要。村民们可能会在他们的森林中重新种植坚果树或豆科植物作为食物，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，可以制成纺织品、纸张和建筑材料。海藻纸和建筑材料拯救森林。织物为粮食作物节省了耕地，并提供了温暖。藻类可以制成可生物降解的塑料、生物燃料或其他精炼产品。
外援。美国对外援助提供美国补贴的粮食，破坏或摧毁当地的粮食生产，因为农民无法与美国补贴的粮食竞争。赠送食物未能解决饥饿和贫困的根源——当地对食物资源的控制和社区参与。外国农业援助将转让知识和一些启动材料，以在当地种植藻类食品、燃料、饲料、肥料和药物。
饥荒与救灾。海藻含有丰富的维生素和矿物质，可以激活免疫系统，抵御饥饿，同时提供燃料、饲料、织物、肥料和优质药物。当地农业生产救灾可以防止数百万人的社区饥饿。当地的藻类生产解决了食物分配的关键问题。
优质药品。高质量、负担得起的药品、疫苗和药物可由藻类副产品制成，或在藻类生物工程中生长，以生产高级化合物，如抗生素、维生素、营养制品和疫苗。这些化合物如今在陆地植物和动物中生长，因此藻类提供了显著更快和更低成本的生产。通过提供低成本疫苗或其他不需要包装或分销的药物，在当地村庄生长的特制藻类可以挽救数百万人的生命。优质药物，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更有价值。

自然界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点燃绿色淘金热，从藻类中生产高价值和可负担的食物、燃料、饲料、肥料和药物。

藻类食物产品可以创造丰富的食物和能源，同时减少对需要大量耕地、淡水、化肥和化石燃料的食物产品的需求。只给大气增加氧气而不污染当地生态系统的粮食生产将为环境带来非常积极的净收益。

改编自:绿色太阳能花园:海藻终结饥饿的承诺, 2009.

收获的螺旋藻作为食物。

第三章:海藻的历史和政治

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、动物饲料、农田肥料以及治疗割伤、擦伤和胃病的药物。干燥的藻类提供了第一种便携式方便食品，可能和白色贝壳珠一起在贸易中作为wampum使用。考古证据显示，地中海周围的早期尼安德特人吃海藻和贝类。

一个多世纪以来，藻类非凡的生产力被认为是解决全球饥饿的潜在方法。对藻类作为全球食物解决方案的兴奋已经出现了几次，每次都以不光彩的方式爆发。19世纪90年代，专家们担心托马斯·马尔萨斯关于人口增长将超过食物的预测，并推荐包括酵母、真菌和藻类在内的非传统食物来源。

第一次世界大战后，类似的倡议来了又去。科学家们继续寻找可持续的食物来源。第二次世界大战后，超过一半的世界人口处于贫困和饥饿状态，专家们推荐非传统农业作为摆脱马尔萨斯陷阱的一种方式。藻类成了最好的解毒剂，许多试验项目试图生产藻类。

1948年，研究人员宣布，他们能够在受控的实验室条件下，用廉价的材料培育出营养丰富的藻类。当在最佳条件下生长时——阳光充足、温暖、浅池塘，简单的CO₂—Chlorella将20%的可用太阳能转化为植物生物质，干燥后含有50%以上的蛋白质。与大多数植物不同，小球藻的蛋白质含有当时被认为是必需的10种氨基酸，并且富含卡路里、脂肪和维生素。

光学显微镜下的小球藻。照片:巴里·h·罗森博士

媒体对藻类的潜力热情洋溢煤矿工人杂志描绘了一个未来的农场，在自动化农场里，一圈圈粗大的玻璃管生产出成千上万吨的蛋白质。专家们不甘落后于记者们，创造了一些看似可信的场景，在这些场景中，藻类将以近乎零的成本解决世界粮食供应问题。

不幸的是，研究人员被墨菲定律绊倒了，所有可能出错的事情都出错了。小球藻不是很健壮，而是一种非常喜怒无常的生物，随着温度、密度、光线、pH值和营养物质的微小变化而停止生长。这种植物如此脆弱，以至于用离心机收割会破坏生物量，就像脱水所需的热量一样。小球藻坚硬的细胞壁使其难以消化，这增加了加热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的探索，但美国国家航空航天局在20世纪50年代研究了藻类作为长距离太空飞行中给宇航员提供食物的方法。在所谓的“藻类竞赛”中，苏联和美国的项目竞相开发一个自给自足的航空航天生命支持系统，该系统将利用藻类将宇航员的废物转化为清洁的空气、水，或许还有食物。科学家们无法解决污染和重量问题，该计划被取消。

作为这一努力的一部分，至少有一篇研究论文于1961年发表在营养杂志题目是“人类的藻类饲养”它总结了藻类作为人类食物的稀疏研究。美国陆军研究小组检测了来自日本的小球藻，这些小球藻生长在池塘中，收获、离心、洗涤、加热并真空干燥成绿色粉末。他们的分析显示其成分为:蛋白质:59%，脂肪(油类):19%，碳水化合物:13%，水分:3%，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克的藻类食物补充剂。所用的绿藻，小球藻，给补充的食物一种强烈的类似菠菜的味道。最容易接受的食物是饼干、巧克力蛋糕、姜饼和冷牛奶。较大的补充剂会引起胃部问题，但是在停止补充后症状消失了。该小组得出结论，干藻类可以作为一种食物补充，但在成为主要食物来源之前，进一步的加工是必要的。这些发现将藻类归为健康食品市场的一小部分。美国对藻类作为食物来源的研究几乎消失了。

对人类来说幸运的是，绿色革命始于20世纪50年代，海藻食品再次繁荣起来，这要归功于三个几乎同等重要的因素:

更强的灌溉用泵的发明
制造合成肥料的新技术
创造高产种子的分子遗传学进展

更强的水泵和更大的管道使农民能够大量抽取地下水用于灌溉。农民们还在他们的田地里堆积了更多的化肥、杀虫剂和除草剂。绿色革命已经开始，在廉价化石燃料和淡水不断侵蚀的基础上，粮食产量翻了一番。

由于粮食生产的进步，非农业的食物来源是不必要的。消费者受到科幻小说、记者和电影的影响，变得不信任非传统食物来源。

科幻小说的作者既普及了合成食品的概念，也预见了不利的消费者反应和意想不到的后果，如黑仔番茄还有弗兰肯食品。赫伯特·乔治·威尔斯的时间机器, 1895, 世界之战，1898年，和神的食物，1905年，奥尔德斯·赫胥黎的美丽新世界，1932年和沃德摩尔的比你想象的更环保，1947年，都警告反对生物技术万灵药。

H阿里·哈里森的腾出空间！腾出空间！1966年和保罗·埃尔利希的人口炸弹，在1968年阐述了无限制人口增长的可怕后果。哈里森的世界末日场景包括浮游生物、酵母和藻类作为饥饿人群的基本食物。小球藻有一种鱼腥味，因此营销人员决定生产一种改良版本，他们将其命名为Soylent Green。这导致了1973年电影改编哈里森的书，索伦特绿这表明藻类生物质培养不仅使用人类排泄物，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，污染了水源。温室效应加剧，增加了洪水、暴风雨和干旱。艺术的确模仿了生活。

的翻拍索伦特绿会让藻类产业倒退至少十年。当科幻小说作者激起公众对弗兰肯食品的恐惧时，人们正在他们的水族馆、游泳池和休闲水道中亲身体验绿色黏液。媒体急于传达藻类产生致命毒素的耸人听闻的危险，致命的赤潮和杀死许多生物的死亡区。

吉米·卡特总统启动了几个藻类项目，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。卡特藻类研究的最后一个残余，即为期18年的水生物种计划，被克林顿政府终止，因为他们做出了将R&D政府从藻类生物燃料转向玉米乙醇的政治决定。这一政策的不幸结果是，十多年来，大学及其教师无法获得研究藻类的资助。

藻类研究在20世纪90年代受到重创，当时国会无视科学，将美国生物燃料的未来押在玉米乙醇上。在一波绿色浪潮中，玉米获得了补贴和激励，承诺乙醇将是可持续的、可再生的、清洁的，并取代石油进口。现有的研究表明玉米乙醇与这些说法相反。每英亩玉米生产会侵蚀6吨土壤，污染地下水，释放2.5吨二氧化碳₂加上氧化氮、微粒和烟雾。2008年生产的90亿加仑乙醇抵消了不到3%的美国石油进口，代价是数十亿美元的补贴和环境污染。2005年的能源政策法案设定了可再生燃料标准，要求更多的可再生生产，但将藻类原料排除在可再生能源政策之外。

藻类在2008年作为生物燃料解决方案再次出现，出现了两个行业协会，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一些生物燃料企业家。2009年在圣地亚哥举行的藻类生物质组织峰会吸引了800多名与会者，并得到了国际媒体的报道。

藻类政治面临着一个充满挑战的未来，因为藻类必须在经济上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，但不是汽油、柴油或喷气燃料。藻类是未来50年内实现能源独立的唯一可行的解决方案，而液体运输燃料是船舶、飞机、卡车和飞机所必需的。

第四章:海藻的竞争优势是什么？

N纳米大小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37亿年。藻类的简单性使这些植物变得异常健壮——它们不仅能生存，还能在恶劣的环境中产生高价值的生物质。在良好的培养条件下，藻类生产蛋白质和能源生物质，每英亩产量比陆地植物多30至100倍。

藻类对地球上的生命至关重要，因为它们产生食物链底部的有机物。从最小的磷虾到巨大的蓝鲸，所有生物都吃这种生物量。藻类还产生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。

海藻是海藻的拉丁名称，以各种形状和大小出现。微藻是单细胞的微生物，宽度通常小于5微米。这句话结尾的句号大概是100。

藻类遍布地球，包括两个冰盖下。它们最喜欢的环境是潮湿的地方或水中，但是藻类在陆地和水生环境中都很常见。土壤、岩石、树木和冰中含有干燥的藻类细胞，许多仍然是有活力的。各种藻类在各种水中生长，这使它们成为控制污染的绝佳选择。

海藻约占藻类的10%，还有更大的物种生活在海洋环境中，如海带:褐色海藻可以长到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，珊瑚藻帮助建造珊瑚，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

远离海洋，大多数藻类不生活在水道中，而是生活在土壤中。藻类共生生活在陆地植物的根部，在那里它们分解土壤化合物，并使营养物质为植物所用。蓝绿藻，也被称为蓝细菌，也通过将大气中的氮固定在根瘤中或直接在植物表面来为作物服务。许多平原、山区和沙漠都覆盖着藻类结皮，它们可以保持土壤，为有根植物提供基础，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。

藻类外壳

各种藻类最大限度地利用不同的成分。一些种类提供超过50%的脂质(油)，其他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，几乎没有天然的气味或味道，因此该产品可以呈现所需的特征，例如任何气味、颜色、质地、密度或味道。藻类和大豆之间的盲品试验偏爱藻类，因为藻类没有未加工大豆的苦味和淀粉味。像粮食一样，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，可以制成食物、药物、疫苗、矿物质、动物饲料、肥料、色素、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。

藻类组成
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，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两亿多年前的石炭纪，当时处于高温高压条件下。从北海抽取的石油由被称为球壳藻的分解的触生藻类组成。藻类也是硅藻土、油页岩和煤的主要成分。埃及人用藻类形成的石灰石建造了他们的金字塔。

藻类优势
藻类每英亩30-100倍的年产量生产率优势主要是由于陆地和水基植物之间的差异。藻类以几乎无限的种类和菌株表达自己，这使它们成为一种独特的有机体。藻类和陆生植物有几个关键的区别。

藻类是生长在淡水、盐水、半咸水、海水或废水中的水基生物。陆地植物的生长需要淡水，因为大量的盐离子堵塞了它们的管道和根系，使植物缺乏水分和养分。海藻在盐水中繁盛，因为它们是在非常咸的古代海洋中进化而来的。盐离子对藻类没有问题，因为藻类没有根。

在地球上的几十亿年中，藻类发展了重要的生长、繁殖和生存策略。陆地植物仅在5亿年前从藻类进化而来，需要一个完整的生长季节，120-140天来为新一代产生种子。在陆地植物生长一代的时间里，藻类可以繁殖几百万代，因为藻类没有生长季节。藻类在许多方面与陆地植物不同。

藻类的竞争优势

上层建筑。陆地植物将大部分能量用于建造纤维素结构，包括树干、树叶和茎干，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。
做爱。陆地植物投入35%的能量来建造和支持它们的性器官。藻类是简单的单细胞生物，不必为性结构而烦恼。条件好的时候，藻类会有性繁殖。当压力出现时，细胞可以无性繁殖。
根。陆地植物将25%的能量投入到根部，根部将它们锁定在适当的位置，使植物依赖于原位土壤水分和生物可利用的养分，通常由土壤微生物如藻类提供。藻类没有根，一些物种生长鞭毛，它们可以摆动鞭毛以获得营养、水分或太阳能。
成长速度。像粮食这样的陆地植物需要从春天到秋天的一个完整的生长季节——通常需要140天或更长时间来生产一种作物。海藻学会了在有营养的情况下茁壮成长，并能很快生长成熟。一个藻类细胞可能在一天内产生超过一百万个后代。
方向。陆地植物朝着一个方向缓慢生长，朝向太阳，并且可能在10天内使它们的生物量翻倍。然后，它们逐渐缓慢生长直至成熟。藻类向四面八方生长，360度，每天的生物量可能增加三倍或四倍。
连续收获。藻类生长如此迅速，每天可以收获一半的藻类生物量。收获可能发生在阳光普照的每一天，在亚利桑那州、新墨西哥州、科罗拉多州和得克萨斯州等地，一年可能有360天。
连续的生长季节。一些藻类生产者使用适应每个季节的物种全年种植藻类。一些生产者使用生长灯来增加太阳能。一些生产商正在试验LED和其他形式的光来延长生长时间。
强劲的生产。整个生长季节中的一个事件，如温度峰值、干旱、昆虫、风或冰雹，可以摧毁整个粮食作物。当恶劣天气发生时，藻类会休息一下，降低它们的生长速度或进入休眠状态。当天气好转时，藻类会继续快速生长。
固氮作用。被称为蓝细菌的蓝绿藻能够固定大气中的氧气，这促进了生长，因为氮通常是静止水中的限制性营养物。
作文。陆地植物绿色生物质，如玉米，可能有80%是非油或废物，因为大部分植物成分是纤维素结构，而不是作为食物或能量产生油的蛋白质。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。
储存能量。玉米等陆地植物可以转化为乙醇，燃烧时热量较少，每加仑汽油只能提供64%的乙醇。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-8、喷气燃料和绿色柴油，每加仑能量可能比汽油多30%至50%。
正能量。用玉米生产乙醇是一种能量吸收，因为它消耗更多的能量，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。
可持续发展。土地作物消耗大量将会耗尽的化石资源——肥沃的土壤、淡水、化石燃料、化肥和化石农用化学品。藻类不与陆地作物争夺资源，并且可以在包括阳光、废水和剩余CO₂.在内的丰富资源中生长
对生态有利。现代粮食生产每英亩增加了2.5吨CO₂，外加一氧化氮、微粒和烟雾。每英亩农作物侵蚀6吨土壤，土壤中含有污染湿地、河流和湖泊的营养物质和化学物质。藻类种植仅向大气排放氧气，同时隔离CO₂，避免土壤侵蚀和生态系统污染。
地理独立。与陆地作物不同，许多藻类物种生长在地球上最恶劣的环境中。在封闭和半封闭的生长系统中，藻类可以在几乎任何海拔、纬度、经度或地理位置生长。

藻类是健壮的生物，与陆地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。

第五章:藻类分类

Algae是打破植物分类规则的活体植物，因为它们以许多不同的形式进化——细胞、多细胞植物、细菌和几乎无限的组合。虽然不同种类的藻类具有某些共同的特征，但不同的藻类，甚至是同一种类的藻类，在形状、大小、结构、组成和颜色上表现出非凡的多样性。

根据培养变量，如可用光能、营养物、温度和酸度、pH值，单个藻类物种可能在一天内改变形状、组成和颜色。与所有活生物体类似，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。紧张性刺激可能导致藻类以蛋白质或碳水化合物为代价储存更多的油，以便在以后用作能量。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。

藻类分类遵循与陆生植物分类相同的规则。陆地植物的分类先于藻类，因为许多纳米大小的藻类在先进的显微镜之前是看不到的。根据色素、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，甚至在每一个物种中，它们几乎对每一个分类规则都有例外。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。当条件好的时候，它们会有性繁殖。当条件退化时，它们能够使用一种或多种无性方法，如细胞分裂、破碎或孢子。

自20世纪60年代以来，用电子显微镜观察藻类细胞细微差别的能力极大地改变了分类。随着新的竞争优势的发现，分类也在不断变化。

藻类不同于其他植物，因为它们通常:

表现出进行光合作用并产生分子氧的能力，这与叶绿素的存在有关甲，乙或者c；
没有由相互连接的细胞组成的专门运输组织或器官，在生物体内不同部位之间移动营养物和代谢物；
有性或无性繁殖，产生通常不被保护性多细胞亲代组织包围的配子。

陆地植物大约在5亿年前从藻类进化而来，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它们没有真正的根、茎或叶。一些海藻，如海带，看起来有叶子，但它们是假叶子，由与植物其余部分相同的细胞结构组成。科学家认为大型海藻与陆地植物平行进化。

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、布拉格大学和世界培养物保藏中心联盟均有藻类物种培养物保藏。大多数收藏提供组成和文化信息，文化销售，描述细节和图片。德克萨斯大学的优秀收藏提供了广泛的可搜索参数。这藻类图像实验室Bowling Green为教育目的免费提供藻类的数字图像。

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，可以长得像树一样高，如海带。藻学是对藻类的研究，包括对被称为蓝绿藻或蓝细菌的原核形式的研究。一些藻类也与地衣、珊瑚和海绵共生。基本的单细胞生物，藻类，具有如图所示的一般外观。

藻类细胞

真核绿藻(希腊语“真正的坚果”)植物的结构像一个坚果，有一个壳保护它们的遗传物质，遗传物质排列在细胞器中。绿藻产生具有特定功能的离散结构，并具有双膜结合的细胞核。蓝绿藻的原核细胞，即蓝细菌，不含细胞核或其他膜结合的细胞器。

海藻可能是活泼的小动物，尽管它们不是动物。许多动物会游泳，例如沟鞭藻有一种叫做鞭毛的小鞭状结构，可以在水中推拉它们。一些藻类向前挤压身体的一部分，沿着固体表面爬行。一些藻类甚至可以形成能够检测光线的眼芽，这对它们的能量供应至关重要。

其他物种由细胞首尾相连的细丝构成。一些聚集在一起形成群体，而另一些独立漂浮。海藻几乎可以生长成任何形状，如圆锥形、管状、丝状或圆形。藻类形成的形状比陆地植物多得多，并且可以改变形状或结构以适应当地条件。随着从病毒到细菌，然后从细菌的原核细胞到藻类的真核细胞的进化过程，细胞复杂性发生了重大变化。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

由于溶液浓度的差异，细胞壁调节试图通过半透膜流入或流出细胞的水所产生的渗透压。藻类通常具有由纤维素、糖蛋白和多糖构成的细胞壁。有些种类的细胞壁由硅或褐藻酸组成。

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，在建造珊瑚礁中发挥着重要作用。红藻，如杜尔塞(帕尔马利亚帕尔马塔)紫菜(nori或gim)是欧洲和亚洲菜肴的传统部分，用于制作其他产品，如琼脂、角叉菜胶和其他食品添加剂。

广义的藻类分类包括:

硅藻门——硅藻
轮藻门——石藻
绿藻门——绿藻
金藻——金色藻类
蓝藻——蓝绿色
甲藻门——甲藻门
褐藻门——褐藻
红藻门——红藻

硅藻、石藻和甲藻

绿藻进化出叶绿体，叶绿体能够进行光合作用，并大大提高可利用的氧气₂。蓝绿藻得到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，这种植物被分类为蓝绿藻和细菌；蓝藻。

原绿球藻(Prochlorococcus)，一种蓝绿色的藻类，可能是地球上最小的生物，只有0.6微米(百万分之一米)，但它是地球上最丰富的生物之一。一滴水可能包含超过10万个这样的单细胞生物。麻省理工学院的莎莉·齐索姆研究原绿球藻，她说数万亿这样的微小细胞组成了看不见的森林，并提供了海洋中大约一半的光合作用。

藻类分类

分类组	叶绿素	类胡萝卜素	存储产品
[植物学]硅藻门	甲，丙	β-胡萝卜素、β-胡萝卜素	海带多糖油
绿藻门	甲，乙	β-胡萝卜素、β-胡萝卜素、鲜胡萝卜素和番茄红素、叶黄素	淀粉、油
金藻门(金藻)	甲，丙	β-胡萝卜素、岩藻黄素	海带多糖油
蓝细菌(蓝绿藻)	甲，丙	β-胡萝卜素、藻胆素
褐藻门(褐藻)	甲，丙	β-胡萝卜素、岩藻黄素、紫黄质	海带多糖、可溶性碳水化合物、油
甲藻门	甲，丙	β-胡萝卜素，甲氧苄氨嘧啶，新甲氧苄氨嘧啶，新甲氧苄氨嘧啶。	淀粉、油
红藻门(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；色彩；色调
通常与藻类有关的绿色来自叶绿素，但藻类也含有许多颜色的色素，尤其是青色、红色、橙色、黄色、蓝色和棕色。有些品种是无色的。绿藻呈现绿色是因为绿色是它唯一不吸收的颜色。红藻吸收全光谱的颜色并反射红色。红藻可以比大多数其他物种在海洋中生长得更深，因为它们能够吸收穿透海洋深处的蓝光。

藻类利用色素捕捉阳光进行光合作用，但每种色素只与光谱的一个狭窄范围发生反应。因此，藻类产生各种不同颜色的色素，以捕捉更多的太阳能量。藻类将光导入叶绿素a，将光能转化为有机分子的高能键。

绿色、蓝色和红色藻类

海藻为以它们为食的食草动物提供颜色。海藻给著名的巨型树懒的白色皮毛染上了绿色。海藻生活在北极熊的中空毛发中，为火烈鸟提供粉红色的色素，它们在虾和海藻中消耗这种色素。类似的海藻类胡萝卜素使鲑鱼呈现粉红色。

几年前，亚利桑那州的帕洛维德核电站吸引了一只粉红色的火烈鸟来到它的冷却池。这只可怜的鸟变成了白色，引起了全世界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的藻类缺乏足够的β-胡萝卜素来维持鸟儿的粉红色。火烈鸟飞到另一个有藻类的池塘，很快恢复了粉红色。

藻类可能与真菌共生生长，形成地衣——岩石和树木向阳面的彩色粗糙物质。藻类和真菌相互依赖，因为藻类为两种植物生产食物，作为交换，从真菌获得水和矿物质。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。

在朱利叶斯·凯撒之前，海藻地衣植物就被用作颜料和染料。罗马束腰外衣的经典红色来自于从地衣中提取的色素。罗马妇女重视这种植物，并把它用作胭脂，让她们的脸更有颜色。几乎所有的现代化妆品都含有藻类成分来改善颜色、乳化和/或保湿。

第六章:藻类品种选择

Algae生产者选择特定的藻类菌株，以获得藻类生物质中生长的有价值的化合物。藻类生物质主要包括脂类，用于生产生物燃料、食物蛋白质、饲料和保健品，以及淀粉和碳水化合物，可制成一系列产品。

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。脂类是使植物更有浮力的油，这样它就可以沿着水柱向上移动到太阳能。一些藻类物种天然具有非常高的脂质产量，例如80%干重，但是它们生长非常缓慢。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顺序，但是营养限制可能会导致氨基酸生产的变化。大多数蛋白质是催化生化反应和植物新陈代谢的酶。其他蛋白质维持细胞形状，并在植物中提供信号功能。

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，但它消耗相当大的空间。藻类适应了以淀粉形式制造葡萄糖的能力，淀粉是不可溶的复杂碳水化合物，储存紧密。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谷物粉，如玉米、小麦、土豆或大米。淀粉也可以发酵成各种各样的酒精或生物燃料。

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。
这需要克服藻类培养中常见的稳定性问题。
表现出高的光合效率。
随着季节气候差异和每日气温变化而增长。
将附着在容器侧面或底部的污垢降至最低。
易于收获和提取具有柔软或弹性细胞壁的脂质。

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、布拉格大学和世界培养物保藏中心的培养物保藏中心选择和购买物种。大多数收藏提供文化销售，组成和图片。藻类画廊在史密森尼国家自然历史博物馆，包括大量关于藻类的信息和藻类网站的链接。

不同物种之间的成分差异很大。一些藻类含有80%的脂质，而另一些藻类产生60%的蛋白质，还有一些藻类含有92%的碳水化合物。物种选择不仅对期望的组成至关重要，而且对在物种和品系之间变化很大的许多结构和生长变量也至关重要。

藻类物种间的组成差异

当藻类受到营养限制时，例如氮、磷或硫，它们会减少必需多不饱和脂肪酸的产生，并可能产生氨基酸较少的低质量蛋白质。营养缺乏可能导致藻类增加脂质生产，但通常会减缓或停止繁殖和生长。生物工程学家正在研究能够在不剥夺营养的情况下增加脂质的藻类。几个研究实验室已经创造了转基因藻类菌株，无需收获就能分泌石油，从而实现连续生产。避免收获和榨油消除了巨大的时间和成本因素。

藻类品种提供了几乎无限的特征组合。通过对自然发生的有机体、生物工程和杂交的筛选，特殊属性正在得到加强。像Milton Sommerfeld博士和Jerry Brand博士这样的藻类专家已经投入了几十年的时间在湿地、湖泊和沙漠中寻找具有理想特性的天然藻类。布鲁斯·里特曼博士一直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。许多藻类生产者已经致力于通过杂交受精来杂交藻类菌株，以便最大化期望的生长特性、收获和提取的容易性以及期望的化合物。

每种藻类提供不同比例的脂类、淀粉和蛋白质，见表1。一些藻类富含蛋白质，而另一些主要是淀粉或脂类。培养中的变化可以显著改变藻类生物质的组成。

表1。各种藻类的组成(干物质的%)

海藻	脂质	蛋白质	碳水化合物
圆柱鱼腥藻	4–7	43–56	25–30
水花束丝藻	3	62	23
巨大节旋藻	6–7	60–71	13–16
布朗葡萄藻	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
普通小球藻	14–22	51–58	12–17
盐藻	6	57	32
纤细裸藻	14–20	39–61	14–18
小前胡	22-38	30-45	25-33
紫球藻	9-14	28–39	40–57
斜生栅藻	12–14	50–56	10–17
钝顶螺旋藻	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
钝顶螺旋藻	4–9	46–63	8–14
聚球藻属。	11	63	15

海藻油中不饱和脂肪酸含量极高，各种海藻提供:

亚油酸一种不饱和ω-6脂肪酸，用于肥皂、乳化剂、快干油和各种美容助剂。保湿性能是用于光滑和保湿、抗炎和减少痤疮的有价值的皮肤药物。
花生四烯酸这是一种ω-6脂肪酸，也存在于花生油中。该产品可缓解炎症，并在中枢神经系统的运作中发挥重要作用。
二十碳五烯酸，一种欧米伽-3脂肪酸，具有与鱼油相同的功效，鱼油当然来自藻类。研究表明，EPA可以改善大脑活动，减少抑郁，缓解自杀行为。
二十二碳六烯酸，一种普遍存在于鱼油中的ω-3脂肪酸，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神经细胞死亡增加有关。严重抑郁症患者的大脑皮层中DHA减少。
γ-亚麻酸，植物油中发现的一种ω-6脂肪酸，最初从月见草中提取。它作为治疗炎症和自身免疫疾病的膳食补充剂出售。正在研究其对癌症的治疗价值，以抑制肿瘤生长和转移。

藻类成分通常存在于食物成分中。一个使用普通乳制品的普通家庭可能会发现他们食品购物车中70%的物品含有藻类成分。构成几种红色和棕色海藻细胞壁的角叉菜胶是一种线性多糖。角叉菜胶细胞壁物质是一种胶体，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，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，最著名的是它在低温下形成热可逆凝胶的独特能力。琼脂从17世纪开始在中国使用，目前在日本、韩国、澳大利亚、新西兰和摩洛哥生产。

琼脂

今天，琼脂作为一种类似明胶的培养基为全球科学家服务，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药物产品的惰性载体，其中需要缓慢释放药物。细菌学和真菌学在生长培养基中使用琼脂作为硬化剂。

琼脂也用作乳剂的稳定剂和化妆品皮肤制剂、软膏和洗液的成分。它用于摄影胶片、鞋油、牙齿印模模具、剃须皂、洗手液和制革工业。在食品中，琼脂被用作明胶的替代品，在面包和糕点中用作防干燥剂，也用于胶凝和增稠。琼脂用于加工奶酪、蛋黄酱、布丁、奶油、果冻和冷冻乳制品的生产。

紫菜，日语是海藻的意思，在世界各地都很受欢迎，尤其是在亚洲，它有各种各样的名字，如昆布、裙带菜、海苔、海带和李牧。苏格兰厨师称其为dulse，爱尔兰人称其产品为dillisk。Amanori特指那些由紫菜制成的食物，因为它含有必需的氨基酸、维生素和矿物质。在朝鲜，紫菜，被称为金或拉沃尔。它提供健康的食物，不含西方饮食中的糖和脂肪。

从史前时代起，内陆淡水藻类的野生种群就被采集和食用，以获取其新鲜的味道和营养价值。念珠藻是最常见的念珠藻之一，由串珠状长链组成，并形成丝状凝胶状集合体。单个细丝很微小，但聚集成各种大小的小球，看起来很像葡萄。

念珠藻属

螺旋藻的微小细丝不会形成椭圆形的小球，而是经常聚集成漂浮的团块，被风推向海岸。其他藻类物种在快速流动的水中表现为附着在岩石上的自由漂浮物或细丝。粉末形式的螺旋藻在总蛋白质和可用蛋白质方面领先于大多数传统食物。只有家禽和鱼的可利用蛋白质含量超过45%。螺旋藻搭配肉类和奶制品，含30%到45%的蛋白质。螺旋藻和念珠藻提供的蛋白质重量比任何其他蔬菜都多。Earthrise营养品在其南加州100英亩的农场中，每年生产500吨食用螺旋藻。

地面农场

藻类物种选择将继续是藻类生产者的一个关键问题，因为正确的物种选择会提高养殖、收获、提取和产品价值。幸运的是，藻类物种收藏提供了丰富的物种信息，并以适中的价格提供了可靠的物种。

改编自:绿藻策略:停止石油进口，设计可持续的食物和燃料，2008.

第七章:藻类养殖

Algae生长在开放、封闭或半封闭系统中的圆形、长形或管状容器中，以最大限度地获取全部生物质的阳光。除非发生混合，否则生长只发生在生长培养基的顶层，大约两英寸。新细胞的生长为下面的植物阻挡了阳光。半连续混合对于给所有的藻类充足的光照是必要的。一些生产系统将光源放在水中或附近以增加阳光。

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

光。通常阳光可以提供充足的光线，但是人造光也可以——特别是对于室内种植系统。一些种植系统可能是倾斜的，以优化对太阳和反射光的定向。一些生产商正在试验使用镜子或玻璃电缆的弯曲灯，其他生产商正在使用LED灯，以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，混合是必要的。每个细胞在它们的光生长期和暗生长期都需要进出光线，因为它们吸入CO2和呼出O2。藻类比水重，如果不混合，会从它们的光源下沉。

藻类生长如此之快，以至于它们在静止的水中很快就变得营养有限。它们不能移动和觅食，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CO₂，并提供间歇性光照。混合也有助于将水中的氧气释放到大气中。过多或过少的混合会阻碍生长，粗糙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:鞭毛和眼点。在特定的生长阶段，一些藻类会长出鞭毛，鞭毛是从身体上伸出的细长突起，像精子的尾巴一样，以鞭状运动推动藻类。眼点识别光，鞭毛推动植物走向光。移动非常缓慢，可能一小时一英寸。

水。藻类几乎在任何一种水中都能很好地生长。它们特别擅长利用光合作用将废水中溶解的养分和金属转化为绿色生物质，在绿色生物质中金属可以被去除和回收。生产系统可以使用废水、灰水、盐水或海水，这取决于所种植的物种。种植系统可以循环水，所以唯一的损失来自蒸发。

CO₂.微藻生物质干重的大约一半是碳，典型地来自CO₂或碳酸盐，并且在白天被持续供给。每100吨藻类生物质可以固定大约183吨CO₂.藻类最喜欢的食物，CO₂，需要以气体或碳酸氢盐的形式加入，因为培养的藻类生长太快，不能从水中吸收足够的CO₂。在CO₂，大多数水对于高产来说太稀了。混合有高达20%co₂的压缩空气通常为藻类光合作用提供碳。工业CO₂或废气是典型的来源，但一些燃煤电厂过量生产硫，这可能会抑制藻类生长。一些生产者如Solazyme使用乙酸或葡萄糖形式的有机碳源。

营养物质。藻类用与陆地植物相同的肥料来滋养它们的生长，但是这些肥料可能来自对陆地植物来说太咸的废水。与玉米等粮食作物相比，藻类生长每磅生物质消耗的氮和其他肥料要少得多，而且养分更容易施用，成本也更低。溶解的化学肥料或废物流营养物被藻类利用的效率比陆地植物高得多，因为微小的单细胞藻类直接消耗营养物，而不需要长距离运输营养物。未使用的肥料也可以用循环水再利用。

pH。水的酸度可能取决于所产生的藻类类型。控制水的pH值是抑制竞争藻类生长的一个好策略。由于高的光合活性，水的pH值可能在中午最高，这消耗了最大的CO₂.

稳定。在高速增长的情况下，保持稳定的增长环境存在困难。生长介质可能保留过多的任何营养或O2，这可能对植物产生压力和/或成分变化。一些生产商捕获释放的氧气，并作为增值产品出售。

农业生产
藻类生物质生长在被称为生物工厂或培养藻类生产系统(cap)的池塘或容器中。水、无机营养物、CO₂和光被提供给藻类培养物以促进生物质生长。藻类更喜欢不太亮的漫射光，因此一些系统使用遮光来限制光线并使其漫射。不同的物种在特定的温度下产量最高，因此一些系统在生物工厂外面使用循环水来保持最佳温度。

尽管CO₂可能只占生产成本的5%,但通过将生物工厂选址在生产CO₂.的发电厂或制造厂附近，可以将这一成本降至最低养分可以由废水、从藻类槽中回收的或收获的肥料提供。去除海藻油后，剩余的生物质含有相当多的营养物质。

生物量增长

封闭系统的优点是高营养水可以在系统中循环。这种做法大大降低了添加营养素的成本。它还可以最大限度地减少水分蒸发损失。使用高盐水(例如农业废物流或盐水)的藻类养殖系统产生含有大量盐的生物质，这些盐需要在副产品提取过程中去除。一些商业模式表明，利用藻类从工业废水中获取重金属，然后提取出来并在化学品市场上出售。

可以每天通过过滤、离心或絮凝进行收获。悬浮在培养液中的细胞从水中分离出来，剩余的营养物质循环用于生物质生产。从回收的生物质中提取海藻油并转化为生物柴油。一些非石油生物质可用作动物饲料、肥料和其他副产品。

部分废弃生物质经过厌氧消化产生沼气，产生电能，为生物质混合和水运输提供动力。厌氧消化产生的废水可用于生产更多的藻类或作为营养丰富的灌溉用水。沼气产生的大部分能量都消耗在生物质生产中，任何多余的能量都可以卖给电网。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化为电能，电能通常被直接使用或储存在电池中。

农业生产系统

在连续培养中，以恒定的速率加入新鲜培养基，并取出相同量的微藻肉汤。进料在夜间停止，但混合继续防止生物质沉淀。多达20%的生物量，在白天产生，可能在晚上被消耗，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。一些生产系统正在试验用夜灯来提高生产率。

微藻含有高但可变的百分比的关键常量营养素:通常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。每种营养物的比例可以通过物种选择、改变生长条件或通过在不同生长阶段收获藻类来改变。大多数物种富含氨基酸，并提供各种色素。多糖的糖组成是高度可变的，但是大多数种类具有高比例的葡萄糖，20-87%。微藻含有大量的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。

在油组分被用于生物燃料后，剩余的高蛋白生物质可以被脱水并以方便的形式储存，例如蛋糕，其不需要冷藏并具有大约两年的保质期。藻饼可以被分离成各种食物、食物成分、饲料、肥料、精细药物或其他成分。

藻类成分、产品和用途

用于食物、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能量可以来自于石油提取后剩余的生物质残渣的厌氧消化所产生的甲烷。混合和收获所需的适度能量也可能来自其他非碳源，如风能、地热或太阳能。

收获的生物质极具延展性，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、形状或质地的软糊状物、玉米粉圆饼、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，以改善水分保持并增加蛋白质，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:绿藻策略:停止石油进口，设计可持续的食物和燃料，2008.

第八章:藻类让我们成为人类了吗？

Algae在35亿年前拯救了我们的星球2和甲烷大气中获得足够的氧气来维持生命。仅在200万年前，藻类可能通过提供引发人类大脑扩大的微量营养素，完成了另一项令人难以置信的壮举。大脑比黑猩猩大三倍，区分了我们的同性恋者前人类和灵长类动物的祖先。

大约在200万年前，一种神秘的营养来源引发了大脑的扩大，即脑瘤。科学家们一致认为，早期的类人必须找到一种更有活力的饮食，比他们以前的灵长类动物的坚果、树叶、树皮、嫩枝、树根和昆虫更丰富。新的饮食需要富含重要的营养物质，尤其是蛋白质和ω-3脂肪酸，以支持大脑的扩张。教科书表明早期同性恋者通过扩大他们的饮食，包括稀树草原野味肉，采取了一步到位的方式来发展和支持更大的大脑，这将提供必要的能量和营养。

然而，获取肉类需要小脑容量(略大于黑猩猩的大脑)和骨瘦如柴的早期类人与野生动物竞争获取肉类。早期的；在早期；提早同性恋者为了直立行走牺牲了肌肉质量、大小和速度，大脑体积略有增加。野味肉的场景忽略了与更大、更快、更强的野生动物竞争所带来的巨大能量和生存风险，这些野生动物拥有专门的清道夫和狩猎技能。200万年前的非洲食肉动物是现在的两倍大。

在狩猎武器或烹饪用火发明之前，人类的大脑已经扩大了一百万年。早吃过了同性恋者没有武器的狩猎肉，他们很可能成为食物链。即使他们找到了肉，他们也没有牙齿来撕掉或咀嚼生肉。他们的胃不能消化生肉，生肉可能会让他们腹泻。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食用，以允许大脑增大的初始阶段。

左图:早期的小脑容量人类。右:强大的剑齿虎。

ω-3脂肪酸
DHA包含大脑中27%的多不饱和脂肪和97%的ω-3脂肪酸。花生四烯酸(ARA)是一种ω-6长链多不饱和脂肪，占大脑中多不饱和脂肪的35%，ω-6脂肪酸的48%。DHA和ARA一起占大脑中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至关重要。这些脂肪酸集中在大脑中负责复杂思维技能的区域——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中更大大脑尺寸进化的限制性营养物质。非洲稀树草原上的野生植物食物，草，谷物，块茎和坚果含有微不足道的ARA和DHA。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。

食物链的下游
早期人科动物的第一步可能是在饮用水中摄取藻类，而不是在食物链上移动到野味肉。消耗藻类可能是有意的，但更有可能是偶然的，因为微小的藻类细胞只有在它们使水微微变绿的意义上才可见。东非大裂谷的湖泊和湿地是人类大脑发达的地方，也是地球上一些最古老的湖泊和湿地的家园，这些湖泊和湿地产生了大量高蛋白和营养丰富的螺旋藻藻。螺旋藻是当今市场上最畅销的藻类营养补充剂，因为它提供了一整套必需的营养素。藻类湖泊背风面的一个类人部落可能每天在他们的饮用水中摄入几克藻类。这几克藻类不会为完整的饮食提供足够的粗粮或蛋白质。藻类本来可以作为一种天然的食物补充，提供必需的营养物质、维生素和抗氧化剂，为颅内活动提供绿色火花。

早期的；在早期；提早同性恋者可能是被绿色的甜水所吸引，因为它们清淡、干燥、多砂的食物几乎没有甜味。藻类吸引了多种其他有营养的微生物，包括酵母、真菌、细菌、病毒和其他能够提供额外营养价值的微生物。摄入后，藻类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。藻类也有助于消化，所以母亲们可能会确保她们的后代在饭后喝富含藻类的绿色甜水。在湖泊和湿地的背风面，风将海藻吹成垫子，用手一扫就可以轻松收获。这些浓缩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，早期同性恋者可能通过利用水生生态系统来获取富含藻类蛋白质和营养物质的藻类，如无脊椎动物、有壳鱼类和有鳍鱼类、昆虫和两栖动物，从而扩大了它们的饮食。当地全年都有藻类营养，易于收获和即食，或晒干储存以备后用。藻类可能是最初美味的方便食品，并提供健康的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。

收割藻类的妇女。《人性的绘画》, 1978年3月，作者彼得·福斯特。

健康
早期人类的大脑并不是唯一受益于藻类的身体部位。今天，全球公共卫生中最普遍的四种缺乏症是:营养不良、营养性贫血(铁和B12缺乏)，眼球干燥症(维生素A缺乏)和地方性甲状腺肿(碘缺乏)。这些营养缺乏中的每一种都会挑战既没有狩猎武器也没有狩猎技能并且也没有烹饪火的前人类。森林和热带稀树草原的植物食物，尤其是在冬季和春季，会给早期人类带来严重的营养缺乏。如果没有烧火来软化细胞壁，释放食物中的营养物质，如坚果、谷物、嫩枝和根茎，大部分营养价值将会流失同性恋者.

即使当地的饮食不能提供足够的维生素A、碘、铁、锌和其他营养物质，一个微小的海藻补充剂似乎也不可能提供。通常，这些关键的微量元素存在于当地的水中，但稀释度极低。人们，尤其是儿童，不能喝足够的水来获得足够的碘。在许多生态系统中，几乎没有淡水可供饮用。藻类高营养价值的秘密源于其在水中生物积累营养物质的能力，其浓度是环境水平的1000倍。这意味着，即使人类饮食中缺乏某些营养物质、矿物质或维生素，藻类也能在绿色生物质中浓缩这些营养物质.

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。第一个狩猎武器的化石记录只有40万年的历史。狩猎武器和烹饪用火的增加使得饮食更加多样化，也促进了现代人类大脑、交流和合作的发展。

成为人类的饮食路径可能并不是食物链上收获稀树草原野味的一步。更有可能的是，我们的祖先首先在水生食物链上跳了两步华尔兹，以获取藻类的营养价值，尤其是ω-3脂肪酸。由于藻类的营养，我们的祖先大脑变大后，他们准备在陆地营养食物网上迈出一大步来收获野味。

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