迎接海藻产业的黄金时代：可持续发展与巨大市场
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海藻是海洋里一种很有用的资源，可以用来做食物、动物的饲料，还可以用来制作肥料、生物燃料、药品和化妆品等产品，可谓“浑身都是宝”。近年来，随着全球人口增长和资源需求增加，大型海藻养殖在全球范围内迅速发展。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到2024年发表在《Heliyon》期刊上的一篇最新研究《大型藻类种植：可持续未来的驾驭与创新》，该研究由马来西亚彭亨大学的科学家团队们牵头，分析了海藻养殖拥有广阔的市场前景、及其面临的挑战。为助力全球环境治理、并供我国学者了解最新研究动态信息，编译分享信息如下，供感兴趣的读者们参阅。
这篇文章综述了海藻种植对于实现可持续未来的重要性，以及如何应对机遇并推动创新。海藻种植引起了广泛关注，因其在生物质方面的多样化优势。然而，要确保海藻种植的可持续性，需要从多个角度进行全面评估。生物和非生物因素对于商业化海藻种植的产量有着显著影响。生物因素包括细菌、真菌、病毒和其他藻类，而非生物因素则涉及诸如温度、盐度、光照强度和营养素供应等环境条件。此外，海藻对害虫和疾病的敏感性进一步加剧了种植的挑战，可能导致潜在的产量损失。
这项研究旨在揭示大型藻类种植的巨大潜力，并强调了该领域科学进展的迫切需求。该综述清楚地阐述了海藻种植的最新发展，并突出了来自各类海藻研究的重要进展。此外，文章还展望了未来的发展方向，指出这些可能塑造这一有前景产业的发展轨迹。
全球人口预计到2050年将超过90亿，这给食品供应和资源可持续性带来了巨大挑战，尤其是在气候变化和必需资源减少的情况下。为了满足不断增长的人口需求，联合国粮食及农业组织估计，世界食品产量需要增加60%。然而，必须在不对环境造成额外负面影响的情况下，可持续地解决这一挑战。海藻长期以来一直是传统食品来源，但近年来其在食品、饲料、生物燃料、化学品、保健品、药品、化妆品和环境生物修复等多个领域的应用增加，推动了全球海藻产量的增长。
海藻养殖对应对气候变化的潜在贡献。图源：Khan N, Sudhakar K, Mamat R.
全球对海藻的需求不断增长，以至于自然生长的海藻资源已不足以满足市场需求。所以，为了生产更多海藻，海藻海洋农业或海藻种植已成为必要。尽管野生海藻具有丰富的营养价值，但海藻种植可能提供新的方法来管理、或规范海藻的营养价值。据估计，2019年全球海藻种植及其产品市场规模达到59亿美元，并预计将以9.1%的复合年增长率增长至2027年。
研究人员还强调， 由于海藻的独特生物学特性，现有的国际生物安全框架，恐怕难以直接适用于海藻养殖行业。因此，需要制定专门的海藻养殖生物安全法规，加强对海藻养殖的监管。
因此，海藻种植可以解决全球不断增长的人口对食品的预期短缺问题。海藻种植是发展、气候行动和环境的一个模式，可以共同为社区增加价值。海藻农场可以提供诸如碳储存、氮循环和对脆弱沿海社区的社会经济优势等环境服务。为了开发海藻水产养殖的各种应用，了解建立和运营生产单位及市场链的潜在限制和可能性至关重要。
全球海藻生产的现状显示，亚洲国家如中国、菲律宾、印度尼西亚、日本和韩国等地是世界上海藻有效大规模种植的主要地区。从2000年的10.6百万吨增长到2020年的3500万吨，海藻的生产量显著增长，主要由五个主要物种主导，包括裙带菜（Undaria）、紫菜（Pyropia）、龙须菜（Gracilaria）、裸藻属（Eucheumatoids）、糖海带（Saccharina）。褐藻（Phaeophyceae）和红藻（Rhodophyta）的种植面积不断扩大，而绿藻（Chlorophyta）的产量则有所下降。全球超过95%的海藻生产量由海带（Laminaria saccharina，35.4%）、卡帕藻（Kappaphycus Eucheuma，33.5%）、龙须菜（Gracilaria，10.5%）、紫菜（Porphyra pyropia，8.6%）和裙带菜（Undaria，8.6%）等几种主要品种贡献。2019年，欧洲的海藻产量为287,033吨，约占全球总产量的0.8%。根据世界银行对10个新兴海藻市场的分析，到2030年，其发展潜力可能达到118亿美元。尽管有此预测，海藻业的附加价值大部分仍未开发利用，其发展潜力超出了目前的市场。
根据世界银行2016年的报告，每年将海藻种植扩展14%，到2050年可实现5亿吨的干重，或者食品供应、收入增长和生活质量增长10%。海藻种植主要集中在有限的国家，以东亚和东南亚为主导地区。东亚国家在至少1500年前开始收集和利用海藻作为人类食物和药品。现代海藻养殖始于20世纪50年代至70年代的韩国、日本和中国。自那时起，海藻养殖迅速扩展，并在全球其他地区日益受到欢迎。2020年，亚洲以外国家的海藻产量仅占全球养殖海藻总量的不到2%。然而，全球其他地区扩大海藻产量的前景是光明的。然而，东亚和东南亚国家仍然是世界上大部分海藻的生产国，中国、印尼、菲律宾、韩国、日本和马来西亚贡献了全球海藻生产总量的98%左右。
根据联合国外贸数据库，2019年全球98个国家通过海藻（9.09亿美元）和水胶体（17.4亿美元）出口获得了26.5亿美元收入。海藻营养物质的利用是应对富营养化和实现长期可持续发展的一种重要方法。最近的研究表明，大量种植的褐藻（Phaeophyceae）可以提高海水氧含量并缓解海水酸化。根据欧洲海藻养殖和养分去除的生命周期影响研究，海藻可以在大规模（208平方公里）范围内对氮和磷进行生物修复，提升水体管理效果。此外，中国的海藻养殖场每平方公里每年可储存421.78吨碳。据报道，红海藻在放大场景下具有最佳的去除氮能力，表明增加裙带菜海藻种植可从盐田湾海水中去除128.10吨氮、15.89吨磷和1192.03吨碳。此外，增加工业废水塘中的海藻可以有助于减少污染。
上图：笔者在超市买到的另外一种海带，查看其产地，发现是福建宁德。©️ 绿会融媒·海洋与湿地工作组。
海藻的种植可以减少全球粮食生产的最大障碍之一——水资源短缺。与陆地作物相比，海藻种植每公斤可节约1000升淡水。海藻养殖为“蓝色增长”提供了潜力，但也面临着因海洋和沿海资源竞争激烈而带来的挑战。因此，这一新兴活动可能会升级沿海争端，涉及组织、社会、经济和环境可持续性的各个方面。因此，海藻养殖业的崛起既有利于经济又有利于环境。
该研究团队从多个SDGs的目标，来介绍了海藻种植业在解决气候变化和实现可持续发展目标（SDGs）方面的潜力。海藻不仅可用于生产生物塑料，还可以作为生物固定二氧化碳的重要资源，有助于改善水质并增强沿海水生物栖息地。此外，海藻的种植还能减少牛羊的甲烷排放，为生态系统提供健康的生态环境，促进陆地生物的生存。通过加强跨学科合作，利用科学和创新推动海藻产业的发展，可以有效实现海藻在可持续发展中的潜力，为建设更加健康和可持续的未来做出贡献。
研究团队在这篇文章中，还介绍了海藻（大型藻类）种植业的发展概况，展示了该行业的历史与技术进展。
在1949年前，科学家和农民们当时还并不了解如何在受控环境中培育海藻。在1949年之前，科学家和农民对如何在受控环境中培育海藻一无所知。1949年，英国植物学家凯瑟琳·玛丽·德鲁-贝克（Kathleen Mary Drew-Baker）研究了裙带菜的繁殖周期，这一发现帮助科学家和农民理解了海藻的培育方法。随着时间的推移，海藻种植业逐渐成为一个重要的产业，不同的海藻种类需要采用不同的培育方法。一些海藻如海马鞭藻、被子藻、紫菜和裙带菜等，可以通过单一的营养繁殖方法进行培育，而其他品种则需要两步或多步培育方法。
克隆和非克隆生命周期的总结图。a. Sargassum（马尾藻）b. Porphyra（紫菜）。图源：Khan N, Sudhakar K, Mamat R.
海藻种植系统主要由孵化场和养殖场两个主要组成部分组成。在孵化场，海藻种子首先得到培育和繁殖，然后在养殖场进一步生长。海藻的培育方式因品种而异。一些海藻可以通过营养繁殖方法进行培育，例如将海藻碎片放置在适宜生长环境中，待其达到一定尺寸后进行收割。而其他海藻则需要通过包括世代交替在内的繁殖周期进行培育。
海藻种植业被视为“清洁”行业，因为它具有潜在的环境利益。随着海藻应用领域的不断扩展，海藻除了被用作食品和动物饲料外，还被广泛应用于营养保健品、制药业以及作为食物来源的领域。在欧洲，海藻种植业正在迅速发展，应用领域包括营养保健品、制药业以及食品来源等多个领域。
长线养殖示意图。图源：Khan N, Sudhakar K, Mamat R.
海藻种植业的发展不仅推动了经济增长，而且对环境产生了积极影响。海藻的大规模种植更多地采用培育品种，而不是野生捕捞，这有助于保护自然资源。近年来，随着人们对海藻营养和营养价值认识的提高，海藻种植业在欧洲的应用逐渐扩大，不仅在营养保健品和制药业中得到应用，还作为食物来源备受青睐。
海上养殖示意图。图源：Khan N, Sudhakar K, Mamat R.
上面是IMTA 养殖示意图。图源：Khan N, Sudhakar K, Mamat R. （“海洋与湿地”小编注：IMTA是集成多营养水产养殖系统，是一种结合了不同营养水平生物的海洋养殖方式。）
随着全球人口的指数级增长，自然环境持续遭受开发利用，海洋生态系统面临着日益严重的破坏。如何可持续地满足不断增长的人口需求已成为一个重大挑战。海藻养殖床（Seaweed Aquaculture Beds，SABs）可以提供二氧化碳固定、燃料和增值产品等多重好处。然而，尽管具有诸多优点，海藻养殖面临着各种生物和非生物问题的威胁。气候变化、病毒、外生生物和食草动物等环境威胁可能影响海藻的生理效率、产量和可持续性。以下是一些改变海藻种群动态的生物和非生物因素。
（一）生物因素
1. 冰冰病（Ice-Ice Disease，IID）
冰冰病是指海藻受到生物应激因子的影响，导致其典型形态结构、发育和产量等生理过程异常，包括生殖成功。1974年，菲律宾首次确认了“冰冰病”在海藻生产中的影响。冰冰病是全球裙带藻类海藻生产中最普遍的问题之一。它不具传染性，可能由严重的温度、pH值、盐度和弧菌等机会性细菌感染等不利环境因素引起。冰冰病和外生生物爆发同时会导致25%至75%的产量损失，甚至更严重。在桑给巴尔，仅在7年内，就有大约1000吨的海藻因冰冰病而丧失，从2001年的1000吨降至2008年的近200吨。由于冰冰病和外生生物疾病的影响，海藻胶的黏度和凝胶强度可能会降低。马来西亚裙带藻类海藻的产量从2012年至2018年急剧下降，从33.1万吨减少至17.3万吨。这一降低主要是由于冰冰病爆发导致的。除了海洋细菌外，研究发现，海洋源真菌也在健康的海藻文化中起着冰冰病诱发的关键作用。
2. 食草动物
自然食草动物在海藻养殖业被视为害虫。鸟类、海胆、腹足类动物、螃蟹以及各种较小的草食性动物都会食用海藻。这些食草动物的损害可能会导致生物量急剧减少、单个海藻产量下降以及经济损失。最近的研究表明，即使数量不多，微小的食草动物也会显著影响海藻的生长。例如，异足目动物消耗海藻的光合活跃组织，抑制海藻的生长。贝类也因其高生物量和丰富性而可能啃食海藻。热带鱼类也食用海藻和其他水生植物，具有抗炎和增强免疫力的特性。
上图：海藻养殖面临的啃食者威胁。图源：Khan N, Sudhakar K, Mamat R.
3. 外生生物
外生生物病是一种寄生性疾病，会导致海藻产量减少。细菌、原生动物和无脊椎动物等附生生物会寄生于海洋物种，引起外生生物。外生生物会占领海藻叶片层，降低生产水平和质量。桑给巴尔岛自1990年代以来，由于外生生物的侵染，海藻产量显著下降。
4. 赤潮和棕潮
有害藻类水华是当今全球重要的海岸挑战之一。特定的藻类物种可能形成高密度的“藻华”，导致棕潮和赤潮。这些藻华会使水域中的溶解氧减少，形成所谓的死亡区。除了全球变暖和农业排水导致的富营养化外，不合理的海藻种植方法也可能是造成大型藻类水华的原因之一。
肠浒苔（Ulva intestinalis）爆发（摄于喀拉拉邦的索马提兰海滩）。图源：Khan N, Sudhakar K, Mamat R.
（二）非生物因素
1、温度
人为引起的温度升高已经超过工业化前1摄氏度，并且预计到2030年和2052年将达到1.5摄氏度。对于海藻的生产来说，水温应保持在27~30摄氏度之间。极端温度会导致细胞和亚细胞损伤，使海藻受到破坏性压力，影响其生长和产量。
2、海洋生物附着问题
海洋生物附着是指水生微生物、动植物无意中在海水表面沉积的现象。环境变量（温度、光照和盐度）、地理、水动力学和水深等波动都被发现影响海藻附着情况。生物附着会导致海藻缺乏经济价值、营养吸收受阻、光照受限等问题。2015年，法罗群岛的研究人员发现，受大风影响的S. latissima海藻养殖场和受保护的海域比受强流影响的位置附着严重。Laurencia translucida（红藻）的皮层细胞可以合成脂肪酸衍生物并释放到叶状体表面，提供了一种防御生物附着的新方法。
3、水动力学对海藻生长的影响
水动力指的是由气流和水体密度变化引起的潮汐循环水流运动。与亚潮区相比，海滩具有即时且严酷的变化环境，周围多种水动力因素影响着海藻的生长发育。研究发现，秋季Macrocystis pyrifera海藻的生长速率与强风浪作用增加相关。根据文献，水流速度对糖海带（Saccharina latissima）和Adamsiella chauvinii（红藻）的生长率没有直接影响。水流增加有利于资源获取，促进光合作用和生长发育，而水流减少则可能限制气体扩散和营养物质传递，对代谢率产生负面影响。海水的高粘度和密度对海藻发育产生更大的阻力，限制了海藻的最大生长。
4、盐度对海藻生长的重要性
盐度是影响海藻生长的另一个重要因素。盐度以PSU（practical salinity units）表示，是用于确定水体离子含量的电导率测量单位。海水中的盐度水平随地理位置和时间而变化。盐度的升降可能影响海藻的渗压压力，低盐度可能导致氧化应激，影响海藻的生长发育。最适宜Eucheuma cottoni海藻生长的盐度范围为28-34 PSU。不同的盐度环境会引起海藻不同的生理代谢反应。盐胁迫会导致生成活性氧，造成细胞损伤，抑制细胞分裂。许多海藻利用各种生理和代谢途径适应周围盐度的变化。
作者团队提出的这些因素的综合影响，对海藻的生长发育具有重要意义，也针对这些挑战提出了解决方案，例如利用精确的市场情报和生产管理来缓解价格波动，建立稳定的国际市场，推行经济激励和监管政策等，有助于促进海藻养殖产业的发展。
海带是很多老百姓餐桌上的家常美味。这背后就有大型海藻养殖场的功劳。摄影©️ 绿会融媒
这篇文章很长，探讨了海藻养殖在应对气候变化和实现联合国可持续发展目标方面的巨大潜力。文章全面介绍了这一不断发展的海藻产业，包括全球海藻生产现状、各种栽培方法、最新趋势和面临的挑战。为了发挥海藻养殖的潜力，需要解决特定的基础性挑战。在结论部分，研究团队指出几点：
一是海藻养殖的创新至关重要。为了满足海藻生产的增长需求，推进先进的、经济的和生态可持续的实践是必不可少的。应该发展负责任的养殖技术，平衡生产与环境保护。此外，行业需要探索适应性养殖方法，以适应气候变化的影响。通过实施合适的策略，各国可以利用海藻种植的巨大潜力，为全球可持续海藻生产做出贡献。
二是总结了海藻养殖面临着挑战。作者指出，尽管存在巨大的机遇，但海藻养殖面临多种挑战，包括气候变化、附生生物和病害物种带来的影响。生物和非生物因素会显著影响产量，需要持续的研究和创新。应该开发抗病株、改进的栽培技术和有效的缓解策略来应对这些障碍。建立抗病海藻和种质资源库可以保护遗传多样性，确保可持续发展。
第三，海藻养殖也需要支持当地社区的发展。作者建议，可以通过协调公共资金来鼓励和支持海藻养殖者，促进潜在的商业化和增值生产。养殖者需要接受关于管理威胁和困难的教育计划，同时协助获得种植用品和农具，价格降低或补贴。
另外，政府应制定国家特定的标准和目标。应强制执行全球可接受的监测昆虫繁殖和疾病爆发的规范和协议。实施一致的做法将最小化生物安全威胁并促进负责任的资源管理。制定明确的目标和监测进展，每个国家都可以为可持续和充满活力的全球海藻产业做出贡献。
第五点，海藻养殖需要合作、以及知识共享。科学家、研究人员、政策制定者和行业利益相关者之间的合作对于发挥海藻种植的全部潜力以实现可持续和有韧性的未来至关重要。通过共享知识、资源和最佳实践，我们可以应对挑战并实现这一可持续多功能资源的全部潜力。
作者团队指出，海藻养殖在应对气候变化方面具有重要意义。克服挑战需要集中的努力、创新的解决方案和对可持续发展的承诺。这项研究揭示了前进的道路，为一个协作的海洋未来铺平道路，海藻茁壮成长，赋能社区，缓解气候变化，感兴趣的“海洋与湿地”读者可以参看这项研究的全文，
参见：
Khan N, Sudhakar K, Mamat R. Macroalgae farming for sustainable future: Navigating opportunities and driving innovation[J]. Heliyon, 2024.
https://www.cell.com/heliyon/pdf/S2405-8440(24)04239-7.pdf
（注：本文中较多涉及到不同大型海藻的拉丁学名、以及专业术语。如有错误之处，敬请留言指正。感谢！）
本文仅代表资讯，不代表平台观点。
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来源 | Khan N, Sudhakar K, Mamat R.
编译 | 王芊佳
审核 | Sara
排版 | Sara
【参考资料】
https://www.cell.com/heliyon/pdf/S2405-8440(24)04239-7.pdf
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