《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技術對比分析Visakhapatnam海岸Rushikonda和Tenneti海灘采集的綠藻（如Ulva lactuca）、褐藻（如Gracilaria foliifera）和紅藻（如Hypnea valentiae）的生化功能群與礦物成分。結果表明：所有藻類均含蛋白質、多糖、脂類及磺化基團，綠藻磺化存在于赤道和軸向位置，紅藻則主要在赤道位置，褐藻富含不飽和脂肪酸；XRD證實紅藻Jania rubens含Mg-calcite晶體，XRF分析顯示海水pH中性。研究證實FTIR能有效揭示海藻分子結構差異，為生態功能評估和生物資源開發提供依據。
塔努什麗·帕尼格拉希（Tanushree Panigrahi）、穆普里亞·穆克吉（Moupriya Mukherjee）、M·帕拉尼薩米（M. Palanisamy）、阿尼瑪·蘇尼爾·達迪奇（Anima Sunil Dadhich）、高塔姆·普拉馬尼克（Goutam Pramanik）
印度維沙卡帕特南（Visakhapatnam）GITAM科學學院化學系（GITAM School of Science, GITAM，被認定為大學），郵編530045
摘要
本研究利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）在4000–4000 cm?1范圍內，比較分析了來自印度安得拉邦維沙卡帕特南海岸Rushikonda和Tenneti海灘區域的綠藻（Chlorophyta）、褐藻（Phaeophyta）和紅藻（Rhodophyta）的生化功能基團。FTIR分析確認了所有研究海洋大型藻類中存在蛋白質、多糖、脂質以及硫酸化程度。在Ulva lactuca和Gracilaria foliifera中，多糖之間的氫鍵通過O-H伸縮頻率向較低波數的移動得到了證實。強烈的C-H伸縮振動表明這些褐藻中含有大量的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸。S-O和C-O-S伸縮的觀察表明所有大型藻類中的多糖都發生了硫酸化。C-O-S彎曲振動顯示，在綠藻中硫酸化既發生在赤道位置也發生在軸向位置。相比之下，在紅藻Hypnea valentiae和Centroceras clavulatum中，硫酸化主要發生在赤道位置。除了FTIR之外，X射線衍射（2θ從20o到60o）和X射線熒光也有助于了解大型藻類中的礦物組成。Jania rubens中的C-O伸縮和碳酸鹽的平面外C-O彎曲振動表明其含有Mg方解石。紅藻中碳酸鹽離子的存在表明采樣區域的海水pH值為中性。總體而言，我們的研究表明FTIR足以揭示各種海洋大型藻類的功能基團和化學結構差異，從而對其生態作用及其對水生環境的貢獻提供了寶貴的見解。
引言
海藻或海洋大型藻類是一類非維管、多細胞、肉眼可見的物種，缺乏專門的組織（木質部和韌皮部），分布于不同地質氣候帶的沿海地區（D和A，2015年）。海洋大型藻類通常由固著器、條帶和葉片組成，其整體被稱為藻體。海洋大型藻類在海洋生態系統中起著關鍵作用，并具有重要的經濟和環境價值。它們可以從大氣中吸收CO2，有助于減少大氣中的溫室氣體并緩解海洋酸化（Filbee-Dexter等人，2023年）。此外，大型藻類在減輕海水脫氧和富營養化方面也起著重要作用（Gao等人，2021年）。海洋藻類被認為是第三代生物燃料的主要來源。與第一代和第二代燃料不同，由微藻生產的生物燃料含有高量的多糖、脂質和生物甲烷，生長速度快，并且能夠在非耕地使用廢水的情況下生長，而不會與食物生產競爭（Anone等人，2015年；Saini等人，2015年；Gao等人，2020年）。海洋大型藻類含有多種具有藥用特性的生物活性物質（Ganesan等人，2019年）。真核海洋大型藻類是多種宏量營養素的來源，如多糖、膳食纖維、蛋白質、多不飽和脂肪酸（PUFA）、歐米伽-3和歐米伽-6脂肪酸、維生素和礦物質（Premarathna等人，2022年；Carpena等人，2023年）。這些大型藻類是多種藻膠的主要來源，包括卡拉膠（Carrageenan）、烏爾瓦膠（Ulvan）、藻酸酯（Alginate）、巖藻多糖（Fucoidan）等（El-Beltagi等人，2022年；Fernando等人，2017年；Guidara等人，2021年；Ibrahim等人，2022年）。由于能夠產生富含能量的油脂，海洋大型藻類也被探索作為潛在的生物燃料原料（Hannon等人，2010年）。
根據顏色和棲息地，海洋大型藻類大致分為三類：綠藻（Chlorophyta）、褐藻（Phaeophyceae）和紅藻（Rhodophyta）（Paniz等人，2020年）。海洋大型藻類的顏色主要取決于其中存在的優勢光合色素，如葉綠素、類胡蘿卜素、巖藻黃質和藻藍蛋白。綠藻富含葉綠素a、b和類胡蘿卜素，使它們能夠在海洋上層（最深10米）的光照區域生長。褐藻產生巖藻黃質、葉綠素a、c和類胡蘿卜素，使其呈現棕色，并能在超過20米的深度進行光合作用（Ferrara，2023年）。紅藻中的水溶性藻膽蛋白（如藻紅蛋白和藻藍蛋白）能在海洋150米深度有效吸收紅、橙、綠波長的光進行光合作用（Ferrara，2023年）。海洋大型藻類中的生化成分很大程度上取決于物種所屬的科及其地質環境（Yang等人，2021a）。因此，廣泛研究和表征海洋大型藻類對于了解它們作為生物活性分子來源在醫學領域的應用至關重要。
全球約有9800種海洋大型藻類被商業化利用（El-Beltagi等人，2022年）。盡管印度擁有長達11,098公里的 coastline，沿線環繞阿拉伯海、印度洋和孟加拉灣，但在已知的865種藻類中只有60種具有商業價值（El-Beltagi等人，2022年；Ss和Murugan，2017年；Mantri等人，2020年）。將原始海洋生物質轉化為具有競爭力的高產量產品的主要瓶頸之一是對各種物種的生化、結構和分子特性的有限了解。
海洋大型藻類的形態識別是一種初步技術（Yang等人，2021a；Leliaert等人，2012年）。基于分子表征的光譜技術可以提供關于分子結構、組成和性質的寶貴信息。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）是一種經典的非破壞性光譜方法，可以提供有關生物樣本中存在的生化功能基團的寶貴信息。FTIR廣泛用于識別和表征生物分子，如蛋白質、核酸、碳水化合物和光合色素，這是基于它們的特征紅外吸收頻率（Banerjee等人，2024年；Liu等人，2020年；Sukhikh等人，2022年）。通過利用功能基團的振動模式，該技術可以闡明化合物的結構特征。FTIR已被用于揭示大型藻類的質量、真實性、營養成分以及防止商業產品摻假的具體生物標志物（Espinosa-Velázquez等人，2018年；Vandanjon等人，2023年）。FTIR還被用于確定大型藻類中的脂質、碳水化合物、蛋白質含量以及多糖的硫酸化程度（Liu等人，2020年）。FTIR光譜也是表征影響藻類衍生材料的沉積后過程及其與其他海洋生物或非生物物質相互作用的有效工具（Murdock等人，2008年）。對印度次大陸大型藻類的FTIR研究，主要來自泰米爾納德邦（Tamilnadu）和古吉拉特邦（Gujarat）海岸，幫助識別了關鍵生物活性化合物，如多糖、硫酸化多糖、芳香烴和生物礦物（Fernando等人，2017年；Kannan，2014年；Sowjanya和Sekhar，2017年）。維沙卡帕特南（Visakhapatnam）的海岸線以巖石海岸、岬角和潮池為特征，支持著多樣化的海洋大型藻類。該地區的研究發現了豐富的海洋大型藻類多樣性（Sowjanya和Sekhar，2017年）。在本研究中，從印度安得拉邦維沙卡帕特南海岸的Rushikonda和Tenneti海灘收集了不同的綠色、棕色和紅色海洋大型藻類物種，并利用FTIR光譜進行了功能基團分析。本研究的主要目的是闡明這三種類型海洋大型藻類之間的結構差異，并提供關于這些海洋大型藻類功能特性的新見解。
研究片段
大型藻類的采集
2023年9月至2024年1月期間，每天早晨5點至7點，在低潮時，從Rushikonda海灘（17.8341°N；83.4130°E）和Tenneti海灘（17.7486°N；83.3503°E）的潮間帶和亞潮帶隨機手工采集海洋大型藻類。海洋大型藻類樣本來自常見的基質，如淹沒的巖石和沿海廢棄物，如漁網、塑料繩等。所有采集地點的地理坐標均使用GPS標記（圖1）。每個分類單元都進行了鑒定。
綠色大型藻類的FTIR分析
每種大型藻類都有獨特的生化特征，包括不同水平的多糖、蛋白質、脂質和酚類化合物。根據先前的研究，海洋大型藻類的FTIR光譜可分為三個主要區域：蛋白質區域（明確顯示酰胺I和酰胺II，1800–1500 cm?1）、脂質區域（1740 cm?1）和碳水化合物區域（1200–900 cm?1）（Barto?ová等人，2015年）。此外，在生化分析中還觀察到了兩個額外的光譜帶。
結論
基于海洋大型藻類的紅外吸收帶對功能基團的鑒定顯示了復雜的生化特征。FTIR光譜證實了所有研究藻類樣本中都存在蛋白質和多糖。FTIR光譜還發現了Gracilaria foliifera和Ulva lactuca中多糖和蛋白質之間的增強非共價氫鍵，這對細胞內相互作用、結構完整性和凝膠化過程至關重要。
CRediT作者貢獻聲明
Moupriya Mukherjee：研究、數據分析。Palanisamy M：研究。Dadhich Anima：監督、撰寫-審稿及編輯、撰寫-初稿、方法論、概念化。Tanushree Panigrahi：撰寫-初稿、方法論、研究、數據分析。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了UGC-DAE科學研究聯盟，加爾各答中心的支持，通過合作研究計劃（授權號：UGC-DAE-CSR/15/IOP/04/0566）。作者感謝S.S. Ghugre博士的指導和有益討論，同時也感謝P. V. Rajesh博士進行的粉末XRD測量。
