DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2025.1644390
تاريخ النشر: 2025-09-05
المؤلف: H. S. Cheng وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تتناول المراجعة التأثيرات المتزايدة للاحتباس الحراري العالمي، المدفوعة بشكل أساسي بانبعاثات غازات الدفيئة، وخاصة ثاني أكسيد الكربون (CO₂). تبرز المراجعة الطحالب الدقيقة كحل قابل للتطبيق لاحتجاز الكربون بسبب قدرتها على تثبيت CO₂ بمعدلات تتجاوز 1.5 كجم/م²/سنة وإنتاج منتجات عالية القيمة مثل الوقود الحيوي والمواد الكيميائية والطعام. تفحص الورقة بشكل نقدي آليات احتجاز الكربون بواسطة الطحالب الدقيقة وتحدد إمكانيات سبعة أنواع صالحة للأكل، مع التأكيد على دورها في التخفيف من انبعاثات غازات الدفيئة الزراعية. كما تتناول التحديات التقنية والاقتصادية لتوسيع زراعة الطحالب الدقيقة من البيئات المخبرية إلى التطبيقات الصناعية، بما في ذلك تحسين أنظمة الزراعة وتقنيات الحصاد.
في الختام، تُعتبر الطحالب الدقيقة مورداً مستداماً لتحقيق الحياد الكربوني، نظراً لنموها السريع واحتياجاتها الغذائية القليلة وقدرتها على الازدهار في الأراضي غير القابلة للزراعة. تؤكد المراجعة على التقدم في تكنولوجيا الطحالب الدقيقة التي تعزز الكفاءة الضوئية وإنتاج الكتلة الحيوية، مما يسهم في اقتصاد دائري من خلال استخدام تدفقات النفايات للزراعة. على الرغم من الإمكانيات الواعدة، يجب معالجة التحديات مثل قيود البنية التحتية والقضايا التنظيمية والعوامل الاقتصادية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين الهندسة الوراثية والمسارات الحيوية لزيادة الإنتاجية وتثبيت CO₂، مما يضع الطحالب الدقيقة في صميم جهود التخفيف من تغير المناخ العالمي.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة البحثية الضوء على شدة الاحتباس الحراري العالمي المتزايدة، والتي تتميز بزيادة في الأحداث المناخية المتطرفة وارتفاع انبعاثات غازات الدفيئة (GHG)، وخاصة من المصادر الزراعية. تشير الدراسات الحديثة إلى أن انبعاثات الزراعة والثروة الحيوانية تتجاوز الآن تلك الناتجة عن جميع وسائل النقل مجتمعة، مما يبرز الحاجة الملحة لاستراتيجيات فعالة لتقليل غازات الدفيئة (Yin et al., 2022; Sun and Xu, 2022). تؤكد الورقة على أهمية نهج التخفيف المتكامل، بما في ذلك تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه (CCS)، والتي تعتبر ضرورية لتقليل مستويات CO₂ في الغلاف الجوي. يتم مناقشة طرق مختلفة مثل التخزين الجيولوجي، والتشجير، واستخدام الفحم الحيوي كاستراتيجيات فعالة لـ CCS (Cherepovitsyn et al., 2020; Anwar et al., 2018).
علاوة على ذلك، يتم استكشاف إمكانيات الطحالب الدقيقة في احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS). يمكن للطحالب الدقيقة تحويل CO₂ بكفاءة إلى كتلة حيوية ومنتجات عالية القيمة، مما يظهر قدرة احتجاز CO₂ أكبر بكثير من تلك الخاصة بالنباتات الأرضية (Wang et al., 2025). توضح الورقة مزايا الطحالب الدقيقة، بما في ذلك النمو السريع، وعدم التنافس مع الأراضي الزراعية، والقدرة على إنتاج منتجات ثانوية قيمة مثل الوقود الحيوي والبروتينات (Xu et al., 2024). على الرغم من وعد تقنيات الطحالب الدقيقة، فإن معظم الأبحاث كانت محدودة في البيئات المخبرية، مع تقدم قليل على نطاق أوسع. تهدف هذه الدراسة إلى تقديم مراجعة شاملة لدور الطحالب الدقيقة في تحقيق الحياد الكربوني والتخفيف من تغير المناخ، مع معالجة التحديات وآفاق المستقبل لتكنولوجيا الطحالب الدقيقة.
نقاش
يسلط النقاش الضوء على الدور الكبير للزراعة في انبعاثات غازات الدفيئة (GHG)، حيث تمثل حوالي 18% من إجمالي الانبعاثات، بشكل رئيسي من ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والميثان (CH₄) وأكسيد النيتروز (N₂O). تسهم الممارسات الزراعية، بما في ذلك استخدام الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية وتربية الماشية، بشكل ملحوظ في هذه الانبعاثات. على سبيل المثال، تولد تربية الماشية أكثر من 41% من انبعاثات غازات الدفيئة الزراعية، حيث تعتبر تربية الألبان أكبر مساهم. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر زراعة الأرز مصدراً مهماً لانبعاثات CH₄، بينما ترتفع انبعاثات N₂O بسبب زيادة استخدام الأسمدة النيتروجينية، مما يشكل تهديدات لكل من المناخ والأوزون الستراتوسفيري.
تناقش الفقرة أيضاً آثار الاحتباس الحراري العالمي، بما في ذلك الآثار السلبية على جودة المياه، والتنوع البيولوجي، وصحة النظام البيئي. تؤكد على الحاجة الملحة للعمل العالمي للحد من انبعاثات غازات الدفيئة، مشيرة إلى الاتفاقيات الدولية مثل اتفاق باريس التي تهدف إلى الحد من الانبعاثات. في هذا السياق، تُقدم الطحالب الدقيقة كحل واعد لاحتجاز الكربون وإنتاج الوقود الحيوي. إن قدرتها على التقاط CO₂ من خلال عملية التمثيل الضوئي، إلى جانب نموها السريع وقدرتها على التكيف، تجعلها عوامل فعالة في التخفيف من تغير المناخ. يتم أيضاً استكشاف إمكانية استخدام الطحالب الدقيقة كمصانع حيوية محايدة للكربون لإنتاج منتجات عالية القيمة، بما في ذلك الطعام والوقود الحيوي، مما يبرز فوائدها المتعددة في مواجهة التحديات البيئية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmars.2025.1644390
Publication Date: 2025-09-05
Author(s): H. S. Cheng et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
The review discusses the escalating impacts of global warming, driven primarily by greenhouse gas emissions, particularly carbon dioxide (CO₂). It highlights microalgae as a viable solution for carbon sequestration due to their ability to fix CO₂ at rates exceeding 1.5 kg/m²/year and produce high-value products such as biofuels, chemicals, and food. The paper critically examines the mechanisms of carbon capture by microalgae and outlines the potential of seven edible species, emphasizing their role in mitigating agricultural GHG emissions. It also addresses the technical and economic challenges of scaling microalgae cultivation from laboratory settings to industrial applications, including the optimization of cultivation systems and harvesting techniques.
In conclusion, microalgae are positioned as a sustainable resource for achieving carbon neutrality, given their rapid growth, minimal nutritional needs, and ability to thrive on non-arable land. The review underscores the advancements in microalgal biotechnology that enhance photosynthetic efficiency and biomass yield, thereby contributing to a circular economy by utilizing waste streams for cultivation. Despite the promising potential, challenges such as infrastructure limitations, regulatory issues, and economic factors must be addressed. Future research should focus on optimizing genetic engineering and biosynthetic pathways to improve productivity and CO₂ fixation, ultimately positioning microalgae as a cornerstone in global climate change mitigation efforts.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the escalating severity of global warming, characterized by an increase in extreme weather events and rising greenhouse gas (GHG) emissions, particularly from agricultural sources. Recent studies indicate that emissions from agriculture and livestock now exceed those from all transportation combined, underscoring the urgent need for effective GHG reduction strategies (Yin et al., 2022; Sun and Xu, 2022). The paper emphasizes the importance of integrated mitigation approaches, including carbon capture and storage (CCS) technologies, which are essential for reducing atmospheric CO₂ levels. Various methods such as geological storage, afforestation, and the use of biochar are discussed as effective CCS strategies (Cherepovitsyn et al., 2020; Anwar et al., 2018).
Furthermore, the potential of microalgae in carbon capture, utilization, and storage (CCUS) is explored. Microalgae can efficiently convert CO₂ into biomass and high-value products, demonstrating a CO₂ sequestration capacity significantly greater than that of terrestrial plants (Wang et al., 2025). The paper outlines the advantages of microalgae, including rapid growth, non-competition with agricultural land, and the ability to produce valuable by-products such as biofuels and proteins (Xu et al., 2024). Despite the promise of microalgal technologies, the majority of research has been limited to laboratory settings, with few advancements at larger scales. This study aims to provide a comprehensive review of microalgae’s role in achieving carbon neutrality and mitigating climate change, while also addressing the challenges and future perspectives of microalgal biotechnology.
Discussion
The discussion highlights the significant role of agriculture in greenhouse gas (GHG) emissions, accounting for approximately 18% of total emissions, primarily from carbon dioxide (CO₂), methane (CH₄), and nitrous oxide (N₂O). Agricultural practices, including the use of synthetic nitrogen fertilizers and livestock farming, contribute notably to these emissions. For instance, livestock farming generates over 41% of agricultural GHG emissions, with dairy farming being the largest contributor. Additionally, rice cultivation is a significant source of CH₄ emissions, while N₂O emissions are rising due to increased nitrogen fertilizer use, posing threats to both climate and stratospheric ozone.
The section further discusses the implications of global warming, including adverse effects on water quality, biodiversity, and ecosystem health. It emphasizes the urgency for global action to reduce GHG emissions, referencing international agreements such as the Paris Agreement aimed at limiting emissions. In this context, microalgae are presented as a promising solution for carbon sequestration and biofuel production. Their ability to capture CO₂ through photosynthesis, coupled with their rapid growth and adaptability, positions them as effective agents in mitigating climate change. The potential for microalgae to serve as carbon-neutral biofactories for high-value products, including food and biofuels, is also explored, underscoring their multifaceted benefits in addressing environmental challenges.