南京大学/海南大学 Nat. Water |基于淀粉原纤维的生物蒸发器实现太阳能循环海水淡化农业
第一作者：Meng Xia
通讯作者：Yan Song, Tao Yang, Juanxiu Xiao, Jia Zhu
通讯单位：南京大学，海南大学
DOI：10.1038/s44221-026-00615-y
摘要
沿海农业受淡水资源匮乏和传统农业线性、资源密集型模式的制约，产生了大量废弃物和环境影响。本文报道了一种太阳能驱动的循环淡化农业技术，该技术利用阳光和海水生产食物，同时将废弃物降至最低。具体而言：太阳能淡化从海水中提供丰富、无硼的灌溉用水；大豆提供食物和高附加值产品；剩余的生物质被升级为生物蒸发器和肥料，以维持后续的淡化和种植。在海南岛进行的为期3个月的田间试验验证了从种子萌发、收获、加工到废弃物升级利用的完整循环。按全球人均农业用地面积（0.6公顷）规模放大，该系统可满足47人的每日食物需求。除大豆外，该方法还成功修复了盐渍土壤，同时种植了多种粮食和经济作物，展现出广泛的适用性和经济潜力。这种太阳能驱动的循环农业策略为水-食物-能源安全提供了一条可持续路径。
图文解析
图1 | 基于淀粉样蛋白纤维生物蒸发器的太阳能驱动循环淡化农业一种可持续、离网的淡化农业策略，利用海水和阳光生产食物，同时最小化废弃物，实现水-食物-材料的循环。在水-食物循环中，利用食物废弃物衍生的生物蒸发器进行太阳能淡化，提供丰富、无硼的灌溉水和饮用水；种植的大豆提供食物。图2 | 利用废弃豆粕升级制备淀粉样蛋白纤维基生物蒸发器及其表征a. 废弃豆粕通过自下而上的逐步结构工程策略升级为用于界面太阳能淡化的生物蒸发器。b. 大豆淀粉样蛋白纤维的透射电镜图像，比例尺：200 nm。c. 单向淀粉样蛋白气凝胶的横截面扫描电镜图像，显示垂直排列的通道以增强太阳能淡化，黄色虚线标出通道，比例尺：300 μm。d. 淀粉样蛋白纤维基生物蒸发器的扫描电镜图像，显示聚吡咯成功功能化，箭头指示附着的聚吡咯，比例尺：30 μm。f. 大豆蛋白和淀粉样蛋白纤维溶液的硫黄素T荧光光谱，490 nm附近发射增强证实β-折叠聚集形成淀粉样纤维。g. 生物蒸发器在太阳辐射范围（300–2500 nm）的吸收光谱，插图：1倍太阳辐照下生物蒸发器的表面温度开/关变化。h. 水（染红色）在10秒内润湿生物蒸发器，展示优异润湿性。i. 生物蒸发器在60%应变下的压缩应力-应变曲线，插图：压缩和恢复过程中的快照，箭头指示重复压缩-释放循环。图3 | 淀粉样蛋白纤维基生物蒸发器用于太阳能淡化的性能与稳定性a.自然蒸发淡化、界面太阳能淡化与大豆各生长阶段需水量的产水率比较。水平线表示不同生长阶段大豆需水量的上下限，柱高为上下限均值。b.海水、反渗透产水与太阳能蒸馏水的水质对比（联合国粮农组织农业标准），EC：电导率。c.生物蒸发器表面盐分随时间的溶解情况，60分钟内完全溶解，黄色虚线标出盐分边界。d.模拟日循环下的长期太阳能淡化性能，插图为运行3、15、30天后生物蒸发器顶面照片。e.淀粉样蛋白生物蒸发器、空白对照和无淀粉样纤维的常规蒸发器存在下，2小时后形成的细菌菌落照片。f.与海洋细菌孵育后的活/死细菌染色，活细菌呈绿色荧光，受损细胞呈红色荧光，比例尺：50 μm。g.在含细菌的海水中浸泡15天后的生物污损测试：淀粉样蛋白生物蒸发器保持无污损，而常规蒸发器出现生物污损，比例尺：1 cm。图e-g展示了淀粉样蛋白纤维基生物蒸发器的抗菌性能。图4 | 太阳能淡化农业的田间试验a.比较三种淡化灌溉策略：（1）界面太阳能淡化，（2）自然蒸发淡化（无光热蒸发器），（3）反渗透淡化。c. 不同灌溉策略下大豆的生长表现，包括发芽率、株高随时间变化、第42天鲜重和叶面积随时间变化。星号表示显著差异（P < 0.01）。鲜重P = 0.0055，干重P = 0.0019。d. 第42天代表性大豆叶片：太阳能蒸馏水灌溉的叶片无可见损伤，反渗透水灌溉的叶片因硼毒性出现黄边。e. 太阳能蒸馏水和反渗透水灌溉下成熟大豆植株的形态，数字1-9代表每组中不同植株样本。f. 不同灌溉策略下的大豆产量，包括平均每株饱满荚数、平均地上部生物量、总荚重和总大豆重。太阳能蒸馏水灌溉的植株产量显著优于反渗透水。星号表示显著差异（P < 0.01）。饱满荚数P = 0.0019，地上部生物量P = 0.0030。数据为均值±标准差，并显示单个数据点。样本为生物学独立的大豆植株或种子。发芽：n=3个生物学重复（每重复30粒种子）；植株重量：n=6株；饱满荚数和地上部生物量：n=9株。未使用技术重复。统计学显著性采用Welch双尾t检验（植株重量、地上部生物量）和双尾Wilcoxon秩和检验（饱满荚数），未进行多重比较校正。图5 | 太阳能驱动循环淡化农业的可扩展性和循环适用性a. 11 m × 6 m放大太阳能农业淡化试验田照片。该系统与市售材料和标准滴灌兼容，并支持多种作物种植。b. 太阳能淡化农业成功种植了多种粮食和经济作物（如月季），展示出广泛的适用性和经济潜力，比例尺：10 cm。c. 代表性2 m²部署（1 m²太阳能淡化 + 1 m²种植）的物质流。输入包括太阳能、海水和化学品。输出包括大豆、饮用水、豆油和盐。所有残余物（豆粕、秸秆、叶片）均被回收以维持系统运行。LN：液氮。d. 0.6公顷部署（对应全球人均农业用地面积）的实际效用。输出可满足1853人的饮用水需求（51升/人/天）、237人的蛋白质需求（50克/人/天）以及47人的干粮需求，展示了其在资源有限地区支持基本人类需求的潜力。结论
我们报道了一种循环太阳能淡化农业策略的设计与验证，该策略利用海水和阳光生产食物，同时将废弃物降至最低。在海南岛进行的为期3个月的田间试验验证了完整的循环过程——从种子萌发、作物生长、收获到产品加工和废弃物升级利用——均在真实条件下完成。值得注意的是，按全球人均农业用地面积（0.6公顷）规模放大，该系统可满足47人的每日食物需求。仅依赖太阳能产生充足的灌溉用水，实现可持续淡化农业和盐渍土壤修复。太阳能淡化有效去除硼（传统淡化中的有害污染物），确保农业用水安全。所有废弃物均被循环利用：废水回用于太阳能淡化，加工废料豆粕转化为淡化功能材料，农业副产物转化为肥料改善土壤健康。系统可支持多种粮食和高价值作物，提供营养和经济回报。综上所述，这些特点为资源有限地区的水资源短缺、粮食安全和能源挑战提供了一种可持续、可扩展的解决方案。本公众号仅用于学术宣传交流，无任何商业获利行为，如有侵权问题请及时联系删除！
