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IF=24.1,南京大学朱嘉教授、宋琰联合海南医科大学杨涛教授和海南大学肖娟秀研究员《nature water》最新发文!

2026-04-20 04:14:10

Food Science Popularization ｜ 食研科普

探索食品行业中机器学习技术的广阔领域：技术与实际应用的综合回顾

导读

近日，南京大学的研究团队在权威期刊《nature water》（IF=24.1）发表题为“Solar-powered circular desalination agriculture enabled by amyloid fibril-based bioevaporators”的研究性论文。该论文由南京大学能源与资源学院、海南大学海洋技术与装备学院与海南医科大学合作完成，朱嘉教授、宋琰特聘研究员、肖娟秀研究员、杨涛教授为该论文的通讯作者。

超过三分之一的农村成年人面临中度或重度粮食不安全问题。这一问题在沿海社区尤为严重，因为这些地区既缺乏灌溉用水，可耕地也十分有限。海水淡化农业通过将海水转化为灌溉水，提供了一种极具前景的解决方案。例如，基于反渗透（RO）技术的海水淡化农业已在西班牙和以色列成功应用。然而，海水淡化农业仍面临诸多挑战，例如硼污染、高昂的基础设施成本以及高能耗的运营模式。亟需推行可持续农业，将海水淡化农业从线性的“取—制—弃”模式转变为循环的“回收—再利用—再循环”范式。具体而言，循环海水淡化农业应遵循五项核心原则：保护农业生态系统、满足营养需求、使用可再生能源、最大限度减少废物以及回收副产品。落实这些原则需要重新设计从海水淡化到作物选择、种植、加工及回收的整个农业食品链。然而，目前仍缺乏这样的综合性循环框架。

在此，我们提出一种太阳能驱动的循环海水淡化农业模式，作为沿海粮食生产的可持续、离网替代方案。该方法利用阳光生产灌溉用水，并将农业副产品升级再利用为功能性材料，从而实现水–粮食–材料的循环利用（图1）。在水-食物循环中，由食物废弃物制成的生物蒸发器通过太阳能驱动的界面脱盐技术对海水进行净化。该过程通过将光热加热集中于液-气界面，可为家庭生产出充足且高质量的灌溉用水和饮用水。大豆经种植加工制成食品，而废水则被循环利用作为太阳能脱盐的“燃料”，以最大限度减少排放。在物质循环中，农业副产品得到增值利用：大豆粕通过自组装升级为基于淀粉纤维的生物蒸发器，而大豆秸秆则转化为肥料以改良土壤。这些循环共同构建了一个循环农业框架，在资源受限的沿海环境中最大限度地减少浪费、循环利用资源并增强粮食安全。

沿海农业受到淡水短缺以及传统农业线性、资源密集型特性的制约，且伴随大量浪费和环境影响。本文介绍了一种太阳能驱动的循环海水淡化农业模式，该模式利用阳光和海水生产食物，同时将浪费降至最低。具体而言，太阳能海水淡化技术能从海水中提取大量无硼灌溉水；大豆可提供食物及高附加值产品；剩余生物质则被升级利用为生物蒸发器和肥料，从而维持后续的海水淡化与种植活动。在海南岛进行的为期3个月的田间试验验证了从种子发芽到收获、加工及废物升级利用的完整循环过程。该系统规模扩大至0.6公顷（相当于全球人均农业用地面积），可满足47人的每日食物需求。除大豆外，该方法在培育多样化粮食作物和经济作物的同时，还成功改良了盐渍化土壤，凸显了其广泛的适用性和经济潜力。这一太阳能驱动的循环农业战略为实现水-粮食-能源安全提供了可持续的发展路径。

为了验证这一方法，在中国海南岛建造了一个循环式太阳能海水淡化农业系统，并进行了为期3个月的实地测试。我们开展了涵盖发芽、种植、收获、加工及废物升级再利用的全流程实地测试。0.6公顷的种植面积（相当于全球人均平均农业用地）可为1,853人提供饮用水，为237人提供蛋白质，并为47人提供干粮。除大豆外，该方法还成功改良了盐渍化土壤，同时支持了多样化的粮食作物及高价值经济作物（如中国玫瑰），凸显了其广泛的适用性和经济潜力。

研究亮点

★将豆渣制成蒸发器用于海水淡化，淡化后的水用于灌溉大豆，大豆加工后的废料（豆渣、秸秆）再被回用为蒸发器原料和肥料，形成零废弃闭环。

★该蒸发器由豆渣中提取的蛋白自组装而成，无需高温热解，且具有宽光谱吸收（92.2%）、高效蒸发（1.93 kg·m⁻²·h⁻¹）、长效抗盐抗菌等优势。

★太阳能界面蒸发能有效去除海水中的硼（降至0.18 mg·L⁻¹），避免反渗透海水淡化中硼残留对作物的毒害，显著提升大豆产量。

★在中国海南岛的实地试验中，该系统成功支撑了大豆从发芽到收获的全周期生长，并验证了其规模化（11m×6m）和作物普适性。

★根据全球人均农业用地（0.6公顷）估算，一套系统产出的水和食物，可满足47人全部食物或1853人饮用水需求。

研究结论与意义

★本文报告了一种循环太阳能海水淡化农业策略的设计与示范，该策略利用海水和阳光生产食物，且废弃物极少。在海南岛进行的为期3个月的田间试验，在实际条件下验证了这一完整的循环过程——从种子发芽、作物生长和收获，到产品加工和废弃物升级再利用。值得注意的是，仅需0.6公顷的种植面积（相当于全球人均农业用地面积），即可满足47人的每日食物需求。这种循环太阳能海水淡化农业模式具有多项独特优势。首先，它完全依赖太阳能产生充足的灌溉水，从而实现可持续的海水淡化农业及盐渍化土壤修复（补充图20和21）。其次，太阳能淡化能有效去除硼——这种在传统淡化过程中难以处理且有害的污染物⁴¹——从而确保农业用水的安全。第三，所有废弃物均被循环利用：废水被回用以维持太阳能海水淡化系统运行，加工后的废大豆粕被转化为海水淡化所需的功能性材料，农业副产品则被制成肥料以改善土壤健康，从而实现闭环循环。最后，该系统可支持多种食品及高价值作物的种植，既能提供营养价值，又能带来经济收益（补充表5）。综合来看，这些特性为资源匮乏地区的水资源短缺、粮食安全及能源挑战提供了一种可持续、可扩展的解决方案。

图文赏析

图1 基于淀粉样纤维的生物蒸发器实现的太阳能驱动环形海水淡化农业

图2利用废弃大豆粕进行升级再利用，制备并表征基于淀粉样纤维的生物蒸发器。a，通过自下而上的策略结合分步结构工程，将废弃大豆粕升级为用于界面太阳能脱盐的生物蒸发器。b，大豆淀粉样纤维的透射电子显微镜图像。c，单向淀粉样气凝胶的横截面扫描电子显微镜图像，其垂直排列的通道可增强太阳能脱盐效果。黄色虚线标出了通道。d，基于淀粉样纤维的生物蒸发器的扫描电子显微镜图像，显示PPy功能化成功。箭头指示附着的PPy。e，源自废大豆粕的放大生物蒸发器照片。f，大豆蛋白和淀粉样纤维溶液的硫黄素T荧光光谱。由β-折叠片聚合引起的约490 nm处增强的发射峰证实了淀粉样纤维的形成。g，生物蒸发器在太阳辐射波段（300–2,500 nm）内的吸收光谱。插图：在1倍太阳辐射下，生物蒸发器的表面温度（开启/关闭状态）。h，水（染成红色）在10秒内润湿生物蒸发器，表明其具有优异的润湿性。i，生物蒸发器在高达60%应变下的压缩应力-应变曲线。

图3基于淀粉样纤维的生物蒸发器在太阳能海水淡化中的性能与稳定性。 a，水资源利用率比较：自然蒸发、脱盐、界面太阳能脱盐与大豆在不同生长阶段的需水量。b，海水、反渗透产水及太阳能蒸馏水与联合国粮食及农业组织农业标准的水质对比。EC，电导率。c，生物蒸发器表面盐分随时间推移的溶解情况，显示60分钟内完全溶解。黄色虚线标记盐分的边界。d，在模拟日周期下的长期太阳能脱盐性能。插图：生物蒸发器顶面在运行3、15和30天后的照片。e，在含淀粉样蛋白的生物蒸发器、空白对照组以及不含淀粉样纤维的传统蒸发器中，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图。活菌呈绿色荧光，受损细胞则呈红色荧光。比例尺，50 μm。g，在含细菌的海水中运行15天后的生物污损测试。淀粉样蛋白生物蒸发器未发生污损，而传统蒸发器则出现了生物污损。图e–g展示了基于淀粉样蛋白纤维的生物蒸发器的抗菌特性。

图4 太阳能海水淡化农业的田间试验。a，比较了三种海水淡化灌溉策略：(1) 界面太阳能淡化，(2) 自然蒸发淡化（即不使用光热蒸发器）以及 (3) 反渗透淡化。b，三种灌溉策略下大豆植株的形态发育情况。c，不同灌溉策略下大豆的生长表现，包括发芽率、随时间变化的植株高度、第42天的鲜重以及随时间变化的叶面积。d，第42天的大豆代表性叶片。使用太阳能蒸馏水灌溉的叶片未见明显损伤，而使用RO水灌溉的叶片则因硼毒性导致叶缘发黄。e，使用太阳能蒸馏水和RO水灌溉的成熟大豆植株形态。数字1–9代表各灌溉组中的单株样本。f，不同灌溉策略下的大豆产量，包括每株平均饱满荚数、平均地上部生物量、荚总重及大豆总重。与反渗透水相比，太阳能蒸馏水灌溉的植株产量更高。

图5 太阳能循环脱盐农业的可扩展性与循环适用性。a，一张11米×6米的放大版太阳能农田脱盐试验田的照片。该系统兼容市售材料和标准滴灌系统，同时支持多种作物的种植。b，太阳能脱盐农业成功种植了多种粮食作物和经济作物，例如中国萝卜（R. chinensis），凸显了其广泛的适用性和经济潜力。比例尺：10 厘米。c，一个典型2 平方米部署（1 平方米太阳能脱盐区和 1 平方米种植区）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、大豆油和盐类。所有残余物——大豆粕、秸秆和叶片——均被循环利用以维持系统运行。LN，液氮。d，一个0.6公顷规模部署的实际效用，该面积相当于全球人均平均农业用地。产出可满足1,853人的饮用水需求（5升/天）、237人的蛋白质需求（50克/天）以及47人的干粮需求，这表明该系统有潜力在资源有限的地区满足人类的基本需求。