PNAS | 德国马普所研究揭示微生物和太阳能可以生产比植物多10倍的食物！

粮食安全是未来几十年人类面临的“关键问题”，因为全球人口不断增长，生物燃料与农作物争夺土地（PNAS | 北卡罗来纳州立大学提出利用新工具预防植物病害大流行对于维护全球粮食安全迫在眉睫！Nature Plants | 英国谢菲尔德大学综述实现粮食和气候安全的全球农业新方法！）。微生物已被用于制作许多常见食物，例如面包、酸奶和啤酒。科研人员认为微生物食品非常有前途，将成为解决潜在粮食危机的主要策略之一。至少有十几家公司已经在用微生物生产动物饲料，但细菌通常是用来自其他作物的糖或来自化石燃料的甲烷或甲醇来喂养的。

近日，国际权威学术期刊PNAS发表了德国马克斯普朗克分子植物生理学研究所Arren Bar-Even团队的最新相关研究成果，题为Photovoltaic-driven microbial protein production can use land and sunlight more efficiently than conventional crops的研究论文。

这项新的研究表明将太阳能和微生物结合起来可以生产比大豆等作物多10倍的蛋白质。该系统对环境的影响也非常小，这与造成大量气候变暖气体和水污染的畜牧业形成鲜明对比。这个概念利用来自太阳能电池板的电力和空气中的二氧化碳为微生物创造燃料，这些微生物在生物反应器中生长，然后被加工成干燥的蛋白质粉末。这个过程高度有效地利用了土地、水和肥料，可以在任何地方部署，而不仅仅是在阳光强烈或土壤肥沃的国家。该研究首次对传统农业和太阳能微生物生产系统之间土地利用和能源效率进行定量比较。

研究人员使用数据来计算该过程每个步骤的效率，包括从空气中捕获二氧化碳并将微生物加工成人们可以食用的食物。他们发现微生物系统仅使用了农作物所需水的1%和一小部分肥料，其中大部分在田间使用时被浪费了。分析估计，太阳能微生物过程每年可以从每公顷（或每 2.5 英亩）中生产15吨蛋白质，足以养活520人，科研人员称这是一个保守的估计。相比之下，一公顷大豆可以生产 1.1 吨蛋白质，供40人食用。即使在像英国这样阳光水平相对较低的国家，每公顷的微生物蛋白质产量至少是植物的五倍。微生物蛋白质的成本与人们目前食用的蛋白质的成本大致相同。但它比目前的动物饲料贵几倍，尽管预计未来的技术改进会降低成本。植物的光合作用能力非常出色，但就能源效率而言，主要作物只能将约1%的太阳能转化为可食用的生物质。这是因为植物已经进化为竞争和繁殖以及生长，并且比光伏电池板使用更少的太阳光谱。但食物不仅由蛋白质和碳水化合物等主要营养素组成，还有很多对人体健康很重要的次要化合物。在该模型通过中试工厂进行测试和成本计算之前，包括对太阳能电池板生产的生命周期评估，很难评论它是否会改善农业已经持续了数千年的系统。

图 1. 从太阳能生产单细胞蛋白质过程中能量转移的示意图

图2. 用于饲料或食品的PV-SCP生产的热量产量与辐照度的关系

图3. PV-SCP生产的蛋白质产量与辐照度的关系

图4. 采用三种不同的生产策略，生产营养蛋白的土地划分

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