第一作者：Meng Xia, Yan Song, Jiahui Yu, Mengyue Zeng

通信作者：Yan Song, Tao Yang, Juanxiu Xiao, Jia Zhu

通訊作者單位：南京大學(xué)，海南醫(yī)科大學(xué)，海南大學(xué)

導(dǎo)讀

對(duì)于沿海社區(qū)而言，灌溉用水和可用耕地非常有限。盡管基于反滲透（RO）的海水淡化農(nóng)業(yè)已在部分地區(qū)成功應(yīng)用，海水淡化農(nóng)業(yè)仍面臨諸如硼污染、基礎(chǔ)設(shè)施成本高以及能源密集型作業(yè)等挑戰(zhàn)。本文報(bào)道了一種太陽能循環(huán)海水淡化農(nóng)業(yè)的策略，利用陽光生產(chǎn)灌溉用水，將農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品升級(jí)為功能性材料，實(shí)現(xiàn)“水-糧食-材料”的良性循環(huán)。

具體而言，在糧食-水循環(huán)中，由食品廢棄物制成的生物質(zhì)蒸發(fā)器通過太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)淡化海水，產(chǎn)生大量高質(zhì)量的灌溉用水和家庭飲用水。種植的大豆被加工成食品，廢水被回收用作太陽能淡化的供水，以減少排放。同時(shí)，在材料循環(huán)中，豆粕通過自組裝成為基于淀粉樣纖維的生物質(zhì)蒸發(fā)器，豆秸則被轉(zhuǎn)化為肥料以改善土壤。

在海南島進(jìn)行的為期三個(gè)月的田間試驗(yàn)驗(yàn)證了從種子發(fā)芽到收獲、加工及廢棄物再利用的完整循環(huán)的可行性。按全球人均0.6公頃農(nóng)業(yè)用地的規(guī)模，此系統(tǒng)可滿足47人的日常食物需求。此外，該策略可適用于多種經(jīng)濟(jì)、糧食作物，同時(shí)成功修復(fù)了鹽堿土壤。這為資源有限地區(qū)的水資源短缺、糧食安全和能源挑戰(zhàn)提供了一種可持續(xù)、可擴(kuò)展的解決方案。

圖1 太陽能循環(huán)海水淡化農(nóng)業(yè)

亮點(diǎn)剖析

一、“基于廢豆粕的淀粉樣蛋白纖維生物蒸發(fā)器的制備與表征”

通過自下而上的分級(jí)結(jié)構(gòu)工程，廢棄大豆粉轉(zhuǎn)化成為了功能性的生物蒸發(fā)器。該過程包括四個(gè)主要步驟：蛋白質(zhì)提取、纖維化、冷凍干燥和原位功能化（圖2a）。所得的淀粉樣生物蒸發(fā)器具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和垂直排列的通道（圖2b-c），在太陽能淡化中表現(xiàn)出理想的性能，包括可擴(kuò)展性、輕質(zhì)量、高效的太陽能轉(zhuǎn)熱轉(zhuǎn)換效率、快速的吸水性能以及機(jī)械穩(wěn)定性（圖2e-i）。

圖2 基于廢豆粕的淀粉樣蛋白纖維生物蒸發(fā)器的制備與表征

二、“生物蒸發(fā)器在太陽能海水淡化中的性能和穩(wěn)定性”

農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，太陽能海水淡化必須提供足夠的淡水以維持完整周期的作物種植，同時(shí)確保灌溉級(jí)的水質(zhì)，并在鹽分條件和微生物暴露下保持穩(wěn)定運(yùn)行。

在產(chǎn)水量方面，本研究中的蒸發(fā)器足以產(chǎn)出滿足大豆整個(gè)生長周期的需水量。海南夏季實(shí)驗(yàn)期間，系統(tǒng)產(chǎn)生了8.29 L m-2的水，相當(dāng)于8.29 mm day-1。在產(chǎn)水水質(zhì)方面，太陽能海水淡化有效去除鹽分，產(chǎn)出適合農(nóng)業(yè)使用的無硼淡水。對(duì)植物有毒的硼在太陽能蒸餾水中降至0.18 mg L-1，遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)閾值（<0.7 mg L-1）。相比之下，典型反滲透產(chǎn)水中的硼濃度為2.26 mg L-1，對(duì)大多數(shù)作物（包括大豆，<1.0 mg L-1）都是有害的。

生物蒸發(fā)器具有穩(wěn)定的抗鹽性能。淀粉樣纖維前體的豐富親水基團(tuán)（-OH 和-NH）增強(qiáng)了水的吸收并促進(jìn)鹽的溶解，垂直排列的通道也能使鹽能夠高效地回輸至溶液，防止表面累積。即使在 200 g L-1 鹽水中，生物蒸發(fā)器也能保持穩(wěn)定性能，適用于多種水源。為期 30 天的鹽水連續(xù)測(cè)試進(jìn)一步證明了其長期穩(wěn)定性（圖 3d ）。

此外，生物蒸發(fā)器展現(xiàn)出了廣譜抗菌能力。其機(jī)制在于淀粉樣纖維對(duì)細(xì)菌膜的破壞。15天的菌落實(shí)驗(yàn)表明，相比于未含淀粉樣纖維的常規(guī)蒸發(fā)器，基于淀粉樣纖維的生物蒸發(fā)器具有優(yōu)異的抗生物污垢性能（圖 3f）。

圖3 生物蒸發(fā)器在太陽能海水淡化中的性能和穩(wěn)定性

三、“田間太陽能淡化農(nóng)業(yè)”

為了評(píng)估太陽能循環(huán)淡化農(nóng)業(yè)的可行性，本工作在中國海南島這一面臨農(nóng)業(yè)用水短缺的沿海地區(qū)進(jìn)行了為期三個(gè)月的端到端的田間測(cè)試，包括發(fā)芽、栽培、收獲、加工和再利用。

在不同的灌溉方法下，界面太陽能海水淡化實(shí)現(xiàn)了最佳生長，其次是 RO 膜淡化，而自然蒸發(fā)得出的結(jié)果最差。RO 膜淡化在初期支持的大豆生長與界面太陽能淡化相當(dāng)（圖 4c）。然而，在后期生長階段，葉緣發(fā)黃，即硼毒性導(dǎo)致了植株健康度下降。用自然蒸發(fā)水灌溉的大豆因淡水供應(yīng)不足未能長出葉子。基于這些生長優(yōu)勢(shì)，界面太陽能淡化顯著提高了產(chǎn)量結(jié)果。與RO膜對(duì)比的結(jié)果表明，太陽能蒸餾水中缺乏硼元素在提升作物生產(chǎn)力方面起到了關(guān)鍵作用。

圖4 田間的太陽能淡化農(nóng)業(yè)

四、“可擴(kuò)展性與循環(huán)適用性”

在成功的大豆田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們?cè)u(píng)估了該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和作物適應(yīng)性。擴(kuò)展場(chǎng)景如圖5a所示，而通過四種不同的作物的種植（圖5b），證實(shí)了其作物適應(yīng)性。

圖5c則展示了完整的物料流的分析，以評(píng)估循環(huán)性。循環(huán)的輸入極少且可持續(xù)，包括陽光、海水和用于生物蒸發(fā)器制造的化學(xué)品。輸出滿足多種需求：大豆和飲用水提供營養(yǎng)和水分；豆油和回收的鹽增加了經(jīng)濟(jì)價(jià)值；所有殘?jiān)ǘ蛊伞⒔斩捄腿~子，都能完全回收。豆粕被重新用于生物蒸發(fā)器以維持太陽能淡化，而秸稈和葉子則轉(zhuǎn)化為肥料以改善土壤質(zhì)量。

為了評(píng)估實(shí)際可行性，本文估算了系統(tǒng)滿足人類食物和水需求的能力（圖5d）。0.6公頃（全球人均平均可用耕地面積）的些產(chǎn)量可以滿足1,853人的飲用水需求、237人的蛋白質(zhì)需求、以及47人的干糧需求。綜合來看，這些產(chǎn)量可以滿足人類的食物和水需求，而在沿海或鹽堿水域部署則可在不占用稀缺耕地的情況下進(jìn)行種植。

圖5 可擴(kuò)展性與循環(huán)適用性

思考與討論

本文報(bào)道了一種循環(huán)太陽能海水淡化農(nóng)業(yè)策略的設(shè)計(jì)和示范，該策略利用海水和陽光以最小的浪費(fèi)生產(chǎn)食物。此策略完全依靠太陽能產(chǎn)生豐富的灌溉水，可實(shí)現(xiàn)低成本的離網(wǎng)運(yùn)行。所有的廢棄物都被回收利用。同時(shí)，太陽能海水淡化能夠有效去除硼以確保農(nóng)業(yè)用水安全。此外，該系統(tǒng)能夠支持多樣化的食品和高價(jià)值作物，同時(shí)提供營養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

【文章信息】

Xia, M., Song, Y., Yu, J. et al. Solar-powered circular desalination agriculture enabled by amyloid fibril-based bioevaporators. Nat Water (2026).

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