南京大學(xué)，最新Nature Water！

在全球范圍內(nèi)，淡水短缺與耕地資源緊張正成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。尤其是在沿海地區(qū)，雖然擁有豐富的海水資源，卻長期面臨灌溉用水不足與土壤鹽堿化問題。傳統(tǒng)海水淡化農(nóng)業(yè)雖然提供了一條路徑，但仍存在能耗高、成本高以及 硼污染等難題，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可持續(xù)應(yīng)用。與此同時(shí)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式以“獲取—生產(chǎn)—廢棄”為主，資源利用效率低，環(huán)境負(fù)擔(dān)沉重，亟需向循環(huán)利用模式轉(zhuǎn)型。

針對這些挑戰(zhàn)，南京大學(xué)朱嘉、宋琰聯(lián)合海南大學(xué)肖娟秀和海南醫(yī)科大學(xué)Tao Yang提出了一種“太陽能驅(qū)動(dòng)循環(huán)海水農(nóng)業(yè)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)以太陽能為核心驅(qū)動(dòng)力，將海水轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量灌溉水，同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)廢棄物的高值利用，構(gòu)建“水—食物—材料”閉環(huán)循環(huán)體系。通過在海南開展為期3個(gè)月的實(shí)地驗(yàn)證，研究成功實(shí)現(xiàn)了從種子萌發(fā)、作物生長到收獲加工及廢棄物再利用的完整循環(huán)，并展示出顯著的水資源利用效率與農(nóng)業(yè)產(chǎn)出能力，為解決水資源短缺與糧食安全問題提供了全新思路。相關(guān)成果以“Solar-powered circular desalination agriculture enabled by amyloid fibril-based bioevaporators”為題發(fā)表在《Nature Water》上，Meng Xia, 宋琰, Jiahui Yu和Mengyue Zeng為共同第一作者。

從“線性農(nóng)業(yè)”到“循環(huán)系統(tǒng)”：概念構(gòu)建

論文首先提出了整個(gè)系統(tǒng)的核心框架。如圖1所示，研究構(gòu)建了一個(gè)由“水-食物循環(huán)”和“材料循環(huán)”耦合而成的閉環(huán)體系。在這一體系中，太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)海水淡化，產(chǎn)生無硼的高質(zhì)量淡水用于灌溉，同時(shí)也可供居民飲用；大豆作為核心作物，不僅提供蛋白質(zhì)與多種食品，還在加工過程中產(chǎn)生副產(chǎn)物。更關(guān)鍵的是，這些農(nóng)業(yè)廢棄物并沒有被丟棄，而是被“反哺”系統(tǒng)：大豆粕被轉(zhuǎn)化為生物蒸發(fā)器材料，大豆秸稈則制備成肥料用于土壤改良。通過這一設(shè)計(jì)，農(nóng)業(yè)不再是單向消耗資源的過程，而是一個(gè)不斷自我循環(huán)、自我強(qiáng)化的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的可持續(xù)農(nóng)業(yè)。這種“邊生產(chǎn)、邊再生”的模式，也為未來農(nóng)業(yè)提供了重要范式。

圖1：循環(huán)海水農(nóng)業(yè)整體框架，展示水-食物與材料雙循環(huán)系統(tǒng)

從廢棄物到功能材料：生物蒸發(fā)器的構(gòu)建

系統(tǒng)的關(guān)鍵在于“生物蒸發(fā)器”的設(shè)計(jì)。圖2a展示了其制備流程：研究團(tuán)隊(duì)以大豆加工廢棄物為原料，通過蛋白提取、纖維化、定向冷凍干燥以及原位功能化等步驟，將其轉(zhuǎn)化為具有特定結(jié)構(gòu)的功能材料。在圖2b–d中可以看到，這些材料內(nèi)部形成了由淀粉樣蛋白纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過聚吡咯（PPy）進(jìn)行光熱功能修飾。這種結(jié)構(gòu)不僅具有高比表面積，還具備良好的機(jī)械穩(wěn)定性和分子間相互作用，使其在海水環(huán)境中依然保持穩(wěn)定。圖2e則展示了放大后的蒸發(fā)器實(shí)物，其尺寸可達(dá)15 cm，說明該方法具備規(guī)模化潛力。這一設(shè)計(jì)的巧妙之處在于：材料本身來源于農(nóng)業(yè)廢棄物，同時(shí)又服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)“材料自循環(huán)”。相比傳統(tǒng)需要高溫碳化的蒸發(fā)材料，該方法更加綠色、低能耗。

進(jìn)一步來看材料性能，圖2f顯示淀粉樣纖維的形成通過熒光增強(qiáng)得到驗(yàn)證；圖2c中的垂直排列通道（約100 μm）為水分輸運(yùn)和蒸汽釋放提供了“高速通道”。圖2g表明，該材料在250–2500 nm波段內(nèi)具有超過92%的光吸收能力，在1個(gè)太陽光照條件下，僅2分鐘即可升溫至76.5°C，實(shí)現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換。與此同時(shí)，圖2h顯示其極強(qiáng)的親水性，可在10秒內(nèi)吸收超過自身22倍質(zhì)量的水。此外，圖2i揭示了其優(yōu)異的力學(xué)性能：在60%壓縮應(yīng)變下仍可完全恢復(fù)，保證其在復(fù)雜海洋環(huán)境中的長期穩(wěn)定運(yùn)行。這種兼具“高吸光、高導(dǎo)水、高穩(wěn)定”的材料，是實(shí)現(xiàn)高效太陽能蒸發(fā)的核心基礎(chǔ)。

圖2：生物蒸發(fā)器的制備流程及微觀結(jié)構(gòu)與性能

從實(shí)驗(yàn)室到田間：淡化性能與穩(wěn)定性

在圖3a中，研究對比了不同淡化方式的產(chǎn)水能力。結(jié)果顯示，界面太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)可達(dá)到8.29 mm·day?1的產(chǎn)水量，遠(yuǎn)高于自然蒸發(fā)（約2 mm·day?1），完全滿足大豆各生長階段的用水需求。圖3b進(jìn)一步對比了水質(zhì)，太陽蒸餾水不僅鹽分更低，而且將硼含量降至0.18 mg·L?1，遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)安全閾值。這一點(diǎn)尤為關(guān)鍵，因?yàn)閭鹘y(tǒng)反滲透水中的硼含量較高，會(huì)對作物產(chǎn)生毒性。在長期穩(wěn)定性方面，圖3c顯示蒸發(fā)器表面的鹽分可在60分鐘內(nèi)完全溶解，不會(huì)積累；圖3d表明其在30天連續(xù)運(yùn)行中保持穩(wěn)定產(chǎn)水性能。更令人關(guān)注的是抗生物污染能力。圖3e–g顯示，該材料對多種海洋細(xì)菌的滅活率超過99.99%，有效避免了傳統(tǒng)蒸發(fā)系統(tǒng)易被污染的問題，大幅提升系統(tǒng)壽命。

圖3：蒸發(fā)器的產(chǎn)水性能、水質(zhì)優(yōu)勢及抗污染能力

真正“種出來”的驗(yàn)證：農(nóng)業(yè)實(shí)地實(shí)驗(yàn)

在海南的實(shí)地實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)對比了三種灌溉方式（圖4a）：太陽能淡化、反滲透淡化和自然蒸發(fā)。圖4b直觀展示了植物生長差異：太陽能淡化組生長最為旺盛，而自然蒸發(fā)組幾乎無法正常發(fā)育。圖4c進(jìn)一步量化結(jié)果，太陽能淡化在發(fā)芽率、株高、葉面積等指標(biāo)上均顯著領(lǐng)先。圖4d揭示了關(guān)鍵原因：反滲透水導(dǎo)致葉片出現(xiàn)明顯黃化（硼毒性），而太陽蒸餾水完全避免這一問題。最終產(chǎn)量對比（圖4e,f）更具說服力：太陽能淡化條件下，大豆單株莢數(shù)、總產(chǎn)量等均顯著高于其他方法。這意味著不僅“能種”，而且“種得更好”。

圖4：不同灌溉方式下的大豆生長與產(chǎn)量對比

可擴(kuò)展性與現(xiàn)實(shí)意義：走向?qū)嶋H應(yīng)用

在規(guī)模化驗(yàn)證中（圖5a），系統(tǒng)已擴(kuò)展至11 m × 6 m的農(nóng)田，并可與現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)兼容，顯示出良好的工程適配性。圖5b展示了其廣泛適用性：不僅能種植大豆，還可支持蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物（如玫瑰）生長。圖5c則從系統(tǒng)層面分析物質(zhì)流：所有輸入僅為陽光、海水和少量化學(xué)品，而輸出包括糧食、飲用水、油脂等，同時(shí)所有廢棄物均被循環(huán)利用，真正實(shí)現(xiàn)“零廢棄農(nóng)業(yè)”。更具現(xiàn)實(shí)意義的是圖5d的估算：在0.6公頃土地上，該系統(tǒng)可滿足1853人的飲水需求、237人的蛋白需求以及47人的基本糧食需求，展示出極高的社會(huì)價(jià)值。

圖5：系統(tǒng)規(guī)模化應(yīng)用、作物適配性及資源循環(huán)與產(chǎn)出能力

總結(jié)與展望

總體來看，這項(xiàng)研究首次系統(tǒng)性地構(gòu)建并驗(yàn)證了“太陽能驅(qū)動(dòng)循環(huán)海水農(nóng)業(yè)”模式，通過材料創(chuàng)新與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的深度融合，實(shí)現(xiàn)了水資源獲取、糧食生產(chǎn)與廢棄物循環(huán)的協(xié)同優(yōu)化。該系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)海水農(nóng)業(yè)中的能耗與污染問題，還通過去硼優(yōu)勢顯著提升作物產(chǎn)量與品質(zhì)。未來，這一技術(shù)有望在全球沿海及缺水地區(qū)推廣，推動(dòng)農(nóng)業(yè)從“資源消耗型”向“循環(huán)再生型”轉(zhuǎn)變。同時(shí)，隨著太陽能蒸發(fā)材料與智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)還可進(jìn)一步集成自動(dòng)化與規(guī)模化能力，成為保障全球水-糧-能安全的重要解決方案。