南京大學 & 海南大學 Nature Water | 太陽能循環海水淡化農業

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，海南醫科大學，海南大學

導讀

對于沿海社區而言，灌溉用水和可用耕地非常有限。盡管基于反滲透（RO）的海水淡化農業已在部分地區成功應用，海水淡化農業仍面臨諸如硼污染、基礎設施成本高以及能源密集型作業等挑戰。本文報道了一種太陽能循環海水淡化農業的策略，利用陽光生產灌溉用水，將農業副產品升級為功能性材料，實現“水-糧食-材料”的良性循環。

具體而言，在糧食-水循環中，由食品廢棄物制成的生物質蒸發器通過太陽能驅動的界面蒸發淡化海水，產生大量高質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，在材料循環中，豆粕通過自組裝成為基于淀粉樣纖維的生物質蒸發器，豆秸則被轉化為肥料以改善土壤。

在海南島進行的為期三個月的田間試驗驗證了從種子發芽到收獲、加工及廢棄物再利用的完整循環的可行性。按全球人均0.6公頃農業用地的規模，此系統可滿足47人的日常食物需求。此外，該策略可適用于多種經濟、糧食作物，同時成功修復了鹽堿土壤。這為資源有限地區的水資源短缺、糧食安全和能源挑戰提供了一種可持續、可擴展的解決方案。

圖1 太陽能循環海水淡化農業

亮點剖析

一、“基于廢豆粕的淀粉樣蛋白纖維生物蒸發器的制備與表征”

通過自下而上的分級結構工程，廢棄大豆粉轉化成為了功能性的生物蒸發器。該過程包括四個主要步驟：蛋白質提取、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器具有網絡結構和垂直排列的通道（圖2b-c），在太陽能淡化中表現出理想的性能，包括可擴展性、輕質量、高效的太陽能轉熱轉換效率、快速的吸水性能以及機械穩定性（圖2e-i）。

圖2 基于廢豆粕的淀粉樣蛋白纖維生物蒸發器的制備與表征

二、“生物蒸發器在太陽能海水淡化中的性能和穩定性”

農業應用中，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，同時確保灌溉級的水質，并在鹽分條件和微生物暴露下保持穩定運行。

在產水量方面，本研究中的蒸發器足以產出滿足大豆整個生長周期的需水量。海南夏季實驗期間，系統產生了8.29 L m-2的水，相當于8.29 mm day-1。在產水水質方面，太陽能海水淡化有效去除鹽分，產出適合農業使用的無硼淡水。對植物有毒的硼在太陽能蒸餾水中降至0.18 mg L-1，遠低于農業閾值（<0.7 mg L-1）。相比之下，典型反滲透產水中的硼濃度為2.26 mg L-1，對大多數作物（包括大豆，<1.0 mg L-1）都是有害的。

生物蒸發器具有穩定的抗鹽性能。淀粉樣纖維前體的豐富親水基團（-OH 和-NH）增強了水的吸收并促進鹽的溶解，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，生物蒸發器也能保持穩定性能，適用于多種水源。為期 30 天的鹽水連續測試進一步證明了其長期穩定性（圖 3d ）。

此外，生物蒸發器展現出了廣譜抗菌能力。其機制在于淀粉樣纖維對細菌膜的破壞。15天的菌落實驗表明，相比于未含淀粉樣纖維的常規蒸發器，基于淀粉樣纖維的生物蒸發器具有優異的抗生物污垢性能（圖 3f）。

圖3 生物蒸發器在太陽能海水淡化中的性能和穩定性

三、“田間太陽能淡化農業”

為了評估太陽能循環淡化農業的可行性，本工作在中國海南島這一面臨農業用水短缺的沿海地區進行了為期三個月的端到端的田間測試，包括發芽、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現了最佳生長，其次是 RO 膜淡化，而自然蒸發得出的結果最差。RO 膜淡化在初期支持的大豆生長與界面太陽能淡化相當（圖 4c）。然而，在后期生長階段，葉緣發黃，即硼毒性導致了植株健康度下降。用自然蒸發水灌溉的大豆因淡水供應不足未能長出葉子。基于這些生長優勢，界面太陽能淡化顯著提高了產量結果。與RO膜對比的結果表明，太陽能蒸餾水中缺乏硼元素在提升作物生產力方面起到了關鍵作用。

圖4 田間的太陽能淡化農業

四、“可擴展性與循環適用性”

在成功的大豆田間試驗的基礎上，我們評估了該系統的可擴展性和作物適應性。擴展場景如圖5a所示，而通過四種不同的作物的種植（圖5b），證實了其作物適應性。

圖5c則展示了完整的物料流的分析，以評估循環性。循環的輸入極少且可持續，包括陽光、海水和用于生物蒸發器制造的化學品。輸出滿足多種需求：大豆和飲用水提供營養和水分；豆油和回收的鹽增加了經濟價值；所有殘渣，包括豆粕、秸稈和葉子，都能完全回收。豆粕被重新用于生物蒸發器以維持太陽能淡化，而秸稈和葉子則轉化為肥料以改善土壤質量。

為了評估實際可行性，本文估算了系統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）的些產量可以滿足1,853人的飲用水需求、237人的蛋白質需求、以及47人的干糧需求。綜合來看，這些產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行種植。

圖5 可擴展性與循環適用性

思考與討論

本文報道了一種循環太陽能海水淡化農業策略的設計和示范，該策略利用海水和陽光以最小的浪費生產食物。此策略完全依靠太陽能產生豐富的灌溉水，可實現低成本的離網運行。所有的廢棄物都被回收利用。同時，太陽能海水淡化能夠有效去除硼以確保農業用水安全。此外，該系統能夠支持多樣化的食品和高價值作物，同時提供營養和經濟回報。

【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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