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一起来探索宇宙的奥秘

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我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的，在我们看到的最远的物体的情况下，光是在80亿年前发出的。这样当我们看宇宙时，我们是在看它的过去。——霍金《时间简史》

水中的绿藻。

我们的海洋中充满了对地球生命周期至关重要的生物。

图片:UNSPLASH/Mihaly科尔

微藻是一种利用光合作用将二氧化碳、营养物质和水等无机分子转化为蛋白质、脂肪和碳水化合物的微小生物。

它们可以很容易地种植和收获来生产生物质作物(“藻类栽培”)，这种作物可以用作食物或生物能源。

随着全球粮食产量的增加，研究人员正在利用生物技术来满足对更可持续蛋白质来源的需求，而微藻是关键。

上世纪60年代中期，我还是个孩子，在德文郡中心地带的卢当村的一个奶牛场里，过着田园诗般的乡村生活。我回忆起许多快乐的日子，在美丽的乡村探险，过着与自然和环境保持平衡的生活——至少，那是我的感觉。

但我也记得，在我们牛棚的尽头，经常有一个装满粪便的粪坑。它没有围栏，我妈妈经常会提醒我，离得太近可能意味着死亡，因为它实际上是一个巨大的臭气熏天的牛粪缸。5岁的时候，我就很清楚。

我们当时不知道的是，这堆粪肥不仅对我是一种威胁，而且对我们的环境也是一种威胁。肥料经常被作为一种营养肥料归还到土地上，而不考虑其更广泛的影响，它会释放包括甲烷、二氧化碳和一氧化二氮在内的温室气体，以及其他有害的氮气体，如氨。它还会导致富氮径流进入河道，污染河流、湖泊和海岸线，对鱼类死亡率和旅游业产生连锁反应。

简而言之，我所认为的田园般的童年，生活在与自然和谐相处的农场里，却并非如此。后来，作为一名生物科学家，我花了大量的时间研究有助于维持地球健康的微生物。近60年后，我发现自己领导着一个开创性的全欧洲范围的项目，致力于将潜在的有害废物转化为积极的东西。在这个过程中，我们可以帮助建立一个“循环经济”，再生自然和保持材料循环。这项工作的核心是一些非凡的微生物——我们的“绿金”。

自然的珠宝

我们都知道树木在吸收碳方面有多重要，但我们往往忽视了地球上三分之二的水域。我们的海洋中充满了对地球生命周期同样重要的生物，但由于它们单独比陆地植物更难被肉眼看到，我们在很大程度上忽视了它们。

微藻——不要与大型藻(海藻)混淆——在我们的海洋、淡水湖和河流中大量存在。这些微小的生物体是地球上重要的“初级生产者”，扮演着生物质能工厂的角色。它们利用阳光，通过光合作用将无机分子(二氧化碳、营养物质和水)转化为蛋白质、脂肪和碳水化合物，以及一系列帮助它们生长和生存的其他有机化合物。这些微小的微生物支撑着我们海洋中的所有生命，它们的高周转率贡献了地球大约50%的初级生产。

微藻确实有成千上万种。一种常见的物种是硅藻，估计有2万种。硅藻的细胞壁由玻璃制成，精美复杂，像雪花一样，是大自然真正的宝石。另一种常见的类群是颗石藻，上面覆盖着精致的、像飞盘一样的碳酸钙粉笔板。在结束于万年前的白垩纪时期，颗石藻大量繁殖，形成了多佛的白色悬崖。

由于微藻没有根、叶和茎，它们可以比陆地植物更有效地利用二氧化碳和营养物质，从而使它们生长得更快。它们可以相对容易地种植和收获来生产生物质作物(“藻类栽培”)，这些作物可以用作食物或生物能源。藻类生物量还含有广泛的有用分子，可用于生物塑料、生物燃料、保健产品、化妆品和食品配料。

我越来越欣赏这些迷人的微生物，它们有惊人的能力在浪费的营养物质上生长，并生产出有用的东西，这激发了我想要帮助解决可持续发展和环境保护这两个全球挑战。利用大自然的“绿色黄金”来清理浪费的营养物质，同时生产可持续的饲料和其他产品，在我看来，这是显而易见的。

早在70年代，我就想起了我的a级生物老师蒙塔古先生，他向我们介绍了碳和氮循环，并解释了这些循环的平衡对我们星球上的生命是多么重要。我甚至记得他谈到温室效应和气温上升。但我们当时并没有意识到，与二氧化碳相关的气候变化的威胁有多么严重，也没有意识到氮将如何成为我们今天面临的复杂环境挑战的主要贡献者。

走向循环经济

为了实现我们的全球气候变化目标和实现可持续的平衡，我们需要努力实现循环经济，消除浪费和污染，保持材料的循环和再生自然。这必须取代我们现有的导致营养循环不平衡的线性“使用和丢弃”模型。

为了应对这种情况，农民、食品工业和废水处理公司越来越多地转向厌氧消化(AD)来处理他们的垃圾。AD是一种自然过程，在被称为消化器的大型水箱中，细菌以有机废物(污水、食物垃圾、农家肥和其他农业废物)为食，产生富含碳和氢的沼气，这些沼气可以被捕获并用于产生可再生电力和热量。

有机废物中的氮成分被保留在一种叫做“消化液”的浓液体中，农民可以将这种液体作为自然生产的肥料返还到土地上——这比使用能源密集型和排放CO?的过程生产的合成肥料更好。然而，随着人工饲料工业的发展，生产的增加和沼液的还田带来了养分污染的风险。

因此，英国和欧洲的许多地区现在都受到硝酸盐指令和硝酸盐脆弱区(NVZ)立法的限制，这是为了防止过度使用返回土地的氮造成污染。目前，英格兰55%的土地被指定为NVZ，而整个威尔士正在成为另一个这样的区域。

克服这一监管挑战的一种方法是利用微藻。因此，在年，我们的全欧洲循环经济项目——alga-ad诞生了。最终目标是将对环境造成威胁的氮转化为可用于可持续动物饲料的微藻，取代现有的高资源密集型饲料来源。利用INTERREG西北欧洲项目的资金，斯旺西大学与遍布欧洲西北部的其他10个组织合作——这是一个人口密集、农业密集的地区，特别容易受到地下水硝酸盐污染的影响。整个比利时、德国、荷兰和丹麦也已经被指定为nvz。

通过将不需要的氮循环利用成有用的东西，我们可以防止氮进入大气和水道，从而减少对土地和大气的污染。这种微藻可以自然地将氮转化为蛋白质和其他营养分子，这些分子可以在食物链中使用。项目启动五年后，我们已经证明，这种循环经济解决方案在工业规模上是可行的。

一种新的蛋白质来源

未来半个世纪，地球人口预计将增长，这意味着全球粮食产量预计将增长至少50%。我们还被鼓励减少肉类蛋白质的消费，以减少温室气体排放和森林砍伐。因此，新的蛋白质来源是重中之重，而微藻是强有力的竞争者。像Nestlé这样的公司已经在研究微藻作为蛋白质的替代来源，既可以作为动物饲料，也可以作为人类食物。

虽然微藻生产行业仍处于起步阶段，但生产一种新的蛋白质来源而不涉及肉类和大豆相关问题的能力非常有吸引力。此外，能够在靠近农民将用于动物饲料的地方培育微藻提供了另一个明显的优势。

对于我们的欧洲项目来说，一个巨大的挑战是在全面的工作规模下测试这种技术的发展。因此，我们直接与AD行业合作，因为它处理食品和农业垃圾，为我们提供工业生产的氮(在消化液中)，以培育我们的微藻。

升藻类光生物反应器，建造在德文郡Langage-AD的一个加热温室里。

图片:TheConversation/ClaudioFuentes-Grünwald。

在英国，距离我小时候住过的德文郡农场只有30英里，我们在languageDairyfarm旁边的一家AD公司建立了一个试点的“藻类-AD”设施。language-ad有一年处理2万吨食物垃圾的能力，产生能产生热量和电能的生物甲烷。我们被提供了一个大的，加热的温室，就在垃圾处理的旁边。这是我们的“藻类光生物反应器”的理想位置。“藻类光生物反应器”是一系列垂直的透明管，微藻类生长在含水介质中，其中含有暴露在日光和人造光下的营养物质。

在法国的布列塔尼和比利时的根特已经建立了两个姊妹光生物反应器设施。所有合作伙伴都进行了深入研究，以确定如何最好地处理消化液和优化营养吸收。太多了，我们发现我们的微藻不喜欢;发生的太少，也不多。

令人欣慰的是，我们发现在消化液中生长的微藻比在更常用的无机营养物中生长的微藻蛋白质含量更丰富，蛋白质含量可达总生物量的80%左右。这是肉类和大豆制品中蛋白质含量的两倍多。在一个蛋白质日益短缺、人们在寻找肉类替代品的世界里，这是一个真正的好处。

目前，世界上约75%的大豆作物被用作动物饲料中的蛋白质来源。与牛肉生产一样，大豆生产也因其在森林砍伐中扮演的角色而受到审查，尤其是在巴西和阿根廷。此外，全球大豆运输产生了巨大的碳足迹。最重要的是，将大豆运输到高农业地区扰乱了全球氮的平衡，导致了“营养热点”和nvz的增加。

我们的研究证实了微藻作为蛋白质来源的潜力，以补充和替代大豆蛋白质。然而，目前微藻养殖规模还不够大，不足以对大豆市场产生重大影响。因此，到目前为止，我们的实际饲料试验主要集中在测试微藻作为一种食品补充剂，以改善仔猪和鱼类的健康。但我们知道，以藻类为基础的动物饲料和配料的市场将迅速增长。

推出这些新的生物技术

到目前为止，在英国，我们

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