没有光合作用的食物

没有光合作用的食物

汤姆·林德(Tom Linder)

我们生活在有趣的时代。人口过多和气候变化的幽灵一直是头条新闻。由于粮食需求增加和气候变化导致的农作物歉收而可能造成全球粮食短缺的威胁刚刚浮出水面。我们不断听到相同的口头禅: 我们不能像以前那样继续生产和消费食物。那么,人类如何在社会动荡和生态灾难最少的情况下摆脱困境呢?如果要从根本上改变我们的食品生产方式,那么我们必须从鸟瞰我们当前食品生产系统的基本生物物理原理开始。我们可能需要开始不进行光合作用的食物。

食物基础

为什么不首先解决粮食生产和消费的两个最基本的问题,即什么是粮食,为什么我们要吃呢?让我们从第二个问题的答案开始,简单来说,食物是任何东西都可以为我们提供两方面的东西:(1)代谢燃料为我们的思维,我们的运动和从受精卵到成年个体的发展提供了动力; (2)构建,修复和维护人体组织的构件。

因此,无论食物是什么,它都必须满足这两个条件。三类化合物可以做到这一点: 碳水化合物, 蛋白脂肪。 (我们还需要维生素和微量矿物质来维持身体的机能,但为简单起见,我们将重点关注这三种主要的常量营养素。)因此,所有类型的食物从本质上讲都是碳水化合物,蛋白质和脂肪的一种配置,并添加了一些微量营养素。

食物成分是碳水化合物,蛋白质和脂肪
什么是食物?碳水化合物,蛋白质和脂肪以及各种微量营养素的集合。

这三种类别的大量营养素只能由生物体制成。当然,某些有机前体(如氨基酸)是蛋白质的组成部分,已显示在特定条件下自然自发形成。 (这可能是生命从前开始的方式。)但是,形成速度太慢而无法维持当代生物。作为动物,我们的根本问题是我们不能直接从周围环境中存在的无机前体中合成碳水化合物,蛋白质或脂肪。更具体地说,这些常量营养素主要由三种化学元素组成-碳(C),氮(N)和硫(S),而我们无法通过无机形式(例如二氧化碳(一氧化碳2)和分子氮(N2)以及溶解的硫酸根离子(SO42–)在土壤和海水中。

在实践中,这意味着另一种生物首先必须将这三种元素同化(“修复”),将其作为碳水化合物,蛋白质和脂肪纳入其自身的生物质中,然后才能通过进食该生物依次获取这些大量营养素。我们摄入的几乎所有碳最初都是由光合生物(例如藻类和陆生植物)固定的。

直到20岁初 一个世纪以来,我们从食物中获得的所有氮(几乎全部以蛋白质的形式)最初是由土壤和海洋中的专门细菌固定的。即使出现了工业固氮技术(我将在本文结尾处介绍),我们仍然依靠植物,真菌和各种微生物将无机氮化合物(如氨,硝酸盐和尿素)转化为蛋白质。我们也以蛋白质形式获取的硫,除动物外,大多数生物体都可以无机形式吸收硫。

食品生产的生物物理极限

既然我们已经定义了什么是粮食,我们就可以开始探索基于农业,水产养殖等的全球粮食生产能力的当前局限。在这一点上应该清楚的是,我们没有遭受粮食生产所需要的碳短缺的困扰。考虑到除了所有CO2 在大气中(超过700 十亿 吨),基本上有 无限储备 地壳中含有碳酸盐的岩石限制是 食用 碳的形式,即我一直提到的那些碳水化合物,蛋白质和脂肪。

因此,最终限制我们全球食品生产能力的是无机碳即一氧化碳的比率2转化为生物质。 (另一个问题是,地球上大多数生物质都是构成木材,树叶和稻草的纤维素形式。尽管纤维素是碳水化合物,但我们无法直接获取,因为我们无法消化它。这就是为什么我们坚持牲畜-它们本质上是行走的生物催化剂,用于将不可消化的植物材料(例如草和树叶)转化为我们可以吃和喝的东西-肉和奶制品。)

综上所述,当前全球粮食生产实践的理论上限取决于整个星球的光合能力。一氧化碳总量2 每年在陆地和海洋中转化为生物质的时间称为 净初级生产 (要么 核电厂 简称),这已经 估计的 每年的碳排放量为1,050亿吨。这听起来可能很多(而且确实如此),但是我们无法获得全部1,050亿吨的粮食。目前,人类已经将NPP用作食物,燃料和纤维的比例已经达到 估计的 在25%。由于现代农业的生物物理限制(即对耕地,阳光,淡水和有利的气候条件的需求),人们认为这一数字无法进一步增加。

关于如何克服这些限制,存在一些技术含量较低的选择。要考虑的一个关键因素是光合作用活动并未在整个行星表面上均匀分布。相反,它集中于 补丁 较高的光合作用固碳率,例如草地和森林。同时,在广阔的地区很少或根本没有固碳作用-极地地区,沙漠和公海的营养缺乏地区。如果可以在自然光合碳固定度较低的地区提高光合活性,则将有效增加全球NPP。

沙漠灌溉通过光合作用制造食物
灌溉造成的沙漠中的绿色圆形字段。图片来自维基共享资源。

增加光合作用活性的一种方法是,例如灌溉干旱土壤以用于农业生产,就像 Wadi As-Sirhan盆地 在沙特阿拉伯。当然,问题在于这需要大量淡水,对于沙特阿拉伯而言,淡水来自于最终的含水层。 会干dry的. 另一种选择是采用 耐盐作物,这将使农业生产扩展到盐渍土禁止种植常规作物的沿海地区。您可以将这种方法更进一步,只需将农作物移动到 养殖大型藻类 如海带。但是还有其他选择吗?

光合作用的问题

由于我们或多或少地认为食物中的所有碳基本上都来自光合作用,因此很少有人问光合作用是否是固定大气中CO的最佳方法。2 用于食品生产。光合作用有一个主要缺点,那就是它对光能的绝对依赖性。由于该限制,常规农作物的生产只能在二维上进行。

支持垂直耕作的人会指出,人工照明可以绕开这个问题,并可以在三个维度上堆叠农作物。从理论上讲这是正确的,但实际上您会很快遇到以下问题 成本能量转换效率。虽然落在农作物上的阳光基本上是“免费的”,但垂直耕作系统中的人工照明将需要外部电源。如果电力来自太阳能电池板,我们首先必须考虑这些电池板的效率通常在10%至20%之间。此外,当电能进入人造光源并转换为光能时,能量转换效率(也称为辐射或“墙塞”效率)。

最重要的是,您必须考虑从光源发出的光中植物可以实际收集以进行光合作用的光的比例–光谱称为 光合有效辐射 (PAR)。当然, 近期发展 发光二极管(LED)技术的应用在改善能量转换效率和PAR方面看起来很有希望。但是,这仍然使光合作用本身的效率低下,这往往会导致光合作用结束。 一位数。长话短说,最好是不限于光能的食品生产系统,从而不限于二维。

依赖光合作用的食品生产系统还有另一个不太明显的缺点,那就是可食用的生物质(碳水化合物,蛋白质和脂肪)通常与光采收设备位于同一物理实体内,即作物本身。这意味着在收获了小麦,玉米或大豆等一年生作物之后,种植它们的田地突然固定了大气中的二氧化碳。2 以低得多的速度仅仅是因为田间几乎没有或没有植物可以这样做。请记住,全球粮食生产的关键门槛是 一氧化碳2 被转化为可食用的生物质。

因此,当我们等待下一批作物出现时,一片空地本质上是在浪费光合潜力。 (此缺点不适用于多年生食用植物,例如果树,这些植物在收获后仍具有全部光合作用的潜力。当然,有些果树在冬天会脱落。)因此,我们最终想要的是也会使CO解耦2 从生产可食用生物质中固定。这将允许连续的CO2 固定方式与可食用生物质的收获速度无关。

打破核电厂壁垒

所以要重新封顶,以规避 净初级生产 障碍,我们必须想出一种方法来转化一氧化碳2 与可食用生物质(碳水化合物,蛋白质和脂肪)之间的关系(1)并不完全依赖光能,(2)理想地将碳固定与生物质可食用生物质的产生脱钩。事实证明,这个问题是在50多年前的太空竞赛高峰期解决的。

在1964年 ,研究人员John Foster和John Litchfield描述了一个连续的CO2于太空旅行的回收生命支持系统,它将捕获CO2 被宇航员呼出并转化为食物。这是通过一种称为 杯状藤蔓 –也以许多旧名称而闻名,包括 富营养小球藻。这种细菌有能力 化学合成,该过程类似于光合作用,但依靠化学能载体而不是光来驱动CO2 固定。在这种情况下 C.necator 细菌,它利用氢气(H2)为CO供电2 固定过程。

氢气可通过水的电解产生,这是满足非光合作用食品生产系统的第一个标准的关键,因为电能可以通过任何能源(水,风,地热甚至核能)提供。甚至有可能将太阳能用于化学合成生产,因为可以将太阳能电池板放置在传统农业无法实现的地方(例如沙漠),然后将电能通过电网传输到任何地方。产生氢气并随后培养可食用细菌。通过将一氧化碳的一个方面解耦,该特性还部分满足了非光合食品生产系统的第二个标准2 通过生产可食用生物质来固定(产生能量)。内部的酶促机械 C.necator 仍然需要将电池转换为CO2 转化为生物质。但是,这不是主要问题,因为 C.necator 细胞在H上生长2/ 一氧化碳 2 在最佳条件下,混合物会很快分散-每三小时一次。这意味着有可能收获一半的 C.necator 无限期地每隔三个小时细菌一次2/ 一氧化碳 2 混合物。

没有光合作用的食物
Solein是无需光合作用生产的蛋白质的一个例子。图片经Solar Foods许​​可使用。

实际上,当今有一些公司正在尝试将H衍生的食品和饲料产品商业化2依赖的化学合成细菌 C.necator。湾区创业公司 新营养素 使用工业CO2 排放以培养未公开的微生物-最有可能是H2依赖的化学合成细菌,然后将其加工成称为Novomeal的高蛋白面粉,然后将其作为水产养殖饲料出售。芬兰创业公司 太阳能食品 目前正在类似的过程中,但打算将所得的蛋白质产品-Solein出售给人类,而不是用作动物饲料。太阳能食品 最近宣布 他们计划在2021年之前将Solein在超市中出售。

吃由细菌制成的蛋白粉的想法看似很新颖,但事实上,诸如细菌,酵母和丝状真菌等可食用微生物的想法 很老。的 阿兹台克人 据了解,西班牙征服该湖之前,该湖被排干(剩余的湖盆现在是墨西哥城的一部分)之前,他们已经从特斯科科湖收获了光合细菌。相同种类的光合细菌是 今天仍然收获 来自乍得的Kanembu人在乍得的碱性湖泊中捕捞(如下视频所述)。在 1902 英国的Marmite食品公司推出了现在(著名的)啤酒酿造的酵母三明治三明治酱。最近,来自丝状真菌的生物质 枯萎镰刀菌 用作 主要成分 Quorn品牌的仿肉产品。

微生物生物质因其而成为食物的良好来源 高蛋白质和维生素含量。不幸的是,只有一小部分可食用微生物能够像 C.necator。相反,大多数可食用微生物都需要有机底物才能生长-糖是目前微生物生物质生产中最常用的底物。但是,大多数微生物也具有使用非常简单的有机化合物(例如碳氢化合物,醇和有机酸)进行生长的能力。

碰巧有许多可以直接从CO合成的碳氢化合物,醇和有机酸2 使用不同的化学和生物过程。这意味着固定食用二氧化碳而不是食用微生物2 自己,CO2 在单独的过程中将其固定以产生有机化合物,然后可食用微生物可将其用于生长。这样的两步过程将满足先前提到的用于非光合食品生产的两个标准,即(1)不仅仅依赖光能,(2)使固碳与可食用生物质的产生脱钩。

有几种可能 选项 如何从直接由CO合成的有机化合物中产生可食用的微生物生物量2。我将更详细地描述一个这样的示例。 甲醇 (CH3OH)是最简单的醇,可以由CO生产2 通过简单的氢化反应:

一氧化碳 2 + 3 H2 →CH3OH + H2O

碳回收国际公司经营 在冰岛,通过加氢一氧化碳每年生产4,000吨甲醇2 来自邻近地热发电厂的排放。该甲醇旨在用作直接燃料,但也可用于培养各种食用微生物。尽管甲醇对动物有毒,但使用甲醇作为代谢碳的唯一来源,许多微生物可以生长良好。实际上,在1970年代和80年代,英国帝国化学工业公司开发了一种高蛋白动物饲料,称为 鲁ru的来源于可食用的甲醇同化细菌 嗜甲基菌.

最终,Pruteen的生产是 已停产 由于甲醇价格上涨以及来自廉价大豆饲料的竞争。然而,Pruteen工艺证明,可以从一个1,500-m的土地上大量生产可食用的微生物生物量(每年50,000-60,000吨)。3 生物反应器。我最近 估计的 如果要用甲醇工厂和Pruteen型生物反应器代替整个美国的大豆生产能力(每年约1.2亿吨),它将占据大约相同土地面积的千分之一。但是,此估算不包括为CO提供动力的能源2 转换过程。因此,此类过程的土地储备潜力将在很大程度上取决于 功率密度 所选择的能源。

大豆英亩
2018年,美国在2018年种植了8960万英亩(89,600,000英亩)大豆。如果使用生物反应器,则只需要8.96万英亩(89,600英亩)即可生产相同量的蛋白质。

最后的大思想

从上面我介绍的食用化学合成细菌和食用甲醇同化细菌的例子中应该清楚的是,利用CO生产食用微生物生物量2 以不需要光合作用的方式带来一些相当重要的意义。微生物通常在大(10-1000 m3)生物反应器,其内部生长条件(温度,混合速率,空气和养分的供应等)不受外部条件的控制。这意味着可食用的生物质(食物)可以在地球上任何地方生产,而不受当地气候条件或耕地的限制。突然之间,沙漠,冻原,地下洞穴甚至是开放的海洋都可能成为高容量食品生产的枢纽。

如果全球粮食生产能力不再受到NPP的限制,那么人类每单位时间可以生产多少粮食的新限制现在归结为能源和金钱。这对地球意味着什么 承载能力?如果粮食生产不再受到光合作用的约束,人口会继续增长吗?(并证明Paul Ehrlich 错误 再次)?如果我的 封底计算 是正确的,食用微生物生物量的更高生产密度是否可以使我们将相当大比例的农田恢复为自然状态,从而保护生物多样性-甚至可能 隔离大量的大气CO2 进行中?这一切还有待观察。

最后,将我们的现状与19世纪末全球农业所面临的氮肥(肥料,含硝酸盐的矿物)的短缺情况进行比较可能具有启发性。 世纪。当时,全球粮食生产系统似乎已经达到了似乎不可逾越的界限。然后是发明 工业固氮 由德国科学家Fritz Haber和Carl Bosch在20世纪初 世纪,人类突然不再依赖生物固氮。作为一个 结果 人口将从1900年的不到20亿继续增长到 77亿 今天(还在计数)。实际上,据估计,我们体内现在有一半的氮来自Haber-Bosch过程,而不是生物固氮。

如果人类能够像我们对氮那样变得不依赖生物固碳,那么最近的历史表明,这本身将不会促进全球人口的稳定。相反,由于以下原因,预计全球人口将趋于平稳并最终减少 生育率下降 由于生活水平提高,世界各地的父母可以选择减少生育。因此,本世纪(也许也可能是下一个世纪)的最终挑战将是在人类试图消除这一人口障碍的过程中以可持续的方式养活人类。而且,如果您问我,与光合作用无关的可食用微生物似乎是必经之路。

由客座专家撰写

汤姆·林德

托马斯(Tom)Linder 是一位微生物学家和分子遗传学家,他研究微生物中的新陈代谢,并对酵母特别感兴趣。他位于瑞典乌普萨拉的瑞典农业科学大学。在Facebook上关注汤姆(Tom) 酵母基因混合.

科学
向上滑动