用顛覆性技術(shù)端牢中國飯碗

文/張以恒 編輯/易可

◆ 我國糧食現(xiàn)狀喜中有憂

我國糧食安全正受到一定威脅?？傮w而言，需求剛性增長，資源約束趨緊。國產(chǎn)小麥、稻谷作為口糧，可確保絕對安全，但是大豆必須要進(jìn)口，玉米作為工業(yè)淀粉來源和飼料也需要進(jìn)口。同時，消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級，我國谷物需求預(yù)計2030年前后將達(dá)到峰值。在耕地方面，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，現(xiàn)有的18多億畝耕地將繼續(xù)減少，“占優(yōu)補(bǔ)劣”的問題更加突出；在水資源方面，城鎮(zhèn)、工業(yè)、生態(tài)用水需求增加，農(nóng)業(yè)用水空間縮小；在全球氣候升溫的預(yù)期下，糧食作物（如小麥）將大幅減產(chǎn)。因此，中國急需新飼料來源替代進(jìn)口大豆（蛋白來源）和玉米（淀粉來源），提高整體糧食自給率。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植伴隨生產(chǎn)大量農(nóng)業(yè)廢棄物（如秸稈），中國每年生產(chǎn)大約有8.7億噸可收集的農(nóng)業(yè)廢棄物。城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)機(jī)械化導(dǎo)致農(nóng)民不再使用農(nóng)業(yè)廢棄物作為日常生活燃料，一次性焚燒多余秸稈則又導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境污染。秸稈高值利用將提高農(nóng)民收入和有效減少環(huán)境污染。如何實現(xiàn)秸稈的高值利用，將秸稈低成本又高效地轉(zhuǎn)化為人造糧食，作為飼料關(guān)鍵成分（淀粉和蛋白質(zhì)）的新來源，將實現(xiàn)“一石二鳥”重要現(xiàn)實意義。

◆ 中國科學(xué)家的技術(shù)突破

近日，中國《科學(xué)通報》雜志英文版Science Bulletin發(fā)表了中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所低碳合成工程生物學(xué)重點實驗室的張以恒課題組以及中國農(nóng)科院生物技術(shù)研究所張偉團(tuán)隊的題為《從農(nóng)業(yè)廢棄物生物合成人造淀粉和微生物蛋白》的文章。該論文開發(fā)了將玉米秸稈低成本高效合成人造淀粉和微生物蛋白的新技術(shù)，該生物合成是能源自洽的，不需要外加能量。

利用體外合成生物學(xué)新工具——體外多酶分子機(jī)器，將人類無法食用的纖維素轉(zhuǎn)化為人造淀粉，將多個酶重構(gòu)體外人工代謝途徑，擺脫生物體自我繁殖的局限，實現(xiàn)無糖損失高效生物合成，淀粉得率高。相對于活的生物體（如微生物、植物和動物）相比，多酶機(jī)器具有產(chǎn)品得率高的優(yōu)點，避免將能量和糖資源浪費(fèi)在與生物制造無關(guān)的自我繁殖、復(fù)制以及生命維持。比如，為了翻地，擁有一輛拖拉機(jī)比養(yǎng)幾頭牛更合算，翻地能力更強(qiáng)大，維護(hù)成本更低，因為牛在大多數(shù)時間不是翻地，還要消耗大量草料，導(dǎo)致能源利用效率特別低。拖拉機(jī)就是一個高效低成本土地翻耕機(jī)器，擺脫了牛自我繁殖的局限。同時，利用酵母在好氧發(fā)酵條件下利用葡萄糖生產(chǎn)微生物蛋白，有希望替代進(jìn)口大豆，作為動物飼料的新蛋白來源。

2013年，張以恒教授在《美國科學(xué)院院刊》發(fā)表有關(guān)將纖維素轉(zhuǎn)化為人造淀粉的第一篇論文。該論文受到廣泛的關(guān)注，并且被大量新聞媒體報道，包括《科學(xué)》《福布斯》《今日美國》、Fox新聞網(wǎng)等，被廣泛認(rèn)為是解決人類糧食安全問題最重要的突破之一。美國加州理工大學(xué)教授弗朗西絲·阿諾德（Frances Arnold，2018年諾貝爾化學(xué)獎獲得者）在美國《科學(xué)》雜志上評論：“該論文展示了一個重要的轉(zhuǎn)換，總體思路很酷?！蓖瑫r她也認(rèn)為以目前技術(shù)水平難以對該技術(shù)的未來經(jīng)濟(jì)可行性做出判斷。

在過去5年內(nèi)，我領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊潛心攻關(guān)，集中解決經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的“卡脖子”問題。首先，針對秸稈制淀粉的關(guān)鍵酶表達(dá)水平低、生產(chǎn)成本高，通過系統(tǒng)設(shè)計改造重組酶表達(dá)菌種，選用廉價無機(jī)氮源降低培養(yǎng)基成本，以及開發(fā)高密度微生物培養(yǎng)等技術(shù)，將重組酶生產(chǎn)成本降低到250元/千克，達(dá)到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)最好水平。其次，針對商業(yè)纖維素酶含有β-葡萄糖苷酶，嚴(yán)重影響把秸稈纖維素轉(zhuǎn)化為淀粉合成的關(guān)鍵前體纖維二糖的問題，通過制備預(yù)處理的秸稈生物質(zhì)作為親和吸附介質(zhì)，可以簡單、高效選擇性吸附纖維素酶中的內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶，從而高效去除纖維素酶中β-葡萄糖苷酶，實現(xiàn)秸稈纖維素的高效定向降解，使纖維素水解效率從14.7%提高89%。進(jìn)一步，我們將多酶機(jī)器中二個關(guān)鍵酶固定在釀酒酵母表面，構(gòu)建多酶分子機(jī)器和微生物的復(fù)合體，纖維素水解底物穿梭效應(yīng)可以減少對纖維素酶的產(chǎn)物抑制，提高纖維素酶水解能力，大幅降低酶用量。團(tuán)隊實現(xiàn)了百萬倍降低多酶分子機(jī)器使用成本，將經(jīng)濟(jì)上不可能變?yōu)闂l件性可行。

盡管目前人造糧食生產(chǎn)成本比現(xiàn)有糧食還是貴一些，但是已經(jīng)在同一個數(shù)量級水平了。如果世界糧食大規(guī)模漲價，該技術(shù)將能夠利用國產(chǎn)農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)人造糧食來保障中國糧食安全，抵御外界風(fēng)險。下一步，我們將繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，4年內(nèi)的目標(biāo)是將生產(chǎn)成本降低到目前糧食價格之下，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)工業(yè)化，讓新生物煉制技術(shù)能夠利用農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)人造糧食，滿足中國糧食安全需求，同時不需要政府補(bǔ)貼，實現(xiàn)可盈利可持續(xù)發(fā)展。

◆ 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的困境

1萬年前的氣候變化促使人類社會從狩獵采集轉(zhuǎn)變?yōu)槎ň愚r(nóng)耕，多余糧食生產(chǎn)導(dǎo)致社會分工，人類文明自此開始。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的核心是播種種子并收集種子作為食物，種子就是農(nóng)業(yè)的芯片。但是，植物光合作用的最主要產(chǎn)物是生物質(zhì)（就是木質(zhì)纖維素），而不是富含淀粉的種子。基于種子的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)有著很多缺陷，可以說是“先天不足”：種子產(chǎn)量低（僅占總生物量的20%～33%）、種子消耗量大、淡水消耗大（大約70%淡水使用量是用于農(nóng)業(yè)灌溉）、化肥使用多（大多數(shù)化肥是不能被作物利用，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)廢水量大且難處理）、每年農(nóng)田要反復(fù)翻耕（導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，消耗大量來自石油的液體燃料）、碳排放產(chǎn)業(yè)（現(xiàn)在農(nóng)業(yè)不是固定CO2，是向大氣繼續(xù)排放新的溫室氣體，農(nóng)業(yè)碳排總量占人類歷史排放量的1/3）、單年生作物生長周期短（當(dāng)氣溫低或降水少，植物就停止生長）、不耐受極端氣候（比如干旱、洪水、氣溫升高、極寒）等。

◆ 農(nóng)業(yè)工業(yè)化前景美好

耕種多年生的生物質(zhì)作物將有效地解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的“先天不足”，幾乎不要種子芯片，就像種植多年生的韭菜、竹子和果樹，每年“割韭菜”，從而大幅提高生物質(zhì)產(chǎn)量和利用量、淡水消耗低、化肥使用少、幾乎無污染、土地不用翻耕、降低環(huán)境面源（如氮、磷、土壤粉塵）污染、防止土地侵蝕和退化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期長、耐受極端氣候等。該技術(shù)可能將開啟新碳匯農(nóng)業(yè)，顛覆“萬年農(nóng)業(yè)”，從種植單年生作物收集種子到種植多年生作物收集生物質(zhì)，利用“農(nóng)業(yè)工業(yè)化技術(shù)”——新生物煉制生產(chǎn)人造糧食；將碳排放農(nóng)業(yè)變?yōu)椤疤紖R農(nóng)業(yè)”。通過新生物煉制技術(shù)將農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)的人造糧食作為動物飼料，將降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、維護(hù)我國糧食安全，對振興鄉(xiāng)村具有重大現(xiàn)實意義。綠水青山是金山銀山，是碳匯山，是糧山。

◆ 糧食安全的新農(nóng)業(yè)模式

如果我們能有效利用60%中國農(nóng)業(yè)廢棄物將完全替代進(jìn)口糧食，就能終結(jié)對中國糧食戰(zhàn)爭的可能性，用顛覆性技術(shù)端牢中國飯碗。在這個模式下，中國不需要改變現(xiàn)有農(nóng)業(yè)種植模式，僅是需要大力提高對秸稈的收集和加工能力，生產(chǎn)人造糧食，為動物飼料工業(yè)提供國產(chǎn)新原料。

假想未來中國新農(nóng)業(yè)模式，堅守中國的12億畝高產(chǎn)耕地生產(chǎn)主糧和核心農(nóng)產(chǎn)品作為口糧來源，將部分低產(chǎn)耕地退耕還林，存糧于山。大力新建新生物煉制工廠，利用農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)廢棄物生產(chǎn)人造糧食作為動物飼料的主要來源，替代進(jìn)口大豆和玉米。

如果科幻電影《獨(dú)行月球》中的月盾計劃悲劇發(fā)生，隕石撞擊地球，激起大量粉塵，蔚藍(lán)色的地球變成了一半通紅的“玻璃珠”；如果核大戰(zhàn)發(fā)生，全球就進(jìn)入核冬天，沒有足夠陽光，農(nóng)作物光合作用被強(qiáng)行打斷，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)將崩潰，但是這個新生物煉制工廠技術(shù)能夠利用已有森林和草地為人類提供大量新糧食來源。

總而言之，即使在最糟糕的情況下，假如“白堊紀(jì)”再現(xiàn)，大氣CO2水平提高10倍；假如“侏羅紀(jì)”再現(xiàn)，全球平均氣溫將上升10℃；種子作物（小麥等）產(chǎn)量將大幅下降，但是生物質(zhì)產(chǎn)量將大幅增加，基于這個新生物煉制工廠技術(shù)，人類也不會缺少糧食。

◆ 環(huán)境保護(hù)和藏糧于自然

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)被認(rèn)為是對地球環(huán)境的最大破壞者，砍伐森林、開墾草原，破壞生物多樣性，消耗大量淡水，將大量積存在土壤中的有機(jī)碳排放到大氣中。為了追求糧食高產(chǎn)，大量使用化肥、殺蟲劑和除草劑，導(dǎo)致更多的環(huán)境污染。比如，大約60%的化肥被雨水沖刷到江河湖海，導(dǎo)致水體營養(yǎng)化，這種面源（非點）污染是難于根除和避免的。過量使用化肥、殺蟲劑和除草劑不但破壞環(huán)境，還可能導(dǎo)致各種人類慢性疾病。

種植多年生作物將有效解決以上環(huán)保壓力，減少化肥、殺蟲劑和除草劑使用，減少灌溉用水，封存更多有機(jī)碳在土壤中，實現(xiàn)封山育林，藏糧于山，藏糧于林，有利于生物多樣性。

藏糧于林遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于藏糧于倉，因為糧食長期存儲會有大量損耗，糧食品質(zhì)下降，不合適于食用?！抖Y記·王制》稱：“國無九年之蓄，曰不足；無六年之蓄，曰急；無三年之蓄，曰國非其國也?！奔Z食長期存儲是一個國家戰(zhàn)略選擇，但是在經(jīng)濟(jì)上是一個賠本生意，為了國家安全，大規(guī)模儲存糧食是必選項而不是可選項。藏糧于林和藏糧于技將有助于解決糧食儲存的困局。

鄉(xiāng)村振興是國家戰(zhàn)略，超越了產(chǎn)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)范疇，涵蓋了經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)、文化多個領(lǐng)域，從鄉(xiāng)村本位出發(fā)，轉(zhuǎn)變思想，探索出一條鄉(xiāng)村崛起的可持續(xù)路徑。對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)廢棄物的升值利用，將直接提高農(nóng)民收入（比如300人民幣每噸農(nóng)業(yè)廢棄物，每畝土地增加收入500～1000人民幣）。更重要的是新生物煉制工廠將振興當(dāng)?shù)厣锝?jīng)濟(jì)，讓農(nóng)民變?yōu)椴浑x鄉(xiāng)的新工人。如果新碳匯農(nóng)業(yè)成為現(xiàn)實，農(nóng)業(yè)發(fā)展將進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的新階段，保持水土和生物固碳。