用颠覆性技术端牢中国饭碗

文/张以恒 编辑/易可

◆ 我国粮食现状喜中有忧

我国粮食安全正受到一定威胁。总体而言，需求刚性增长，资源约束趋紧。国产小麦、稻谷作为口粮，可确保绝对安全，但是大豆必须要进口，玉米作为工业淀粉来源和饲料也需要进口。同时，消费结构升级，我国谷物需求预计2030年前后将达到峰值。在耕地方面，随着工业化、城镇化的推进，现有的18多亿亩耕地将继续减少，“占优补劣”的问题更加突出；在水资源方面，城镇、工业、生态用水需求增加，农业用水空间缩小；在全球气候升温的预期下，粮食作物（如小麦）将大幅减产。因此，中国急需新饲料来源替代进口大豆（蛋白来源）和玉米（淀粉来源），提高整体粮食自给率。

传统农业种植伴随生产大量农业废弃物（如秸秆），中国每年生产大约有8.7亿吨可收集的农业废弃物。城镇化和农业机械化导致农民不再使用农业废弃物作为日常生活燃料，一次性焚烧多余秸秆则又导致严重环境污染。秸秆高值利用将提高农民收入和有效减少环境污染。如何实现秸秆的高值利用，将秸秆低成本又高效地转化为人造粮食，作为饲料关键成分（淀粉和蛋白质）的新来源，将实现“一石二鸟”重要现实意义。

◆ 中国科学家的技术突破

近日，中国《科学通报》杂志英文版Science Bulletin发表了中国科学院天津工业生物技术研究所低碳合成工程生物学重点实验室的张以恒课题组以及中国农科院生物技术研究所张伟团队的题为《从农业废弃物生物合成人造淀粉和微生物蛋白》的文章。该论文开发了将玉米秸秆低成本高效合成人造淀粉和微生物蛋白的新技术，该生物合成是能源自洽的，不需要外加能量。

利用体外合成生物学新工具——体外多酶分子机器，将人类无法食用的纤维素转化为人造淀粉，将多个酶重构体外人工代谢途径，摆脱生物体自我繁殖的局限，实现无糖损失高效生物合成，淀粉得率高。相对于活的生物体（如微生物、植物和动物）相比，多酶机器具有产品得率高的优点，避免将能量和糖资源浪费在与生物制造无关的自我繁殖、复制以及生命维持。比如，为了翻地，拥有一辆拖拉机比养几头牛更合算，翻地能力更强大，维护成本更低，因为牛在大多数时间不是翻地，还要消耗大量草料，导致能源利用效率特别低。拖拉机就是一个高效低成本土地翻耕机器，摆脱了牛自我繁殖的局限。同时，利用酵母在好氧发酵条件下利用葡萄糖生产微生物蛋白，有希望替代进口大豆，作为动物饲料的新蛋白来源。

2013年，张以恒教授在《美国科学院院刊》发表有关将纤维素转化为人造淀粉的第一篇论文。该论文受到广泛的关注，并且被大量新闻媒体报道，包括《科学》《福布斯》《今日美国》、Fox新闻网等，被广泛认为是解决人类粮食安全问题最重要的突破之一。美国加州理工大学教授弗朗西丝·阿诺德（Frances Arnold，2018年诺贝尔化学奖获得者）在美国《科学》杂志上评论：“该论文展示了一个重要的转换，总体思路很酷。”同时她也认为以目前技术水平难以对该技术的未来经济可行性做出判断。

在过去5年内，我领导的合作团队潜心攻关，集中解决经济上和技术上的“卡脖子”问题。首先，针对秸秆制淀粉的关键酶表达水平低、生产成本高，通过系统设计改造重组酶表达菌种，选用廉价无机氮源降低培养基成本，以及开发高密度微生物培养等技术，将重组酶生产成本降低到250元/千克，达到产业化生产最好水平。其次，针对商业纤维素酶含有β-葡萄糖苷酶，严重影响把秸秆纤维素转化为淀粉合成的关键前体纤维二糖的问题，通过制备预处理的秸秆生物质作为亲和吸附介质，可以简单、高效选择性吸附纤维素酶中的内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶，从而高效去除纤维素酶中β-葡萄糖苷酶，实现秸秆纤维素的高效定向降解，使纤维素水解效率从14.7%提高89%。进一步，我们将多酶机器中二个关键酶固定在酿酒酵母表面，构建多酶分子机器和微生物的复合体，纤维素水解底物穿梭效应可以减少对纤维素酶的产物抑制，提高纤维素酶水解能力，大幅降低酶用量。团队实现了百万倍降低多酶分子机器使用成本，将经济上不可能变为条件性可行。

尽管目前人造粮食生产成本比现有粮食还是贵一些，但是已经在同一个数量级水平了。如果世界粮食大规模涨价，该技术将能够利用国产农业废弃物生产人造粮食来保障中国粮食安全，抵御外界风险。下一步，我们将继续改进技术，4年内的目标是将生产成本降低到目前粮食价格之下，最终实现农业工业化，让新生物炼制技术能够利用农业废弃物生产人造粮食，满足中国粮食安全需求，同时不需要政府补贴，实现可盈利可持续发展。

◆ 传统农业的困境

1万年前的气候变化促使人类社会从狩猎采集转变为定居农耕，多余粮食生产导致社会分工，人类文明自此开始。传统农业的核心是播种种子并收集种子作为食物，种子就是农业的芯片。但是，植物光合作用的最主要产物是生物质（就是木质纤维素），而不是富含淀粉的种子。基于种子的传统农业有着很多缺陷，可以说是“先天不足”：种子产量低（仅占总生物量的20%～33%）、种子消耗量大、淡水消耗大（大约70%淡水使用量是用于农业灌溉）、化肥使用多（大多数化肥是不能被作物利用，导致农业废水量大且难处理）、每年农田要反复翻耕（导致水土流失严重，消耗大量来自石油的液体燃料）、碳排放产业（现在农业不是固定CO2，是向大气继续排放新的温室气体，农业碳排总量占人类历史排放量的1/3）、单年生作物生长周期短（当气温低或降水少，植物就停止生长）、不耐受极端气候（比如干旱、洪水、气温升高、极寒）等。

◆ 农业工业化前景美好

耕种多年生的生物质作物将有效地解决传统农业的“先天不足”，几乎不要种子芯片，就像种植多年生的韭菜、竹子和果树，每年“割韭菜”，从而大幅提高生物质产量和利用量、淡水消耗低、化肥使用少、几乎无污染、土地不用翻耕、降低环境面源（如氮、磷、土壤粉尘）污染、防止土地侵蚀和退化、农业生产周期长、耐受极端气候等。该技术可能将开启新碳汇农业，颠覆“万年农业”，从种植单年生作物收集种子到种植多年生作物收集生物质，利用“农业工业化技术”——新生物炼制生产人造粮食；将碳排放农业变为“碳汇农业”。通过新生物炼制技术将农业废弃物生产的人造粮食作为动物饲料，将降低农业生产成本、维护我国粮食安全，对振兴乡村具有重大现实意义。绿水青山是金山银山，是碳汇山，是粮山。

◆ 粮食安全的新农业模式

如果我们能有效利用60%中国农业废弃物将完全替代进口粮食，就能终结对中国粮食战争的可能性，用颠覆性技术端牢中国饭碗。在这个模式下，中国不需要改变现有农业种植模式，仅是需要大力提高对秸秆的收集和加工能力，生产人造粮食，为动物饲料工业提供国产新原料。

假想未来中国新农业模式，坚守中国的12亿亩高产耕地生产主粮和核心农产品作为口粮来源，将部分低产耕地退耕还林，存粮于山。大力新建新生物炼制工厂，利用农业废弃物和林业废弃物生产人造粮食作为动物饲料的主要来源，替代进口大豆和玉米。

如果科幻电影《独行月球》中的月盾计划悲剧发生，陨石撞击地球，激起大量粉尘，蔚蓝色的地球变成了一半通红的“玻璃珠”；如果核大战发生，全球就进入核冬天，没有足够阳光，农作物光合作用被强行打断，传统农业种植系统将崩溃，但是这个新生物炼制工厂技术能够利用已有森林和草地为人类提供大量新粮食来源。

总而言之，即使在最糟糕的情况下，假如“白垩纪”再现，大气CO2水平提高10倍；假如“侏罗纪”再现，全球平均气温将上升10℃；种子作物（小麦等）产量将大幅下降，但是生物质产量将大幅增加，基于这个新生物炼制工厂技术，人类也不会缺少粮食。

◆ 环境保护和藏粮于自然

传统农业被认为是对地球环境的最大破坏者，砍伐森林、开垦草原，破坏生物多样性，消耗大量淡水，将大量积存在土壤中的有机碳排放到大气中。为了追求粮食高产，大量使用化肥、杀虫剂和除草剂，导致更多的环境污染。比如，大约60%的化肥被雨水冲刷到江河湖海，导致水体营养化，这种面源（非点）污染是难于根除和避免的。过量使用化肥、杀虫剂和除草剂不但破坏环境，还可能导致各种人类慢性疾病。

种植多年生作物将有效解决以上环保压力，减少化肥、杀虫剂和除草剂使用，减少灌溉用水，封存更多有机碳在土壤中，实现封山育林，藏粮于山，藏粮于林，有利于生物多样性。

藏粮于林远远优于藏粮于仓，因为粮食长期存储会有大量损耗，粮食品质下降，不合适于食用。《礼记·王制》称：“国无九年之蓄，曰不足；无六年之蓄，曰急；无三年之蓄，曰国非其国也。”粮食长期存储是一个国家战略选择，但是在经济上是一个赔本生意，为了国家安全，大规模储存粮食是必选项而不是可选项。藏粮于林和藏粮于技将有助于解决粮食储存的困局。

乡村振兴是国家战略，超越了产业发展和经济范畴，涵盖了经济、社会、生态、文化多个领域，从乡村本位出发，转变思想，探索出一条乡村崛起的可持续路径。对现有农业废弃物和林业废弃物的升值利用，将直接提高农民收入（比如300人民币每吨农业废弃物，每亩土地增加收入500～1000人民币）。更重要的是新生物炼制工厂将振兴当地生物经济，让农民变为不离乡的新工人。如果新碳汇农业成为现实，农业发展将进入可持续发展的新阶段，保持水土和生物固碳。