微藻是微小生物，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。
微藻易于培育和收获，可生产生物质作物（“藻类养殖”），用作食品或生物能源。
随着全球粮食产量不断增加，研究人员正利用生物技术满足对更可持续蛋白质来源的需求，而微藻是重要选择。
20世纪60年代中期，我还是个年幼的孩子，日子过得悠闲惬意，住在德文郡腹地莱夫当村的一座奶牛场里。我记得自己有许多快乐时光，在秀丽的乡间漫游，过着与自然和环境相协调的生活——至少当时我觉得是这样。
但我也记得牛棚尽头那个常年积满粪肥的浆液池。池子没有围栏，我妈妈常常提醒我，靠得太近可能会溺死在那一大池臭烘烘的牛粪里。五岁的我总是离得远远的。
那时我们并不知道，这个农场粪肥池不仅对我构成危险，也会危害环境。粪肥通常会被还田用作营养肥料，却没有考虑其更广泛的影响，并会释放包括甲烷、二氧化碳和一氧化二氮在内的温室气体，以及氨等其他有害含氮气体。粪肥还可能导致富含氮的径流流入水道，污染河流、湖泊和海岸线，继而影响鱼类死亡率和旅游业。
简而言之，我曾以为自己在农场度过了与自然和谐相处的田园童年，但事实并非如此。此后，作为一名生物科学家，我花了大半生研究有助于维持地球健康的微生物。近60年后，我发现自己正领导一个开创性的泛欧洲项目，致力于将可能有害的废弃物转化为有益之物。在这一过程中，我们可以助力构建“循环经济”，让自然再生并使材料持续循环利用。这项工作的核心，是一些非凡的微观生物——我们的“绿色黄金”。
自然瑰宝
我们都知道树木在碳封存方面的重要作用，却往往忽视地球表面约三分之二被水覆盖这一事实。我们的海洋和大海中充满了对地球生命循环同样至关重要的生物，但由于它们不像陆生植物那样能被肉眼直接看见，我们大多忽略了它们。
微藻——不要与大型藻类（海藻）混淆——广泛存在于海洋、淡水湖泊和河流中。这些微小生物是地球上重要的“初级生产者”，如同生物质工厂。它们通过光合作用利用阳光，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，以及帮助自身生长和存活的多种其他有机化合物。这些微生物支撑着海洋中的所有生命；由于周转率很高，它们贡献了地球初级生产量的约50%。
微藻的种类多达数十万种。硅藻是常见的一类，据估计有20,000种。硅藻的细胞壁由玻璃构成，精巧得如同雪花，堪称真正的自然瑰宝。另一类常见微藻是颗石藻，其外覆精致的飞盘状碳酸钙白垩板。白垩纪于6600万年前结束；在此期间，颗石藻大规模繁殖，形成了多佛白崖。
微藻没有根、叶和茎，因此比陆生植物更高效地利用二氧化碳和营养物质，从而生长得更快。微藻相对容易培育和收获，可生产生物质作物（“藻类养殖”），用作食品或生物能源。藻类生物质还含有多种有用分子，可用于生物塑料、生物燃料、保健品、化妆品和食品配料。
我越来越欣赏这些奇妙的微生物：它们能利用废弃营养物质生长，并产出有用的东西。这激励我投身于应对可持续发展和环境保护这两项全球挑战。利用大自然的“绿色黄金”清理废弃营养物质，同时生产可持续饲料和其他产品，在我看来是再明智不过的做法。
回想20世纪70年代，我的高中生物老师蒙塔古先生向我们介绍了碳循环和氮循环，并解释这两种循环保持平衡对地球生命有多么重要。我甚至记得他谈到过温室效应和气温上升。但当时我们并未意识到二氧化碳相关气候变化的威胁会如此严重，也没有想到氮会成为当今复杂环境挑战的重要诱因。
迈向循环经济
要想有望实现我们的全球气候变化目标并达到可持续的平衡状态，我们就需要迈向循环经济，消除废弃物和污染，让材料持续循环利用，并促进自然再生。这必须取代现有的线性“使用后丢弃”模式，因为这种模式导致营养物质循环失衡。
为应对这一问题，农民、食品行业和污水处理企业正日益采用厌氧消化（AD）处理废弃物。厌氧消化是一种自然过程：细菌在称为消化罐的大型罐体中分解有机废弃物——污水、食物垃圾、农场粪肥和其他农业废弃物——产生富含碳和氢的沼气，可将其收集起来用于发电和供热。
有机废弃物中的氮会保留在一种称为消化液的浓稠液体中，农民可将其还田，作为天然肥料——这优于通过高能耗、排放二氧化碳的工艺生产的合成肥料。然而，随着厌氧消化行业的发展，消化液产量增加并还田，也带来了营养物质污染的风险。
因此，英国和欧洲许多地区现在受到《硝酸盐指令》和硝酸盐脆弱区（NVZ）法规的管制。这些法规旨在防止因过量施用还田氮肥而造成污染。目前，英格兰55%的土地被划为硝酸盐脆弱区，而威尔士全境也正在成为此类区域。
利用微藻是应对这一监管挑战的一种途径。因此，2017年，我们的泛欧洲循环经济项目ALG-AD由此诞生。项目的最终目标是将可能危害环境的氮转化为微藻，用于生产可持续动物饲料，从而取代现有资源消耗极大的饲料来源。斯旺西大学利用INTERREG西北欧计划提供的资金，与西北欧其他十家机构开展合作。该地区人口稠密、农业集约化程度高，地下水尤其容易受到硝酸盐污染。比利时、德国、荷兰和丹麦全境也已被划为硝酸盐脆弱区。
将多余的氮循环利用并转化为有用之物，可以防止其逸散到大气和水道中，从而减少对陆地和大气的污染。微藻会自然地将氮转化为蛋白质和其他营养分子，再将其重新用于食物链。项目启动五年后，我们已经证明，这种循环经济解决方案能够在工业规模上实施。
新的蛋白质来源
预计未来半个世纪全球人口将增长，这意味着全球粮食产量预计将增加至少50%。我们也都被鼓励减少肉类蛋白质的摄入，以降低温室气体排放和森林砍伐。因此，寻找新的蛋白质来源已成为首要任务，微藻是很有竞争力的候选来源。雀巢等企业已经在研究微藻，将其作为替代蛋白质来源，用于动物饲料和人类食品。
尽管微藻生产行业仍处于起步阶段，但若能在不带来与肉类和大豆相关问题的情况下生产新的蛋白质来源，便极具吸引力。此外，能够在农民使用微藻制作动物饲料的地点附近培育微藻，也是一项显著优势。
我们的欧洲项目面临的一大挑战，是在完整运行规模下测试这项技术。因此，我们直接与厌氧消化行业合作，在其处理食物垃圾和农场废弃物时，利用其工业化生产的氮（存在于消化液中）培育微藻。
在英国，距离我童年居住的德文郡农场仅30英里处，我们建成了一座试点“藻类-厌氧消化”设施，位于一家厌氧消化公司的场地内，紧邻Langage奶牛场。Langage-AD每年可处理20,000吨食物垃圾，生产用于供热和发电的生物甲烷。对方为我们提供了一座大型供暖温室，就在废弃物处理地点旁边。这里是建设“藻类光生物反应器”的理想位置。该反应器由一系列竖直透明管组成，微藻在含有营养物质的水溶液中生长，同时接受日光和人工照明。
法国布列塔尼和比利时根特也建成了两座配套的光生物反应器设施。所有合作伙伴都进行了深入研究，以确定如何以最佳方式处理消化液，并优化营养物质吸收。我们发现，消化液太多，微藻就不适应；太少，又几乎没有效果。
令人振奋的是，我们发现，用消化液培育的微藻蛋白质含量更高，比用更常见的无机营养物质培育的微藻更富含蛋白质；蛋白质含量最高可达所产生物质总量的约80%。这远超肉类和大豆产品所含蛋白质的两倍。在蛋白质日益短缺、人们寻求肉类替代品的当下，这无疑是一大优势。蛋白质短缺日益加剧，而人们又在寻找肉类替代品，这无疑是一大优势。
目前，全球大豆作物中约75%被用作动物饲料的蛋白质来源。与牛肉生产一样，大豆生产对森林砍伐的影响也受到审视，尤其是在巴西和阿根廷。此外，全球运输大豆会产生巨大的碳足迹。更重要的是，将大豆运往农业高度集中的地区会扰乱全球氮平衡，导致出现“营养物质热点”，并使硝酸盐脆弱区增加。
我们的研究证实了微藻的潜力：它可作为蛋白质来源，补充并替代大豆蛋白质。然而，目前微藻养殖规模还不足以对大豆市场产生重大影响。因此，我们迄今进行的真实饲料试验，主要是测试将微藻作为食品补充剂，用于改善仔猪和鱼类的健康。但我们知道，藻类动物饲料和配料市场必将迅速增长。
推广这些新型生物技术
迄今为止，在英国，我们重点研究了两种常见的淡水绿微藻：普通小球藻和斜生栅藻（两者均属于绿藻门）。这两种微藻都含有丰富的蛋白质和多种有益健康的分子，我们仍在继续探索这些分子的特性。
微藻还有一个令人惊叹之处，那就是其多样性。还有数以万计的其他物种，形态和功能千差万别，等待人们探索。
如今，在我们的研究奠定基础之后，接下来就要由富有开创精神的企业、监管机构和投资者携手合作，推动这些新型生物技术得到更广泛应用。随着社会和经济从线性模式转向更具循环性的模式，在利用废弃物的同时防止环境污染，微藻似乎会以这样或那样的形式逐渐为我们所有人所熟悉。
我们的项目已经证明，微藻在帮助缓解与粮食安全相关的问题方面潜力巨大，例如土地稀缺、气候变化、化肥使用效率低下且不可持续，以及由此导致的营养物质流失和水污染。借助微藻，我们可以提升欧洲乃至全球的环境标准。事实上，我们的工作支持了近期宣布的《欧洲绿色协议》，该协议倡导循环经济和自然保护，也支持新的《共同农业政策》，该政策高度重视环境友好型农业实践和农业生态学。
不过，目前仍处于相对早期阶段。与任何废弃物相关技术一样，相关法律和监管都需要审慎考虑。目前，最简单的做法是使用厌氧消化处理过的植物性废弃物，而非动物性废弃物，从而杜绝动物废弃物或动物污染物重新进入食物链的可能。
我们还希望进一步提高藻类对消化液的吸收利用率。和任何新兴发展中的技术一样，我们需要权衡成本和整体环境效益。为此，我们正在汇总各合作伙伴的研究结果和数据，以用于生命周期分析。这也将帮助感兴趣的农民、食品生产商和其他行业判断这项技术是否适合他们，以及根据各自的具体需求，他们最适合实现哪些目标。
微藻还可以通过另一种方式助力农业，即用作生物刺激素——这类天然产品少量施用即可增强营养物质吸收能力并提高抗逆性，从而减少对化学肥料的需求。我们也在进一步探索微藻细胞中的许多其他有价值成分，包括可作为人类和动物免疫调节剂、抗炎剂和抗病毒剂的分子。微藻用于生产新产品的全部益处，正等待我们发掘。
具有讽刺意味的是，在我的整个职业生涯中，我并没有完全听从妈妈多年前的劝告，远离牛棚尽头粪肥池里那危险的营养物质混合物。但我愿意相信，正因为没有置身事外，我参与了一场改变人们看待和处理废弃物方式的变革，确保牛粪和其他有机废弃物中的宝贵营养物质能够越来越多地造福我们和地球。
