受自然启发的可持续膜状遮阳层以减轻藻类培养中的水分蒸发

把阳光变成可持续燃料

藻类外观不起眼，但这些微小的绿色生物有可能在吸收大气二氧化碳的同时，为未来提供燃料、食物和化学品。问题在于，在室外尤其是炎热干燥地区培养藻类会在强烈日照下导致池塘大量蒸发，从而浪费大量水资源。本研究探讨了一种简单且受自然启发的方式来遮蔽藻类池塘，使其损失更少的水分，同时仍能获得足够的光照和空气以维持健康生长。

在缺水的世界里藻类为何重要

藻类能够将阳光、二氧化碳和营养物转化为油类、蛋白质和其他有用产物，使其成为具有前景的生物燃料、动物饲料和特种化学品来源。每公斤藻类生物质可固定近两倍自重的二氧化碳，全球产量已达数千万吨每年。像阿拉伯半岛这样的高温多日照地区对大规模藻类养殖尤其有吸引力，因为它们提供充足的阳光、不可耕种的土地、海水及附近的工业二氧化碳来源。但在这些干旱气候中，开放式池塘会因蒸发而流失大量水分，推高成本并限制规模扩展。

传统池塘覆盖物的问题

一个显而易见的想法是盖住水面。浮球、泡沫板、薄膜，甚至化学单分子层都曾用于减少水库和藻类池塘的蒸发。这些解决方案能节水，但常常会阻挡过多光线或妨碍空气与水之间的气体交换。对藻类来说，这种权衡可能致命：它们需要恰到好处的可见光强度来进行光合作用——同时必须能自由吸收二氧化碳并释放氧气。致密的覆盖物虽能保护水体，但可能导致培养物过热、缺光、氧气累积至有害水平，从而降低生产力。

以微纤维仿生的遮阳层

为了解决这一问题，研究者从植物叶片取经：叶片利用具蜡质的外表层来减缓失水，同时仍允许气体自由进出。他们制成了由纳米纤维构成的薄而多孔的“遮阳层”，并将其铺设在有支撑的塑料网格上。使用了两种常见高分子材料：聚乳酸（PLA），可在工业堆肥条件下生物降解；以及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），具有高度耐久性且可回收。通过可扩展的卷对卷静电纺丝工艺制备的这些纳米纤维垫具有很强的疏水性、机械强度和热稳定性。它们允许70–80%的有利于生长的可见光透过，同时阻挡了大量可能损伤藻细胞的更强紫外线辐射。

让气体通过而挡住水分

室外试验显示，覆盖纳米纤维遮阳层的池塘比无遮盖池塘损失的水分少达86–87%，即便在强烈的沙漠阳光下也是如此。与此同时，对溶解二氧化碳和氧气的精确测量表明，这些遮阳层几乎不减缓气体交换：二氧化碳仍能进入水体以供光合作用，氧气也能逸出而不会累积到有害水平。遮阳层还平滑了光强的尖峰，使光强保持在更适合藻类生长的范围内，降低了光诱导应激的风险。在对PLA遮阳层进行的十一天培养中，遮阳培养的每日用水量约为无遮盖培养的一半。

以少量生物质换取更可控的系统

存在权衡：被遮蔽的培养最终生物质略低于最亮的无遮盖池塘——本研究中约低三分之一。然而，遮蔽系统的生长更一致且可预测，各重复样本间的细胞密度和生物质相似。相比之下，部分无遮盖培养出现生长困难或行为不稳定。遮阳层还能截留空气中的灰尘，作为一道屏障改善最终产品的洁净度。由于纤维层可从支撑体上剥离，组件在报废时可通过既有的回收或堆肥途径处理；PLA遮阳层在工业堆肥测试中易于生物降解，而PMMA保持完整，更适合需要较长使用寿命的场景。

这对未来藻类农场意味着什么

这项工作表明，薄型、受自然启发的膜状遮阳层可以在保持足够光照与空气以支持高生产力生长的同时，大幅减少藻类池塘的水分流失。尽管它们会略微降低峰值生物质产量，但带来了节水、更稳定的生长、更易规划的收获以及对灰尘和紫外线的额外防护。可伸展到较长长度并由可回收或可生物降解材料制成的这些纳米纤维遮阳层，有望帮助将大规模藻类培养推广到炎热干旱地区——支持更清洁的燃料、新的食物与饲料来源以及对气候更友好的工业，而不需付出过高的用水代价。

引用: G. Oldal, D., Bokhari, A., Abdurrokhman, I. et al. Nature-inspired sustainable membrane shades for mitigating water evaporation in algal cultivation. npj Mater. Sustain. 4, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00103-0

关键词: 微藻培养, 水分蒸发控制, 纳米纤维膜, 可持续生物燃料, 干旱气候农业