化學在食品可持續(xù)發(fā)展中的作用：挑戰(zhàn)與展望 2024

第9屆化學科學與社會 6 8 9 食物浪費與食品損失 第9屆CS3論壇化學在食品可持續(xù)發(fā)展中的作用：挑戰(zhàn)與展望化學科學與社會高峰論壇（CS3）每兩年舉行一次，本論壇匯聚了來自世界各地的多位資深化學家，邀請他們提出可行方案來解決社會在健康、食品、能源和環(huán)境領域面臨的最緊迫問題。需要強調(diào)的是，CS3顧名思義源于全球化學科學界，其天然使命是：確定什么是迫在眉睫的問題以及化學科學如何解決這些問題。與傳統(tǒng)的國際會議不同，CS3的獨特之處在于，來自每個成員國的與會者既代表主導該國的化學協(xié)會，也代表該國相關的基金資助機構(gòu)。本項活動以極具建設性的形式進行，參與國輪流舉辦。每屆CS3會議之后均會發(fā)布一份白皮書，總結(jié)會上討論的議題，并向全球公眾和政府提出可行和可實施的解決方案。CS3是由中國化學會（CCS）、德國化學會（GDCh）、日本化學會（CSJ）、英國皇家化學會（RSC）和美國化學會（ACS）合作倡議發(fā)起的。研討會得到了中國國家自然科學基金委員會(NSFC)、德國研究基金會（DFG）、日本科學技術(shù)振興和英國工程與物理科學研究理事會（EPSRC）的支持。第九屆CS3會議聚焦全球糧食問題，主題為“化學在食品可持續(xù)發(fā)展中的作用：挑戰(zhàn)與展望”線下會議于2023年9月19日至21日在東京CSJ總部舉行，會議主要探討化學在實現(xiàn)糧食安全和可持續(xù)性方面的作用。各化學協(xié)會和機構(gòu)的參會代表們共同參與討論，確立和闡明化學在食品生產(chǎn)中的作用，并探討化學科學如何為建立一個更安全、可持續(xù)的全球食品體系做出有意義2023年的CS3“化學在食品可持續(xù)發(fā)展中的作用：挑戰(zhàn)與展望”旨在確立和提出包括化學學會和資助機構(gòu)在內(nèi)的化學界在應對可持續(xù)食品問題中的使命，糧食可持續(xù)性無疑是全球最重大、最緊迫和最具挑戰(zhàn)性的問題之一，具有能源安全和氣候變化等的同等重要性。人類可以在沒有充足能源的情況下生存，但不能沒有充足的食物；根據(jù)聯(lián)合國教科文組織的數(shù)據(jù)，目前全球有8億多人口仍處于饑餓的邊緣。聚焦化學科學和技術(shù)在食品可持續(xù)發(fā)展中的作用，第九屆CS3由以下三個議題組成：議題1：革命性食品工程中的化學強壯和抗病的作物工程改良的畜禽和水產(chǎn)品合成食品議題2：助力可持續(xù)食品生產(chǎn)的化學食品工廠與智慧農(nóng)業(yè)新型食品加工替代型新食品議題3：致力于食品可持續(xù)性的循環(huán)和可持續(xù)化學氮和磷的循環(huán)化學致力于水可持續(xù)性的化學環(huán)境友好型農(nóng)用化學品食品包裝、監(jiān)測和回收一些國家已就化學在糧食可持續(xù)性方面的作用開展了廣泛討論，有些已啟動研究和發(fā)展項更少的化學品”[《Chemical&EngineeringNews》2023，101(15)（5月8日）]，主張開發(fā)和推廣對環(huán)境影響較小的糧食生產(chǎn)技術(shù)，擺脫依賴化學殺蟲劑和化肥的傳統(tǒng)糧食生產(chǎn)方式。在日本，由內(nèi)閣領導的名為“登月計劃”的研發(fā)項目啟動于2020年，其九個目標中的第五個即為“創(chuàng)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)全球糧食供應的食品工業(yè)”。該項目的技術(shù)基礎主要涉及化學、化學品科學，旨正如本屆CS3會議所強調(diào)的，我們必須再次認識到化學在解決糧食可持續(xù)性問題中的重要性：食品實質(zhì)上是化學成分的聚合，所以我們有必要將食材看作是一種通過生物和生化過程生產(chǎn)生物圈中移動，并發(fā)生化學變化。從化學的角度全面理解這些過程以及可持續(xù)的食品生產(chǎn)將是引領下一個時代的不可避免的終極挑戰(zhàn)。本白皮書總結(jié)了峰會上的討論和建議，希望不僅為化學科學界，而且為全球政府、產(chǎn)業(yè)界和公眾提供具有說服力的論點。執(zhí)行概要自有記錄以來，糧食產(chǎn)量的增長是顯著的。農(nóng)業(yè)的擴張不僅是種植面積增加的結(jié)果，也是由于人們對于農(nóng)業(yè)和技術(shù)發(fā)展，從車輪到人工智能，有了長足的理解。最早的進展源于宏觀尺度的觀察和實驗，相對早期的技術(shù)成果有灌溉、輪作、使用糞肥和其他有機副產(chǎn)品作為土壤增肥劑以及選擇性育種。在二十世紀，礦物質(zhì)土壤改良劑、合成殺蟲劑和除草劑以及農(nóng)業(yè)機械被納入農(nóng)業(yè)實踐中，并逐漸不可或缺。但這些進步并非沒有經(jīng)濟、環(huán)境和社會代價：對石化能源的需求不斷增長，生態(tài)破壞也變得越來越普遍；在許多重要的農(nóng)業(yè)地區(qū)，灌溉依賴于地下蓄水層，而地下蓄水層正以不可維系的速度被開采，一旦枯竭，將無法恢復。氣候變化正在造成難以預測的天氣和季節(jié)變化，并影響淡水的供應和質(zhì)量。人口的增長推動了對更高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的需求。在過去的一個世紀里，這一增長速度顯著加快，自20世紀40年代以來，人口增長了4倍。人口增長和糧食需求這兩個趨勢有著密不可分的聯(lián)系。根據(jù)聯(lián)合國的數(shù)據(jù)，2023年世界人口為80億，預計到2050年，將增加約20%，到2100年將再增加10%。所以“如何養(yǎng)活不斷增長的人口”成為一個時常被提及的問題。然而，可能更合理的問法是，“如果農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力沒有提高，這種增長會持續(xù)嗎”？人類人口增長的預期值取決于糧至可能已超過地球系統(tǒng)的臨界點。盡管糧食產(chǎn)量穩(wěn)步增加，但饑餓、營養(yǎng)不良和糧食危機仍然頑這屬于社會經(jīng)濟和地緣政治問題。然而，化學和技術(shù)可以在許多方面為改善糧食安全做出貢獻，無論是通過前沿技術(shù)還是傳統(tǒng)做法來應對挑戰(zhàn)，從化學角度加深對糧食系統(tǒng)的了解可以為解決糧食安全問題提供重要的指導方針和選擇。食品體系相關的研究正在學術(shù)界、工業(yè)界和政府中廣泛而持續(xù)的開展，學術(shù)和政策領域的范圍很廣，從專精的基礎研究到寬泛的應用開發(fā)，可更有效地利用水、能源和其他資源并減少生態(tài)影響的新工藝和新食品正不斷地被設計和開發(fā)出來。除了提高食品供應的穩(wěn)定性和可持續(xù)性外，改善營養(yǎng)狀況和提供符合消費者口味的新型食品也是當務之急。另一個有前景的研究領域是開發(fā)循環(huán)或再生而非線性生產(chǎn)系統(tǒng)，將副產(chǎn)品循環(huán)返回可被微生物（包括真菌）或其他生物轉(zhuǎn)化的生產(chǎn)流程中。采用副產(chǎn)物作為生產(chǎn)原料已有長期深入的研究，相關工藝的開發(fā)和改進仍在持續(xù)。高度特異性的基因編輯提升了人們對化學生物學的理解，并進而為農(nóng)業(yè)技術(shù)做出貢獻。探索土壤和水中的微生物，研究它們的相互作用，并開發(fā)新的分析技社會所接受和包容，為所有全球社群提供機會。本次峰會提出了一些建議，旨在為所有人提供更營養(yǎng)的食品、更健康的飲食、新的互聯(lián)供食生產(chǎn)是動態(tài)、復雜、且不時脆弱的，本報告中提出的建議要點在周期性糧食系統(tǒng)中是相互關聯(lián)的。土壤健康是維系農(nóng)業(yè)的關鍵要素，應大力支持對土壤微生物組以及植物與其他土壤生物之間共生相互作用的持續(xù)研究。土壤中的生物和礦物過程在氮磷循環(huán)以及碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，更好地了解這些過程與應對氣候變化密切相關，土壤健康與人類健康之間同樣有著密切的聯(lián)系。人們迫切需要考慮由于食物損失和浪費造成的營養(yǎng)流失，應鼓勵針對糧食改進保存方法和包裝材料，并繼續(xù)開發(fā)利用副產(chǎn)品和食物廢棄物作為資源或商品的方法（例如見https://www.bbc.co.uk/news/business-67548961)。應大力支持對人類營養(yǎng)的深入了解以及改善營養(yǎng)狀況的方法探索。畜牧業(yè)在營養(yǎng)和平價飲食中的角色和地位應從客觀的系統(tǒng)層面考慮，充分考慮營養(yǎng)、牲畜飼養(yǎng)方式和地點，以及動物在糧食系統(tǒng)中發(fā)揮的多重作用。對其他非動物性食物來源和新興食物來源進行客觀、系統(tǒng)層面的分析也是必要的。公眾對化學、技術(shù)和農(nóng)業(yè)的看法不應被忽視，教育體系中充分溝通和擴展性系統(tǒng)思維至關重要。也許最重要的是，種植者、加工商和消費者必須參與對食品系統(tǒng)未來發(fā)展重點的審議。簡介“地球提供的食物足以滿足每個人的需求，但無法滿足每個人的貪婪。”―MahatmaGandhi民以食為天。我們在寒冷季節(jié)里也許需要保暖的衣服，生病時可能需要醫(yī)療護理，然而從受孕到死亡，我們的生活毫無疑問依賴于健康和營養(yǎng)食品的穩(wěn)定供應。人類作為狩獵-采集者出現(xiàn)，并因此繁榮興盛。然而，正是固定式農(nóng)業(yè)的發(fā)展，才使得村莊、城鎮(zhèn)、城市的形成成為可能，事實上，固定式農(nóng)業(yè)開啟了人類文明的起源。高效、可靠的食品生產(chǎn)、儲存和加工促進了輪作和選擇性育種等實踐之后，出現(xiàn)了機械化、工業(yè)化生產(chǎn)的肥料、化學農(nóng)藥、牲畜藥物和疫苗。加工和保存方法的改進提高了保質(zhì)期和安全性，改善了食品安全。這些綜合發(fā)展使得人口已增加到80多億，在過去80年中增加了4倍。盡管人類農(nóng)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，糧食產(chǎn)量增加，但饑餓依然頑固地持續(xù)存在。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的一份報告，2022年全球約9%的人口營養(yǎng)不良，與此同時，肥胖亦同樣普遍。據(jù)報道，2022年全球有6.91億至7.83億人面臨饑餓問題，這種長期營養(yǎng)不足的狀況預計將持續(xù)十年。此外，2022年全球五歲以下兒童中估計有22.3%發(fā)育遲緩，6.8%消瘦，5.6%超重。據(jù)報道，負擔能力是決定營養(yǎng)狀況和糧食安全的關鍵因素。聯(lián)合國2015年提出了“可持續(xù)發(fā)展目標”可持續(xù)發(fā)展目標報告》揭示了饑餓問題的長期性。根據(jù)這份報告，預計2030年全球?qū)⒂?億多人面臨饑餓，這主要是由于相對于收入的負擔能力不足，估計全世界有三分之一人口經(jīng)歷中度至重度的糧食匱乏。此外，據(jù)透露，營養(yǎng)不良在全球范圍將持續(xù)存在。聯(lián)合國《世界人口展望》提供的未來人口變化從全球范圍來看，目前的糧食安全很大程度上是一個分配問題，也就是說，主要是物流和經(jīng)濟問題。然而，環(huán)境制約因素日益明顯。目前許多農(nóng)業(yè)地區(qū)嚴重依賴地下蓄水層，這些蓄水層正在迅速枯竭，一旦耗盡將無法恢復。降水變得越來越難以預測，這導致作物產(chǎn)量的可預測性越來越低，大氣總溫度的升高也會擾亂農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。此外，大規(guī)模工業(yè)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響日益引2023年9月19日至22日，第9屆CS3峰會在日本東京舉行，來自日本、中國、德國、英國和美國并代表各國化學學會的頂尖科學家們出席了會議。本次峰會的主題是“化學在食品可持續(xù)發(fā)展中的作用：挑戰(zhàn)與展望”，內(nèi)容分為以下幾個部分：(1)革命性食品工程中的化學；(2)助力可持續(xù)糧食生產(chǎn)的化學；(3)致力于食品可持續(xù)性的循環(huán)和可持續(xù)化學。本次峰會的目標是介紹革命性食品工程中的化學學術(shù)界、工業(yè)界和公共部門廣泛開展與農(nóng)業(yè)、食品加工和營養(yǎng)相關的科學研究，研究活動跨越了從實驗臺上的分子到工業(yè)規(guī)模的工程項目，從根系和微生物之間的共生相互作用的研究到從農(nóng)場到餐桌的整個供應鏈的探索。主題范圍甚廣，本報告無法一一涵蓋，下面將簡要介紹第9屆CS3峰會上提及的研究領域。食品加工土豆米中國土豆產(chǎn)量居全球首位，年產(chǎn)量近1億噸。為了解決土豆不易儲存的問題，中國研究人員開發(fā)了一種新工藝將土豆加工成類似大米的“土豆米”，是既營養(yǎng)又便宜的主糧替代品。該工藝節(jié)能節(jié)水，并優(yōu)化了廢棄物管理。土豆淀粉產(chǎn)量每年總計600萬噸，產(chǎn)生大量副產(chǎn)品，如果不加以利用，可能會被廢棄和浪費。利用這些副產(chǎn)品的研究包括從土豆汁中提取蛋白質(zhì)、提取固形物用作動物飼料以及將廢水用于灌溉。全豆豆腐傳統(tǒng)的豆腐生產(chǎn)會產(chǎn)生黃漿水和豆腐渣，目前這些廢水和廢渣要么被丟棄，要么飼喂給牲畜，造成環(huán)境問題和營養(yǎng)損失。峰會上所討論的一種新型工藝可以實現(xiàn)零排放，并且可以提高豆制品產(chǎn)量，用傳統(tǒng)產(chǎn)出350克豆腐的原料生產(chǎn)出500克豆腐。由此制成的豆腐更富營養(yǎng)，同時保持了消費者所追求的傳統(tǒng)特征。真菌發(fā)酵許多食品生產(chǎn)的副產(chǎn)品要么不易被消化，要么口味不佳，所以只能用作牲畜（動物）飼料，或簡單地作為廢物被丟棄。開發(fā)使用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的一種新方法是利用真菌。與動物或植物不同，真菌能夠消化木質(zhì)素。棕櫚皮是棕櫚油生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，目前作為廢物焚燒，對環(huán)境造成嚴重影響。德國最近的研究表明，棕櫚皮可以用作真菌的基質(zhì)，產(chǎn)生的真菌物質(zhì)雖不直接用作人類或牲畜的食物，但適合黑蠅幼蟲食用，長大的幼蟲或成蟲可以用作家禽或水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料。水產(chǎn)養(yǎng)殖蝦是蛋白質(zhì)的主要來源，養(yǎng)殖蝦在市場上占據(jù)主導地位，尤其在南亞。水產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量高度依賴于水的鹽度和堿度以及飼料成分，微生物群也發(fā)揮著重要作用。在分子水平上的多尺度理解和改進水產(chǎn)養(yǎng)殖中的代謝物分析有助于提高效率和可持續(xù)性。這種方法普遍適用于不同品種的水產(chǎn)養(yǎng)殖，也適用于其它農(nóng)業(yè)體系。可持續(xù)育種基因改造是一個備受關注的話題，然而，人類利用作物和牲畜的基因變異的歷史與固定式甜橙、康沃爾野雞、富士蘋果和哈斯牛油果都是通過使用傳統(tǒng)育種方法進行有利突變、以獲得理并通過使用重組DNA技術(shù)的基因整合來完成生物體修飾。在2000年前后，隨著CRISPRCAS9（CRISPR:ClusteredRegularlyInterspacedShortPalindromicRepeats;CAS9:CRISPRAssociatedNucleaseNo9）輔助基因編輯的出現(xiàn)，基因編輯的準確性得到了提高，這有助于實現(xiàn)核酸堿基對的精確靶向和識別，通常會產(chǎn)生與自然過程中可能出現(xiàn)的突變相同的單一突變。無論是通過傳統(tǒng)的選擇性育種還是通過靶向基因編輯，基因修飾都有巨大的潛力，為糧食作物帶來諸如提高抗病蟲害、改善耐熱性和耐旱性、提高產(chǎn)量、改善營養(yǎng)狀況和延長保質(zhì)期等特性。然而，公眾的看法也必須納入考慮，有效的溝通和包容性的審議過程至關重要。助力可持續(xù)食品生產(chǎn)的化學自人類農(nóng)業(yè)誕生之初，化學就在糧食生產(chǎn)中發(fā)揮了至關重要的作用，盡管直到近代它才成為政策的明確主題。任何生命形式或過程都可以用化學方式來描述，因此，種植植物、培養(yǎng)真菌或飼養(yǎng)動物都可以被視為是促成化學過程的行為。觀察到種子在特定時間和特定條件下放入土壤中會導致植物發(fā)芽，這就是化學作用。即使我們不知道這個過程中確切的化學和微生物細節(jié)，但認識到卷心菜在切碎、加鹽并放在密封容器后會生成酸菜或泡菜，這就是化學反應。作物輪作以提高產(chǎn)量，植物和動物的選擇性育種以獲取所需的性狀，將谷物制成麥芽以提供甜味，將糖發(fā)酵成乙醇，蒸餾酒以濃縮乙醇，以及制作酸奶以提高儲存性和營養(yǎng)，所有這些都可以理解為化學。因此，數(shù)千年來，人類一直在食品和農(nóng)業(yè)中發(fā)現(xiàn)化學物質(zhì)，并運用化學知識。盡管直至最近幾個世紀，我們才了解微生物或分子水平上的詳細過程，但在如何生產(chǎn)食物的宏觀層面上，我們對化學的了解已相當深入。不幸的是，人類往往無法高屋建瓴地去理解農(nóng)業(yè)活動的長遠影響。我們常常把田地或牧場視為一個孤立的單元，而不考慮它在整個環(huán)境中的位置與作用。這并不奇怪，立竿見影的效果往散污染物）、生物或礦物化肥施用的影響、以及畜牧業(yè)的影響等，都處于周邊大環(huán)境維持環(huán)境和生態(tài)平衡的能力范圍之內(nèi)，農(nóng)業(yè)活動和環(huán)境系統(tǒng)有能力在動態(tài)平衡中協(xié)同發(fā)展。事實上，整個物種，例如玉米和家禽等，都是隨著人類農(nóng)業(yè)的發(fā)展而進化的，農(nóng)場和農(nóng)業(yè)社區(qū)周圍的當?shù)厣鷳B(tài)系個世紀里，大量物種因人類破壞其棲息地或不被認為具有經(jīng)濟或文化重要性而被大量殺害或滅絕。礦物肥料和合成殺蟲劑對環(huán)境的影響也不容小覷，農(nóng)作物實現(xiàn)了可靠的高產(chǎn)，極大地改善了糧食安全和人類福祉，但與此同時，農(nóng)用化學品的過度或不正確的使用往往對環(huán)境和人類健康造成負面影響（例如，請參閱https://www.europol.europa.eu/media-press/newsroom/news/2-040-tonnes-of-illegal-pesticides-seized-and-21-suspects-arrested-in-global-operation)。獸用（和人類）藥物的使用也存在安全隱患，人們擔心其會在食品中殘留、產(chǎn)生抗生素耐藥性和造成河流系統(tǒng)的教訓，并在繼續(xù)發(fā)展的過程中納入全局考量，這一點至關重要。致力于食品可持續(xù)性的循環(huán)和可持續(xù)化學向更加循環(huán)的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型全球經(jīng)濟以線性的經(jīng)濟思維為主導。線性的經(jīng)濟系統(tǒng)需要連續(xù)投入來維系所需的產(chǎn)出，并假設存在無限的資源和無限的持續(xù)增長和擴張的空間。線性經(jīng)濟體系的相關市場只關注為產(chǎn)出而備的代價，其結(jié)果是沒有考慮森林砍伐、水污染或溫室氣體排放等負面的對外影響。短期思維的主導下，可能導致資源利用低效和浪費過度。然而，循環(huán)經(jīng)濟思維充分考慮了微觀、介觀和宏觀層面的相互作用，從而更有效地利用和再利用資源，將負面影響降至最低，但也有可能限制增長潛力。如果要避免環(huán)境惡化和地緣政治不穩(wěn)定，向更循環(huán)的經(jīng)濟模式轉(zhuǎn)型將是至關重要的。食品浪費與食品損失關于食品浪費和食品損失的定義不同組織、機構(gòu)或部門的解釋不同，但從廣義上講，食品損失發(fā)生在生產(chǎn)鏈中，而食品浪費發(fā)生在零售和消費階段。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)，14%的糧食損失發(fā)生在零售前，另有17%在零售和消費者那里。其中一些損失是可以避免的，例如由于包裝或儲存不當而變質(zhì)，而大部分損失是難以避免的，也就是說，食品的一部分可能對人類來說不適口或難以消化，例如柑橘皮或核桃殼（見前一節(jié)所以應將維系人類生存的可食用食品作為最優(yōu)先考慮的食物資源（參見相關內(nèi)容；.uk/research/behaviour-and-perception/the-creation-of-food-waste)。相關技術(shù)和結(jié)構(gòu)的改進，如改善儲存、加工和包裝，以及使用更耐腐敗的品種，將減少糧食損失。了解與果蔬成熟有關的信號通路已在食品保鮮方面取得了重大進展。例如，乙烯傳感器和乙烯清除催化劑的使用提升了對果實成熟度的控制。丟棄的食物固然可以堆肥，但充分利用其中的營養(yǎng)成分或化學物質(zhì)則更加可取且可行。不適合人類食用的食品副產(chǎn)物長期以來一直被用作牲畜的飼料，其實是可以進一步開發(fā)使用的。農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品和廢棄食品也是高附加值化學品的豐富來源，比如使用生物精煉技術(shù)可以從眾多農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品中提取顏料、蠟質(zhì)、油、糖和類黃酮，不適合人類或動物食用的廢物也可用于生產(chǎn)燃料。不可避免浪費食物的利用爛，會導致溫室氣體排放，也會損失可貴的營養(yǎng)。不可避免的食物浪費，例如植物中不能被人類或動物消化的部分，可以被視為大自然給出的一張關于結(jié)構(gòu)、形式和功能的元素周期表，因為它富含一系列可利用的化學物質(zhì)和材料。例如，全球橙子年產(chǎn)量約為7000萬噸，生產(chǎn)得到的果汁約3000萬噸，剩下的殘渣中富含纖維素、半纖維素、果膠、黃酮類化合物和萜烯，檸檬烯是一種用于香精和香料的重要商品，也是精細化學合成中有用的手性結(jié)構(gòu)單元。果膠是一種有用的商品，在食品中除了制作果醬，還用做流變改性劑或增稠劑。果膠在工業(yè)上是通過加熱和利用鹽酸提取的，這會產(chǎn)生大量的酸性廢水。英國最近的研究表明，在零廢棄生物精煉廠里，無酸微波工藝可利用柑橘殘渣的天然酸度，在較低溫度下生產(chǎn)果膠，并可提取精油、抗氧化劑和微納纖維素。這些方法適用于處理其它食物廢棄物，如果核、種子、果皮廢物轉(zhuǎn)化為能源食物廢棄物可以通過多種方式轉(zhuǎn)化為可用能源，傳統(tǒng)用于烹飪和加熱目的的生物質(zhì)燃燒可將其直接轉(zhuǎn)化為熱量，先進技術(shù)可通過在厭氧條件下加熱熱解，將其轉(zhuǎn)化為更方便使用的生物燃料。該工藝可用于提供類似于木炭（生物炭）的固體燃料、類似于重油的液體燃料（生物油）或合成氣（沼氣而合成氣可通過F-T合成以工業(yè)規(guī)模制備液體烴燃料或化學原料。生物質(zhì)可通過高溫氣化直接轉(zhuǎn)化為可用的熱能，微生物的厭氧分解可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為（生物）甲烷，用作燃料或化學原料，也可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化后用作肥料。碳水化合物可以通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化為生物乙醇和生物丁醇，脂質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為生物柴油和相關燃料。這些技術(shù)在商業(yè)規(guī)模上的發(fā)展呈現(xiàn)良好態(tài)勢。包裝材料食品包裝在減少食物損失和浪費方面發(fā)揮著重要的作用，但也帶來了許多環(huán)境問題。直接接觸食品的包裝必須符合食品接觸材料法規(guī)，以防止化學物質(zhì)遷移到食品中。如果食品在當?shù)叵M，可重復使用的包裝可以是有效、高效的并且對環(huán)境的影響最?。坏绻情L途運輸，可能會帶來巨大的物流和能源負擔。現(xiàn)代的包裝通常使用的是復合材料和多層注坯吹塑，難以需要包裝耐用就可能無法生物降解。廢棄食品包裝造成的污染已成為重大的環(huán)境問題，微納塑料造要求和原材料來源而產(chǎn)生其它的環(huán)境負擔（參見相關內(nèi)容(.uk/research/behaviour-and-perception/the-creation-of-food-waste))。理想情況下，為了最大限度地減少對環(huán)境的影響，食品包裝材料應該是可食用的，或者至少是易降解的，制造可食用薄膜和涂層是應用化學提供有效解決方案的一個例子。在幾十年里一直是食品和包裝中的有效抗氧化劑。作為替代方案，可以開發(fā)基于生物的、可降解直觀地指示內(nèi)容物的新鮮度或安全狀態(tài)。使用傳感器的智能包裝解決方案可在不需要特殊設備或嚴格流程的情況下實時評估食品質(zhì)量，減少對固定的保質(zhì)期編碼的依賴。化學和包裝技術(shù)大有助于改進傳統(tǒng)包裝體系、創(chuàng)造新型包裝材料，以減少食品和包裝浪費。土壤與土壤健康氮和磷循環(huán)的主要儲存庫，土壤健康對于健康農(nóng)業(yè)至關重要。植物學、昆蟲學、微生物學和化學學科的進步極大地提升了人們對土壤生態(tài)學的理解，隨之也提高了對農(nóng)學的理解，但在土壤健康和功能方面仍有待探索，對土壤微生物的了解亦需不斷增進。我們正在多個層面上積極研究植物和土壤微生物之間的關系，對于微生物水平的調(diào)研以及基于代謝物、pH的影響和生物特征的土可持續(xù)的肥料和土壤改良劑，減少土壤和植物活動產(chǎn)生的溫室氣體排放，提高氮利用效率、促進碳封存和礦化，提高無機氮和磷的利用率、減少其浸出是非常必要的。多組學分析讓我們從研究一種植物和一種微生物之間的單一相互作用，轉(zhuǎn)為綜合研究自然環(huán)境中植物和微生物群落之間的相互作用。我們必須認識到碳、氮和磷循環(huán)的地球邊界和容量限制，并更加徹底地了解人類活動對這些系統(tǒng)的影響。在農(nóng)業(yè)和更廣泛的領域，工業(yè)規(guī)模使用這些自然元素，無論是將它們作為資源進學品在農(nóng)業(yè)中的應用也對環(huán)境產(chǎn)生了影響，歷史上使用DDT和2,4-D等化學農(nóng)藥和除草劑導致了不容忽視的嚴重后果，由此產(chǎn)生的公眾質(zhì)疑也是可以理解的。城市和工業(yè)污染也對環(huán)境產(chǎn)生了影響，這是農(nóng)業(yè)地區(qū)關注的問題，尤其在工業(yè)污染導致土壤退化的地區(qū)。這些化學品包括“永久性化學品”如PFAS、污水中的重金屬和藥品、二噁英和多環(huán)芳烴等。與此同時，我們也必須認識到，化學對農(nóng)業(yè)的貢獻極大地提高了生產(chǎn)力，改善了全球糧食安全。如果有適當?shù)闹卫怼⒖刂坪捅O(jiān)督體系，化學品的使用本身沒有壞處，但若化學品的使用對環(huán)境造成過度影響就會導致出現(xiàn)問題，在地球邊界和可持續(xù)發(fā)展目標的背景下采用和踐行綠色和可持續(xù)化學是至關重要的。農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)以及推廣某些做法應尊重科學、遵循規(guī)律。農(nóng)業(yè)實踐中的化學知識無論是自然衍生的還是人類探索的結(jié)果，需要和動物科學、環(huán)境科學、植物科學以及土壤科學相結(jié)合，以構(gòu)建一個強大、持久的食物系統(tǒng)。了解農(nóng)業(yè)活動如土地利用、水利用和化學品使用的非預期影響，對于維持穩(wěn)健、可靠和有彈性的生產(chǎn)系統(tǒng)并避免不良副作用至關重要。將現(xiàn)代科學知識與傳統(tǒng)實踐相結(jié)合，如作物輪作和養(yǎng)分循環(huán)回到土壤中，是具有前景的策略。人們正在探索用多組學方法來更好地了解微生物、根系和土壤化學，計算模型也正在開發(fā)中，但由于涉及的復雜性很高，盡管虛擬模型也在建設，但目前網(wǎng)絡空間仍然沒有完整的農(nóng)業(yè)模型可用。全局視野一個健康、有韌性的糧食系統(tǒng)必須滿足人類社會的營養(yǎng)需求，并與環(huán)境兼容。在當下時代，要實現(xiàn)一個穩(wěn)健的糧食系統(tǒng)將面臨許多挑戰(zhàn)。總體而言，氣候變化使天氣模式變得更加嚴峻和不可預測，導致生長季和收成的可靠性降低。除了氣候變化之外，許多農(nóng)業(yè)核心區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還在依賴地下蓄水層進行灌溉，而這些蓄水層正在不可逆轉(zhuǎn)地枯竭。即使不考慮氣候變化，隨著人口的持續(xù)增長和對淡水需求的增加，水資源的供應正成為一個日益嚴峻的問題。擴大灌溉系統(tǒng)和海水淡化項目可能會有一些緩解作用，但這些也會帶來環(huán)境影響和增加能源需求。競爭性的需求意味著農(nóng)業(yè)用地的保障也是一個問題，因此，全局視野是必需的和基本的。將短期糧食產(chǎn)量最大化，即當下過度消耗水和其他資源，而忽視對今后的影響，這對可持續(xù)發(fā)展是不利的。清理荒野地區(qū)導致生物多樣性喪失和碳吸儲庫的破壞等不良后果。此外，社會、經(jīng)濟和政治需求也必須納入考對畜牧業(yè)的思考恰如其分地闡明了系統(tǒng)思維在糧食系統(tǒng)中的重要性。在工業(yè)化之前的農(nóng)業(yè)以及狩獵—采集社會中，動物在食物系統(tǒng)中起著生物轉(zhuǎn)化器的作用。也就是說，食草動物，特別是反芻動物，食用人類不能食用或不能有效利用的食物，并將其轉(zhuǎn)化為適合人類的食物，依動物物種不同可以是肉、奶或蛋等形式。這在粗放型農(nóng)業(yè)中是相當有效的，動物在不適合生產(chǎn)人類食用植物的土地上覓食，然后提供食物給人類。然而，人們對反芻動物產(chǎn)生甲烷及其對全球變暖的潛在影響感到擔憂。甲烷是瘤胃中微生物群發(fā)酵的副產(chǎn)物，目前全球正在進行大量研究，以減少甲烷的產(chǎn)生，以及查明是否有其它途徑可有效解決瘤胃微生物發(fā)酵氫氣的利用問題。在集約化工業(yè)規(guī)模的動物養(yǎng)殖中，動物通常以谷物和豆類為食，而這些原本可且不同物種之間，飼料轉(zhuǎn)化率差異很大。對動物源性食品碳排放的擔憂導致許多人認為完全不含牛奶和肉類，營養(yǎng)豐富，含有一系列必需氨基酸、礦物質(zhì)和維生素。此外，人類需要膳食中的鈷胺素（維生素B12而這種維生素只能從動物性食物或合成補充劑中獲得。因此，面對如此眾多的利益沖突，對食品生產(chǎn)做出適當改變也是非常具有挑戰(zhàn)性的。使消費者受益的變動可能不會有利于分銷商，使小生產(chǎn)者受益的也可能不會有利于大生產(chǎn)者及其股東，而減輕環(huán)境負擔的那些轉(zhuǎn)變可能會帶來飲食缺乏豐富營養(yǎng)。雖然化學有助于更好地理解這些問題，并提供解決方案，但人們應該從科學、政治和社會經(jīng)濟的角度來綜合考量。農(nóng)場的碳凈排放量，即每年的碳排放量減去固碳量，這方面數(shù)據(jù)目公眾認知和總體趨勢根據(jù)糧農(nóng)組織的一份報告，2018年農(nóng)業(yè)及其相關用途的溫室氣體排放量占全球所有排放量的17%。農(nóng)業(yè)在其他方面對環(huán)境的影響也很嚴重，因為灌溉、農(nóng)用化學品和水土流失，天然水系統(tǒng)被破壞，因為大規(guī)模單一種植、廣譜農(nóng)藥使用和棲息地被破壞，生物多樣性正在喪失。與此同時，我們迫切需要提高糧食生產(chǎn)的質(zhì)量、穩(wěn)定性和可持續(xù)性。當前的農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)模式從長遠來看是不可持續(xù)的，盡管人們已減少化學品投入、以及利用一系列技術(shù)有針對性地使用化學品，但依靠農(nóng)用化肥和農(nóng)藥行業(yè)無法實現(xiàn)進一步的可持續(xù)生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)實踐是以革命性的、顛覆性的方式改變，還是以演化的、漸進的方式改變?nèi)匀皇且粋€懸而未決的問題，但它們終將改變，它們必須改變。采用綠色和可持續(xù)的化學實踐可以極大促進我們的集體智慧，并決定我們?nèi)绾螒獙Z食系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。由于還涉及社會、政治和經(jīng)濟因素，解決方案需要達成共識，比如改變是否會影響人們對食品價格的承受力，或者消費者是否愿意改變他們的飲食習慣，這使得公眾的看法和參與成為重要的考慮因素。糧食安全無法得到保障的原因在全球范圍內(nèi)并不統(tǒng)一，為改善營養(yǎng)安全而必須解決的社會零售商、投資者和消費者更多交互，使他們擁護或至少接受實現(xiàn)可持續(xù)糧食生產(chǎn)所必需的變革，并達成共識。通往成功的道路可能不止一條，但我們必須就其中一條或多條路徑達成一致并堅定也許化學作為一門科學的最重要貢獻就是基于經(jīng)驗觀察和實驗驗證而得到的明確的系統(tǒng)性的思維。將系統(tǒng)思維納入教育可以幫助社會朝著一個包容兼納的、人們能夠應對和解決共同復雜挑戰(zhàn)的方向發(fā)展。人們對全球糧食系統(tǒng)的互聯(lián)性有了更多的認識，而且由于互聯(lián)網(wǎng)的興起，可以更輕松地實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。盡早培養(yǎng)在系統(tǒng)和跨學科層面的思考力，可以提升學生的認知層次。美工業(yè)、經(jīng)濟和社會問題關聯(lián)起來。推薦與建議從“化學”的角度來解決人類社會當下和未來面臨的無法回避的糧食問題，確實是事關人類生存的大挑戰(zhàn)。世界目前的狀況很大程度上是世界人口急劇膨脹，以及始于綠色革命的糧食生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新的人類活動擴張的結(jié)果。農(nóng)業(yè)作為一種糧食生產(chǎn)活動，在很大程度上依賴于地球和自然界的再生能力，并利用自然的功能。這種平衡已經(jīng)被打破，氣候等的明顯變化正以前所未有的速度加劇危機，比如大量碳從土壤釋放到大氣中，以及生物多樣性喪失。我們現(xiàn)在需要運用我們的智慧來解決這些問題，共同努力，因為這是全人類面臨的共同挑戰(zhàn)。目前糧食安全無法保障的主要原因與物流和分配有關，因此必須作為社會、經(jīng)濟和政治綜合問題加以解決。氣候變化導致的極端天氣事件將進一步加劇糧食危機。然而，化學可有助于從微觀到宏觀理解糧食系統(tǒng)，并為改善生產(chǎn)、加工、分配和營養(yǎng)提供基礎，同時為實現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)性提供支撐。盡管種植什么、如何種植、如何分配食物和人們吃什么都是受限于人類訴求的社會問題，但人類營養(yǎng)需求、作物種植條件，以及生物圈的范圍和局限性卻是客觀存在的?；瘜W可以提供一系列潛在的解決方案，從中可以選擇一條或多條可持續(xù)的途徑。在化學基礎上的理解對于建立強有力的系統(tǒng)評估和抑制“漂綠”（指表面上大張旗鼓倡導環(huán)保而實際別有所圖，甚至與環(huán)境保護背道而馳）以提供更強健和可持續(xù)的糧食系統(tǒng)至關重要。幅員廣闊的牧場和土壤健康的耕地是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分。本次峰會強烈建議進一步加大對土壤及土壤微生物基礎研究和應用研究的資助。土壤微生物在多個領域提供了大量的研究切入點，成果豐碩必會極大地造福于農(nóng)業(yè)，比如減少溫室氣體排放，增加碳封存。更好地了解代謝產(chǎn)物介導的土壤微生物、真菌、野生植物和糧食作物之間的共生相互作用，可以為穩(wěn)定收成提供基礎同時減少環(huán)境負擔。微生物在氮、磷和碳循環(huán)中的作用，以及生物介導的與二氧化碳、甲了解土壤在碳封存和礦化中的作用變得越來越重要。對具有可持續(xù)屬性的化肥、殺蟲劑和除草劑等的開發(fā)研究也很重要，相關技術(shù)可以在它們的定時定量使用和跟蹤其環(huán)境軌跡方面發(fā)揮作用。化學可以貢獻新工藝，減少供應鏈端食物浪費和食物損失，實現(xiàn)資源循環(huán)供人類再利用。食品質(zhì)量與安全。副產(chǎn)品和無可避免的食物垃圾具有巨大的利用潛能，可用作牲畜飼料、升級為加工食品配料、增值化學品的原料，以及用于堆肥和生物轉(zhuǎn)化。我們應大力推廣從食品廢棄物中提取油脂、萜烯、醇類、染料、色素、蠟、糖、類黃酮和其它成分來生產(chǎn)日用化學品，更多資助利用新型生物衍生溶劑、離子液體、光、超聲、微波和光催化的新方法研究。這些領域具有社會和經(jīng)濟效益，值得公眾和企業(yè)大力支持。開發(fā)具有高營養(yǎng)價值的食品，并在整個加工和分銷鏈中一直保持其營養(yǎng)成分直至到達消費者手中。人類是作為狩獵-采集者進化而來的，因此以富含常量和微量營養(yǎng)素的混合飲食為生。從化學角度了解糧食生產(chǎn)可以帶來更高營養(yǎng)價值的收成物，加工不僅可以保存收成物，還可以增強自然產(chǎn)生的營養(yǎng)成分。食品的風味和外觀的重要性不容忽視，營養(yǎng)食品只有在消費者真正愿意食用的情況下才有價值。建立一個滿足社會營養(yǎng)需求的穩(wěn)健的可持續(xù)糧食系統(tǒng)至關重要，同時必須解決農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體排放的問題，并在必要時制定緩解和改良策略。二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的農(nóng)業(yè)排放在很大程度上取決于商品的生產(chǎn)和加工方式及地點，了解這些排放與碳循環(huán)和總體碳足跡的關系很重要。畜牧業(yè)尤其如此，牧場飼養(yǎng)的牲畜往往具有較小的碳足跡（一定時間內(nèi)直接或間接導致的二氧化碳排放量的指標，涵蓋了產(chǎn)品從生產(chǎn)、運輸、最終使用到廢棄處理的整個生命周期的排放而飼養(yǎng)場里谷物飼喂的牲畜具有較高的碳足跡，特別是在計算時考慮了近期土地用途變更的情況下。大幅減少動物產(chǎn)品的消費，特別是那些以高飼料轉(zhuǎn)化率集約化飼養(yǎng)的動物產(chǎn)品，可以顯著減少溫室氣體排放，并且總體上可減少人對生態(tài)系統(tǒng)的影響，尤其在土地和水的使用上。然而，除非慎重考慮好如何補充因為諸多原因可能導致的營養(yǎng)缺乏，我們不建議采納完全的不含動物產(chǎn)品的飲食。動物產(chǎn)品提供人類健康必需的營養(yǎng)物質(zhì)，其中包括植物或真菌無法提供的鈷胺素（維生素B12）。此外，動物在有效利用生態(tài)位（如牧區(qū)）方面發(fā)揮著重要作用，否則這些生態(tài)位無法用于糧食生產(chǎn)。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，牲代農(nóng)業(yè)中亦應如此。因此，圍繞畜牧業(yè)的爭議問題應是通過綜合考量生產(chǎn)量、生產(chǎn)地點、生產(chǎn)方式和消費方式等問題來合理解決，許多依賴植物衍生品的食品生產(chǎn)行業(yè)也必須解決這些問題。我們還必須解決