《Resources, Conservation and Recycling》：Global production potential and environmental benefits of alternative proteins from biowaste
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生物废弃物转化为昆虫和微生物蛋白可显著降低全球食物系统碳排放，预计到2050年减排潜力达0.9-12.2 Gt CO2e/年，但需技术创新和政策支持。
Xue Bai|Yi Gong|Wei Wei|Wen Wang|Minghao Zhuang|Yi Yang
教育部三峡库区生态环境重点实验室，重庆大学，重庆，400045，中国
摘要
将生物废弃物升级为昆虫蛋白和微生物蛋白可以提高食品系统的循环利用效率；然而，其全球生产潜力及其环境效益仍不确定。2020年，全球生物废弃物可生产58百万吨昆虫蛋白或1.46亿吨微生物蛋白——这超过了全球肉类蛋白的需求，或能满足53%至100%的大豆粕蛋白需求。通过生命周期评估结合全球情景分析，用替代蛋白替代大豆粕可减少温室气体排放（每千克蛋白减少13至25千克二氧化碳当量）。用昆虫蛋白替代肉类蛋白则能进一步减少温室气体排放（每千克蛋白减少107至1230千克二氧化碳当量），同时还能降低陆地酸化（减少0.003至1.2千克二氧化硫当量）、富营养化（减少0.2至1.2千克磷酸盐当量）和细颗粒物（减少0.03至0.24千克PM2.5）。如果首先在全球范围内替代大豆粕，然后逐步替代肉类蛋白，到2050年每年可减少0.9至12.2吉吨二氧化碳当量的排放。然而，要实现更高的减排目标，需要更多的技术创新、制度支持和文化变革。
引言
当前的全球食品系统正在将地球系统推向多个行星边界的危险区域，包括与氮和磷的生物地球化学循环、气候变化和生物多样性丧失相关的边界（Campbell等人，2017年；Richardson等人，2023年；Springmann等人，2018年）。导致这些影响的一个主要因素是动物性蛋白的消费，因为畜牧业生产带来了巨大的环境负担，例如肠道发酵和饲料生产中的化肥使用产生的温室气体排放、饲料作物和牧场扩张导致的森林砍伐，以及粪便管理造成的营养污染（Bidoglio等人，2024年；Godfray等人，2018年；Halpern等人，2022年；Yang等人，2024年）。畜牧业约占全球食品系统温室气体排放的60%至70%、氮循环的49%以及森林砍伐的65%（Gerber等人，2013年；Poore和Nemecek，2018年；Bowles等人，2019年）。由于人口增长、收入增加和饮食变化，对动物性蛋白的需求在过去几十年里稳步增长，预计从2020年到2050年将增加35%至45%（FAO，2018年；Willett等人，2019年）。这一趋势对区域和全球的农业和环境可持续性构成了严重挑战（Bouwman等人，2013年；Pelletier和Tyedmers，2010年；Tilman等人，2011年）。应对这些挑战需要紧急和创新的解决方案，以转变蛋白质供应方式并支持更可持续的饮食模式。
一种解决方案是开发更可持续的替代蛋白，特别是从生物废弃物（如农业残余物和食物废弃物）中提取的昆虫蛋白和微生物蛋白（Humpen?der等人，2022年；van Huis和Gasco，2023年）。这种循环型食品系统不仅有助于满足未来的蛋白质需求，还能减轻不可持续生物废弃物管理带来的污染。例如，有机废弃物的填埋会释放大量甲烷（CH4），这种温室气体的效力是二氧化碳的28倍（Gómez-Sanabria等人，2022年）。而作物残余物的露天焚烧会排放大量PM2.5和NH3，对空气质量及人类健康构成严重威胁（Crippa等人，2022年）。
在昆虫中，黑水虻幼虫（BSFL，Hermetia illucens）因其能够在多种有机废弃物上生长，并且高效地将生物质转化为蛋白质和脂肪而受到特别关注（Lalander等人，2019年；Surendra等人，2020年）。BSF幼虫含有高达40%的蛋白质，使其成为传统饲料蛋白（如大豆粕）的可行替代品（van Huis和Gasco，2023年）。在微生物方面，甲烷氧化细菌（MOB）通过将生物废弃物产生的沼气转化为富含蛋白质的生物质提供了另一种创新解决方案（Areniello等人，2023a；Shahzad等人，2024年）。这一过程首先将生物废弃物转化为清洁的沼气（CH4和CO2），然后再转化为蛋白质，从而降低了直接处理废弃物时积累有毒化合物的风险（Areniello等人，2023b）。总体而言，将生物废弃物转化为昆虫蛋白或微生物蛋白是一种可持续的策略，可以减轻传统蛋白质生产和有机废弃物处理带来的环境负担。
关于从生物废弃物中提取昆虫蛋白和微生物蛋白的环境可持续性，已有大量文献研究。然而，仍存在一些知识空白。首先，缺乏对不同生物废弃物来源的昆虫蛋白或微生物蛋白生产能力的全球范围评估。现有研究主要集中在国家层面的评估，例如中国从食物废弃物和牲畜粪便中提取昆虫蛋白的情况（Bai等人，2023年），因此其全球生产潜力以及它们在替代传统植物蛋白（大豆粕蛋白）或动物蛋白（鸡肉/猪肉/牛肉）方面的作用尚不清楚。其次，生命周期评估（LCA）是一种国际标准化的方法，用于编制和评估产品系统在其整个生命周期内的投入、产出和潜在环境影响（Finkbeiner等人，2006年）。之前的研究已经应用LCA来评估基于生物废弃物的蛋白质生产的环境影响（Siegrist等人，2023年）。然而，这些研究在多个环境指标上与传统蛋白质相比的表现如何仍不清楚，因为之前的研究往往只关注单一转化路径或单一环境指标（Bai等人，2023年；El Abbadi等人，2022年）。第三，如果要扩大这些替代蛋白的生产规模，尤其是其在减缓气候变化方面的潜在环境效益，仍需进行量化。本研究旨在填补这些知识空白。首先，我们量化了201个国家和地区从食物废弃物、牲畜粪便（牛、猪和鸡）以及作物残余物中生产昆虫蛋白（BSFL）和微生物蛋白（MOB）的全球潜力。接下来，我们使用LCA基于一个统一的过程模型来估算生产阶段的环境影响，该模型模拟了生物废弃物转化为微生物蛋白和昆虫蛋白的过程。我们将结果与传统蛋白质生产进行了比较，评估了四个环境指标：全球变暖、陆地酸化、富营养化和细颗粒物。然后，我们估算了用基于生物废弃物的昆虫蛋白和微生物蛋白替代传统蛋白质的净环境效益，同时考虑了生物废弃物管理和土地利用变化的潜在环境效益。最后，我们探讨了到2050年逐步扩大基于生物废弃物的蛋白质生产以替代大豆粕和肉类蛋白的全球环境减缓潜力。
部分摘录
基于生物废弃物的昆虫或微生物蛋白生产潜力
本研究考虑的生物废弃物包括在垃圾填埋场处理的食品废弃物、露天堆放的牲畜粪便（牛、猪和鸡的粪便），以及在露天田地燃烧的作物残余物，以2020年为基准年，涵盖201个国家和地区（表S1，支持数据S1）。我们关注这些生物废弃物流的生物物理潜力，但需要注意的是，它们的实际潜力受到严格的蛋白质生产法规限制，这些法规的影响可能会
基于生物废弃物的全球蛋白质生产潜力
2020年，基于生物废弃物的昆虫蛋白（IP）的全球生产潜力估计为58百万吨（图1A），而微生物蛋白（MP）的全球生产潜力估计为1.46亿吨（图1B），约为昆虫蛋白的2.6倍。这种差异由几个因素造成。首先，微生物蛋白可以从更广泛的生物废弃物流中生产，包括通过厌氧消化作物残余物产生的沼气，仅沼气就贡献了约30百万吨蛋白质。相比之下，昆虫蛋白的生产
讨论
本研究揭示了几个关键发现。基于生物废弃物的昆虫蛋白和微生物蛋白具有相当大的生产潜力，超过了当前全球肉类蛋白的需求，或能满足53%至100%的大豆粕蛋白需求。此外，不同国家之间的生产潜力和环境减缓潜力也存在差异（支持数据S1）。人口众多的国家（如中国和印度），以及畜牧业高度发达的国家（如美国），产生的生物废弃物更多
结论
本研究全面评估了从生物废弃物中生产昆虫蛋白和微生物蛋白的潜力及其环境效益。我们表明，包括食物废弃物、作物残余物和牲畜粪便在内的主要生物废弃物流可以在全球范围内支持大量的蛋白质生产。昆虫蛋白和微生物蛋白在减缓全球变暖、陆地酸化、富营养化和细颗粒物方面具有显著的环境效益
CRediT作者贡献声明
Xue Bai：撰写——初稿、可视化、数据分析、概念构思。Yi Gong：撰写——审稿与编辑、数据分析、概念构思。Wei Wei：可视化、数据分析。Wen Wang：撰写——审稿与编辑、概念构思。Minghao Zhuang：撰写——审稿与编辑、验证。Yi Yang：撰写——审稿与编辑、验证、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中央高校基本科研业务费（编号：2024IAIS-ZD010）和国家自然科学基金（编号：52370193）的资助。我们感谢Yong-Guan Zhu对我们早期手稿提出的建设性意见。
