《Algal Research》：Life cycle assessment of land-based cultivation of
Devaleraea mollis (Pacific Dulse): Environmental impact and comparison to conventional foods
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本研究针对当前寻求可持续、低环境影响蛋白质来源的迫切需求，评估了美国俄勒冈州两个陆基海带（Devaleraea mollis，太平洋掌状海带）养殖设施的环境足迹。研究人员采用摇篮到大门的生命周期评估（LCA）方法，量化了其作为蛋白质来源的环境影响，并与传统动物及植物蛋白进行了对比。结果表明，气泵能耗和HDPE/PVC等基础设施是主要环境热点，但该海带蛋白在土地使用和水资源消耗方面远低于大多数常规蛋白质来源。研究为优化陆基养殖系统设计、推动其发展为可持续的替代蛋白质提供了关键数据和科学依据。
随着全球人口增长和对可持续营养供给的迫切需求，寻找比传统来源环境影响更低的蛋白质已成为食品领域的核心议题。海带，作为一种海洋植物，因其生长过程无需耕地、淡水投入有限且具有固碳潜力而被寄予厚望。然而，大多数海带蛋白质含量偏低（干重的1%-20%），限制了其作为主要蛋白质来源的潜力。其中，太平洋掌状海带（Devaleraea mollis）是一个亮点，据报道其干重蛋白质含量可达10%-25%，堪比某些动物蛋白，且可能带来降低肥胖及相关疾病风险的健康益处。海带养殖主要分为海上养殖和陆基养殖两种模式。陆基养殖在受控环境中进行，可避免风暴、敌害生物和营养波动等外界压力，并能减少采后处理需求，但其环境影响，特别是能耗和基础设施负担，尚缺乏系统评估。为此，研究人员对俄勒冈海岸两家生产D. mollis的陆基养殖试点设施展开了深入研究，旨在评估其环境影响，识别关键改进点，并探究其作为可持续蛋白质来源的潜力。这项研究发表在《Algal Research》上。
为评估环境影响，研究人员主要采用了两种关键技术方法。首先，核心方法是遵循ISO 14040和14044标准的摇篮到大门的生命周期评估（Lradle-to-gate Life Cycle Assessment, LCA）。该研究设定了明确的系统边界，从海带养殖、收获、加工到包装出厂为止，排除了运输至消费者、消费及废弃物处理等下游阶段。研究设定了两个功能单位（Functional Unit, FU）：1公斤新鲜采收海带用于一般分析，以及1公斤可食用蛋白质含量用于与其它蛋白质来源比较。其次，在生命周期影响评估（Life Cycle Impact Assessment, LCIA） 阶段，采用了CML-IA baseline（2016版）评估11个影响类别，并辅以ReCiPe 2016方法评估土地使用和水消耗两个类别。生命周期清单（Life Cycle Inventory, LCI） 数据来源于2023-2024年与运营公司（Oregon Seaweed）的直接沟通，并结合了Ecoinvent 3.9.1数据库的背景数据。此外，研究还进行了敏感性分析和情景分析，以评估关键参数（如生产力、设备寿命、能耗、肥料吸收率）的不确定性，并比较了不同材料（如HDPE与玻璃纤维增强塑料（GFRP）储罐、PVC与聚乙烯（PE）管道）的环境表现。
研究结果部分详细展示了两个设施（Garibaldi和Bandon）的环境影响，并进行了对比分析与优化探讨。
3.1. 生命周期清单结果
清单详细列出了两个设施在养殖、加工和包装各阶段的所有物料与能源输入。主要输入包括HDPE储罐、PVC管道和各种肥料。能耗最高的环节是进水泵和气泵的电力消耗。两个设施的生产率差异显著，Garibaldi设施规模更大，年产量更高。
3.2. 生命周期影响评估结果
3.2.1. Garibaldi设施
对于Garibaldi设施，空气供应子系统（主要是气泵能耗及其物化影响）是绝大多数影响类别（如全球变暖潜能（Global Warming Potential, GWP）、光化学氧化等）的主要贡献者，贡献率在30%至85%之间。基础设施子系统（储罐、管道）是另一大贡献源，尤其在消耗非生物资源（化石燃料）、GWP、臭氧层消耗和土地使用等类别中贡献显著。其中，PVC水管是多个类别的主要贡献者，HDPE储罐次之。加工阶段的运输（从Bandon向Garibaldi运输新鲜海带）对GWP和臭氧层消耗有显著贡献。施肥过程是富营养化（Eutrophication）的第二大贡献源，其中未被海带吸收的氮、磷营养盐排放占了该过程80%以上的影响。
3.2.2. Bandon设施
Bandon设施的影响贡献模式与Garibaldi相似，空气供应子系统仍是主导。不过，在Bandon，HDPE储罐（而非PVC管道）是更多影响类别的主要贡献者。加工运输（运输干海带）的贡献比例也与Garibaldi有所不同。
3.2.3. 两个设施的比较
Bandon设施每公斤新鲜采收海带的环境影响是Garibaldi的3到5倍。这主要与Garibaldi更高的生产率（单位产量分摊的固定投入和能耗更低）以及Bandon设施特定的更高能耗操作选择有关。研究指出，这种差异反映了两个试点配置的比较，而非普遍的规模经济结论。
3.2.4. 基于蛋白质功能单位的比较
以1公斤蛋白质为功能单位进行比较时，Garibaldi设施的全球变暖潜能（34.5–86.4 kg CO2e/kg蛋白）与猪肉、养殖鱼类、禽肉和鸡蛋相当，而Bandon设施（111.1–277.7 kg CO2e/kg蛋白）则与奶牛肉、养殖甲壳类和奶酪相近。然而，两个设施在土地使用和水消耗方面的影响，均显著低于大多数动物蛋白来源，甚至优于部分植物蛋白（如分离大豆蛋白、燕麦蛋白在土地使用上略优）。
3.3. 敏感性分析
分析显示，生产力是影响系统总体气候影响的最敏感参数，变化±50%可导致影响减半或翻倍。设备寿命延长可显著降低影响。气泵能耗和运输距离也是重要敏感参数。此外，电力来源对气候影响巨大，使用光伏（PV）等低碳电力可大幅降低影响。肥料营养盐吸收率的变化对富营养化潜力有显著影响，吸收率降低会加剧影响。
3.4. 情景分析
在材料选择方面，分析表明，用玻璃纤维增强塑料（GFRP） 替代HDPE制造储罐在多数环境影响类别中表现更差。而将管道材料从聚氯乙烯（PVC） 替换为聚乙烯（PE） 则能在多个类别（尤其是臭氧层消耗）中带来显著环境效益，但在消耗非生物资源（化石燃料）和陆地生态毒性等类别中改善有限或更差。
结论与讨论部分对研究发现进行了总结，并展望了未来优化方向。本研究通过LCA系统评估，明确指出气泵能耗和基础设施材料（HDPE储罐、PVC管道）是当前陆基D. mollis养殖系统的关键环境热点。尽管陆基系统因能耗和基础设施需求，其环境影响普遍高于海上养殖系统，但它能提供更可控的生长环境，减少外界压力，在特定情境下可能是更可靠的系统。
研究提出了多项改进策略：优化系统生产力是降低单位影响最有效的杠杆；减少曝气能耗，例如在夜间暂停气泵或采用重力盘式曝气器等低能耗替代方案；改进施肥实践，探索利用水产养殖、畜牧业或市政废水等富营养废水流作为肥料来源，发展综合多营养层养殖（IMTA），以减少对人工肥料的依赖并实现养分循环；在材料选择上，HDPE储罐优于GFRP，用PE管道替代PVC管道有望降低多项环境影响。
与常规蛋白质来源相比，海带养殖几乎不使用农药和抗生素，在富营养化和酸化潜力方面具有优势。本研究发现，陆基养殖的太平洋掌状海带蛋白质，在土地使用和水资源消耗方面表现尤为出色，远低于大多数动物蛋白，展现了其作为可持续蛋白质替代品的巨大潜力。不过，研究也存在一些局限性，如未评估蛋白质消化率、未包含下游零售和消费阶段的影响、肥料吸收率基于假设等。陆基海带养殖仍处于发展早期，相比成熟的蛋白质生产系统有巨大的优化空间。未来的研究应聚焦于系统优化，提高生产效率，并评估在不同分销模式和损耗率下，其环境效益的稳健性，以推动陆基海带养殖迈向更可持续的未来。
