極端氣候與生態區域的移動等氣候變化，預計將會對環境產生根本性變化，因此需要採取緊急行動，來開發和實施碳密集程度較低的方式，來生產支持社會的燃料、化學品和材料，並實施從大氣中去除二氧化碳 (CO2)的做法，以改善氣候變化長期的影響。此外，用於減少溫室氣體 (Green House Gas, GHG) 排放和清除 CO2 的方法，還應同時盡量減少其他有害排放、用水、棲息地改變和其他永續性方面的挑戰。為此，這些做法將需要一種整合性的方法，方能有效地將研究發現、基礎研究，以及應用研究、開發、示範和部署結合起來。

第一項主題為運輸和固定燃料。交通運輸目前占美國總排放量的 29%，其中航空、海運、鐵路和越野車運輸占 26%。雖然隨著電池電動汽車和清潔氫氣的發展，開始減少輕型、中型和重型道路車輛的排放，航空、海運、鐵路和越野車運輸的排放量仍預計將上漲。因此仍需要永續性的液體燃料生產作為解決方案，其中大部分依賴生物質和其廢棄物作為原料。此外，航空運輸要求到 2030 年需生產超過 30 億加侖的永續性航空燃料 (Sustainable Aviation Fuels, SAF)，並到 2050 年需增加到 350 億加侖。為此，將需要在三個領域持續進行和擴大研發投資，包括擴大原物料供應、生產永續性燃料和開發其他策略性燃料。研發需求如下：

1. 開展研究、開發和示範項目，以減少原料生產、收集、運輸和預先處理的碳足跡。
2. 開發能夠以具有成本效益和永續性的方式，預先處理異質廢棄物流和分離污染物的技術，以提高可用廢棄物原料的數量和品質。
3. 繼續解決美國能源部 (Department of Energy, DOE)、美國農業部 (United States Department of Agriculture, USDA) 和交通部聯合製定的路線圖中，所敘述的 SAF 生產研發障礙，其方法包括進行比較與自洽分析，以了解正在開發的各種技術，如何協同工作以取代石油燃料，以及實現從研究和創新，到擴大規模和商業部署的快速發展。
4. 探索SAF 生產中的新途徑，並生產可用於 SAF 的新型生物基化合物，同時減少 GHG 排放。
5. 透過開發能夠使用多種原料的生產途徑，同時建立燃料品質標準和測試方法，改善纖維素原料的生物轉化和加工。此外，應考慮原物料的本地採購和較小規模的加工，以使分佈式生產系統更接近使用地點。

第二項主題為化學品和材料。目前從塑膠到口紅等許多日常用品，都是使用石油和天然氣製造，且生產方法也是 GHG 排放密集型，占美國 GHG 排放總量的 30%。化學品是最大的工業 GHG 排放產業，占工業排放量的 20% 以上。化學品、材料和其產品可利用更具永續性的生物基資源，並以碳密集程度較低的方式生產，進而促進循環生物經濟中的再利用。為了減少化學品和材料生產中的 GHG 排放，需要在兩個領域對利用生物技術和生物製造持續進行和擴大研發投資，包括開發低碳強度的化學品和材料，以及促進材料的循環經濟。為此，相關的研發需求如下：

1. 利用生物技術確定分子生產中涉及的關鍵生物途徑和生化過程，並提高從一系列碳源生產的化學品的產量和工藝效率。
2. 在生物學和化學的重疊領域進行創新，以生產具有最大潛力減少 GHG 排放的平台化學品和最終產品。
3. 展開研究以支持監管工作和新產品的商業化。
4. 擴大開發和規模，以增加回收塑膠廢棄物等資源，包括透過選擇性化學和生物方法，重點是目前尚未被回收的混合廢棄物。
5. 改善或重新設計塑膠等材料，以改善其報廢的特性，包括提高可回收性或可堆肥性。
6. 建立試點放大設施，以測試從合成、製造和聚合物加工，到材料和化學合成與回收應用測試的新技術。

第三項主題為以氣候為中心的農業系統與植物。農業的 GHG 排放量占美國總排放量的 9%，其中大部分是非 CO2 排放，例如土壤中的一氧化二氮和腸道發酵與糞便管理中的甲烷。制定將碳保留在土壤中，或將其引導至植物的做法，對於將農業從 GHG 淨來源轉變為淨匯相當重要。這些以氣候為中心的目標，與 USDA 和 DOE 的目標相關，且需要政府在三個領域進行研發投資，包括為強大的原料生產系統開發測量工具、設計更好的原物料工廠，以及設計食品蛋白質循環生產系統。為此，相關的研發需求如下：

1. 改進計算、測量和監測 GHG 來源和儲存庫，以及生物量和土壤中的碳循環與封存的模型和方法。
2. 開發一個全國適用的架構和相關工具，用於測量和驗證生物經濟原料在農業系統中的碳和養分通量。
3. 對植物和土壤微生物群落進行研發，以使用碳排放較低的做法生產新的專用原料。
4. 制定方法，根據基於目前生產作物和品種的基準，來衡量工程植物的改進。
5. 開發生物加工方法，以擴大基於生物技術的蛋白質生產規模，同時維持或提高品質。
6. 開發與現有食品蛋白質生產途徑相關，嚴格且透明的分析過程，以為永續性生物過程的開發提供有用的資訊。
7. 展開研究，為監管工作和新產品的安全商業化提供資訊。

第四項主題為 CO2 的移除。僅靠減少 GHG 的排放，無法使美國到 2050 年實現淨零排放，並將全球溫度上升 1.5°C 的限制維持在可及範圍內，還需要其他有效的方法，從大氣中去除 CO2 和永久封存，以實現負排放。政府間氣候變化專門委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 估計，到 2100 年時，每年全球淨負排放量將超過 100 億噸的 CO2。若要利用生物技術和生物製造來去除 CO2，將需要在兩個領域持續進行和擴大研發投資，包括開發景觀管理的生物技術解決方案，和使生物質具有碳去除和儲存的能力。為此，相關的研發需求如下：

1. 為高產作物和林木開發基因工程和技術工具，以增加土壤有機碳 (Soil Organic Carbon, SOC)。
2. 解決與促進 SOC 的累積，而不減少養分礦化的植物，並開發預測性生態景觀概念架構，以了解土壤有機質的動態。
3. 確定最具成本效益的生物質碳去除和儲存 (Biomass with Carbon Removal and Storage, BiCRS) 途徑，以及作為完整碳管理樂略的一部分，補充其他生物質的用途。
4. 確定透過生物系統生產的最佳壽命的固體碳材料，並探索使用仿生或無細胞系統、生物電方法和生物無機材料，將大氣中更多的 CO2 捕獲到材料中。



生物技術和製造正在為美國農業和糧食生產方面，所面臨的許多挑戰提供改革性解決方案，包括氣候變化、糧食和營養不安全，以及農業動植物的病蟲害等。此外，生物技術和製造還可以為生物經濟中的美國農民、牧場主、生產者和林地所有者，提供額外的附加價值收入。若要將生物技術和製造應用於食品和農業中，需要對技術平台進行策略性和持續性的投資，以縮短商業化時間並降低新產品開發的風險。其他需求還包括研究的支持和市場的建立、擴大勞動力、確保充足的原料供應、建設或重新利用基礎設施，以及發展生物經濟所需的夥伴關係和流程。USDA 透過領導力和科學研究，使美國農民得以維持全球競爭力，並使美國企業能夠生產創新產品，在推動生物經濟方面發揮著關鍵作用。

第一項主題為在提高農業生產力的同時，提高永續性和保護資源。動植物育種、農業投入和設備農業等創新，使農業的產出得以持續成長。這些創新還有助於同時因應許多挑戰，使生產商能夠節約資源並改善環境成果，同時滿足世界對糧食、纖維與可再生能源的需求。在美國，預計有 30% 至 40% 的食物被浪費，若減少食物損失和浪費可以改善糧食安全、減少農業投入並減少 GHG 排放。此外，擴大生物能源和生物基產品市場，有助於實現 GHG 減排目標；支持生物經濟並降低成本與進入壁壘，可為美國帶來新的經濟增長機會；在家庭和森林之間的地區減薄，可以提供額外的原物料，同時有助於降低野火風險並保護脆弱的棲息地和社區。為此，相關的研發需求如下：

1. 為支持提高農業生產力，應更好地理解遺傳與生理等方面對產量的限制，以開發具有更高生產潛力的植物和動物、加速育種策略和生物技術來改良動植物，以提高生產力並減少農業對環境的影響、加強對提高永續性的創新方法和技術的研究，包括精準農業以及循環和基於自然的解決方案。
2. 為支持氣候智慧型原料生產和生物燃料使用，應加速對降低碳排放強度的原物料之研究、開發可快速評估和追踪原物料品質的工具，以推動市場發展、開發生物化學和生物製造工藝，以將原物料有效地大規模，轉化為中間產物和產品、開發相關技術，以使移動、儲存和處理生物質更具經濟性、拓展生物精煉技術，有效地將生物質分解成如木質素、半纖維素和纖維素等成分。
3. 為支持減少氮排放，應持續研究有效的養分管理實踐，以實現更有效的養分循環並減少對環境的影響、透過種植藻類和浮萍等作物，作為生物經濟的肥料和原料，改善回收廢水中氮的方法、加強對提高氮利用效率和補充土壤中氮儲存生物刺激劑的研究，例如基因組編輯的土壤微生物，以增強生物固氮、使用加速育種策略和生物技術，來開發對投入依賴性降低，並增加土壤氮和磷的吸收與循環的植物、改善土壤氮平衡和土壤健康的材料，例如生物碳。
4. 為支持減少甲烷排放，應開發新的工具和模型，並改進現有工具和模型，以準確評估農業系統的甲烷通量、開發可負擔的高效工具，以從糞便管理系統中捕獲沼氣，將甲烷用於發電和其他用途、加強對飼料來源、添加劑與成分的研究，以減少反芻動物和水產養殖生物腸道的甲烷排放、開發新技術和創新生產系統，在不會產生甲烷厭氧菌的稻田中生產水稻。
5. 為支持減少糧食損失和浪費，應使用育種策略和生物技術，開發具有延長保質期特性的植物、改善或製定衡量食物浪費的策略，包括食物鏈中任何地方的可食用食物，與如香蕉皮、骨頭和蛋殼等不可食用的廢棄物、防止或減少因腐敗、害蟲、黴菌和氣候控制不當，所造成食物損失的方法、制定和擴大策略，以增加大規模的食品回收或再循環計劃。

第二項主題為改善食品營養、品質和消費者選擇。在美國，營養不良是導致疾病的主要原因，每年導致 60 萬人死亡，並使肥胖、糖尿病和心臟病的風險增加，以及進而產生更高的醫療成本與生產力下降。此外，食源性疾病每年導致美國大約 4,800 萬人患病和 3,000 人死亡。除了提高糧食生產力之外，生物技術和生物製造可以刺激開發具有更高永續性的食物來源，包括新作物和蛋白質來源，進而加強目前的糧食系統，並有助於提供公平獲取營養食物的機會。為此，相關的研發需求如下：

1. 為支持開發新的食物和飼料來源，應擴大對食品成分的研究，使新食品更美味與容易準備，並且更易融入加工食品、研究替代蛋白質產品的結構設計和食物架構，包括植物和微生物材料與動物性產品的比較、確定可用於食品或飼料的高產量、低成本蛋白質和脂肪來源，並進行可行性研究、開發和驗證基於科學和風險的作物分離、穀物管理和加工流程等控制措施，以安全地在作物中生產動物蛋白，同時減少食品供應鏈中潛在的過敏原、加強對提高消化率和加強由氨基酸所組成動物飲食的研究、加強對牲畜和水產養殖替代飼料成分的研究，包括植物或海藻。
2. 為支持提高食物中的營養密度，應使用加速育種策略和生物技術來培育營養密度更高的植物和動物、擴大可用於營養目的的生物範圍，提高目前用於農業的動植物營養密度、擴大與部落的聯合研究，以種植具有重要文化意義的食物、確定有利的市場和機會，以擴大具有重要文化意義的非木材森林產品，以及濕地和草地糧食的生產。
3. 為支持減少食源性疾病，應使用加速育種策略和生物技術，來培育較不會引起食物感染的病原體之動植物、開發基於風險的工具，識別病原體的毒性和耐藥性、透過研究方法，減少與減輕在食品系統中，導致食源性疾病的發生、開發快篩、檢測和量化技術，以及針對病原體、化學污染物和物理危害的國家網路。

第三項主題為保護動植物免受環境壓力。美國農業的生產正面臨越來越大的來自生物和非生物的壓力。包括氣候變化正導致更頻繁和更嚴重的天氣事件、不斷變化的氣候增加了病蟲害的爆發，以及因旅行和貿易的增加，導致更多的病蟲害和病原體入侵。根據估計，全球經濟每年因病蟲害所造成的損失超過 700 億美元，因植物疾病造成的損失超過 2,200 億美元。在美國，從 2022 年 12 月到 2023 年 3 月，超過 5,800 萬隻雞、火雞、鴨和其他家禽受到禽流感的影響。透過生物技術和生物製造方面的創新，可以提高作物和牲畜的適應能力、保護產量、改善動物健康並減少人畜共患疾病的出現。為此，相關的研發需求如下：

1. 為支持檢測和減輕害蟲與病原體的能力，應開發和驗證病原體的快篩、檢測和量化方法，在全國範圍內提供方便、即時與準確的實驗室服務、為動植物疾病制定商業上可行的對策，包括動物疫苗和抗病毒藥物、開始研究誘發動植物防禦反應的分子技術，包括可以檢測、報告、發出訊號和自我治療感染的植物、擴大對攜帶病原體的綜合害蟲管理研究，例如生物防治劑與保護劑等、透過使用基因組測序，來找出新的動植物病原體分離物，並確定其成為人畜共患病的可能性、擴大對抗病蟲害的農業動植物，及其野生近親種的基因組篩選和測序。
2. 為支持對生物和非生物危害的恢復力，應使用加速育種策略和生物技術，來培育如有益昆蟲等動植物，以適應目前和未來預測的氣候，在非生物危害情況下仍然能增加產量、在本地樹種中使用加速育種策略和生物技術，來提高對害蟲和病原體的抗性、在面對各種規模的壓力因素時，加強理解農業和森林生態系統的動態，以加強彈性並改善景觀的健康。