物质科学
Physical science
光合作用是地球上几乎所有生命赖以生存的根本，但它捕获能量的效率极低——植物吸收的光能中只有约1%在植物内部转化为化学能。10月23日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表的一篇题为“Electro-Agriculture: Revolutionizing Farming for a Sustainable Future”前瞻性论文显示，生物工程师提出了一种全新的农业方法，他们称之为“电农业”。
这种方法本质上是用太阳能化学反应取代光合作用，从而更有效地将二氧化碳转化为植物可以“吃”的有机分子。研究人员估计，如果美国所有的食物都使用这种方式生产，那么农业所需的土地数量将减少94%。这种方法也可以用于在太空中种植食物。
“如果不再需要在阳光下种植植物，那么我们就可以让农业与环境脱钩，在室内、受控的环境中种植粮食。”论文通讯作者、美国加州大学河滨分校生物工程师Robert Jinkerson说，“我认为我们需要将农业推进到技术的下一个阶段，以一种与自然分离的可控方式进行生产。”
“电农业”将意味着用建筑取代农田。太阳能电池板吸收太阳辐射，从而为二氧化碳和水之间的化学反应提供动力，产生醋酸盐。然后，醋酸盐被用来“喂养”水耕作物。这种方法也可以用于培养其他粮食作物。
“这个新过程的全部意义在于提高光合作用的效率。”论文通讯作者、华盛顿大学电化学家冯娇（音译）说，“目前，我们的效率约为4%，这已经是光合作用的4倍，而且由于这种方法的效率更高，与食物生产相关的二氧化碳足迹会变得更小。”
为了对食用醋酸盐的植物进行基因工程改造，研究人员利用了与发芽植物用来分解储存在种子中养分相同的途径。通常，一旦植物具备光合作用的能力，这一途径就会被关闭，但重新开启这一途径将使它们能够利用醋酸盐作为能量和碳的来源。
“我们正试图在成年植物中重新开启这一途径，重新唤醒它们利用醋酸盐的天然能力。”Jinkerson说，“这类似于人类的乳糖不耐受——在婴儿时期，我们可以消化牛奶中的乳糖，但对许多人来说，当他们长大后，这一途径就被关闭了。”
该团队最初的研究重点是西红柿和生菜，但计划在未来转向主食作物，如木薯、红薯和粮食作物。目前，他们已经成功地设计出除了光合作用外还能“吃”醋酸盐的植物，但最终目标是设计出能够从醋酸盐中获得所有必要能量的植物，这意味着它们将不需要任何光。
“对于植物来说，我们仍处于研发阶段，植物还没有进化能到利用醋酸盐作为碳源生长，但我们正在取得进展。”Jinkerson说，“然而，蘑菇、酵母和藻类现在都可以这样种植，所以我认为这些应用可以首先商业化，然后在生产线上进行种植。”
研究人员还计划继续改进他们的醋酸盐生产方法，使固碳系统更加高效。“这只是该研究的第一步，我认为在不久的将来，它的效率和效益将有很大的提高。”冯娇说。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Joule，