植物利用光合作用将二氧化碳（CO2）转化为它们可以代谢的分子。然而，这并非唯一能够产生这些分子的过程——一篇于10月23日发表在《Joule》上的新论文，探讨了一种通过一种无需光合作用就能让植物生长的过程来为植物提供营养的可能性。
如果能够实现这一点，植物将可以在没有阳光的情况下生长，从而为论文中所称的“电农业”打开大门。该论文设想了一个乌托邦式的未来，作物可以在目前农业不可能的各种地方生长——论文引用了“城市中心、干旱沙漠，甚至外太空环境”作为可能性——而目前用于农业的大片土地可以重新种植树木。它还推测了在太空和/或火星上使用该技术的可能性。
实现这些宏伟目标背后的技术相对来说比较普通：电解，即利用电流驱动化学反应。这个过程已有数百年历史——早在18世纪后期就已问世，并且英国化学家亨弗里·戴维爵士在19世纪初就以其分离出多种新元素而闻名。如今，它被用于各种用途，从提炼金属到脱毛。
电解CO2会产生各种基础碳氢化合物和相关的简单分子；例如甲醇、乙醇、乙烯、甲酸盐和乙酸盐。然而，并非所有这些都能被植物代谢，而那些可以被代谢的——乙醇和乙酸盐——生产起来相对困难。
正如论文的合著者之一Feng Jiao向《科学美国人》解释的那样，“在基础CO2电解中，乙酸盐是次要产物，选择性不到10%。”为了使电解成为植物营养的可行来源，这一数字需要显著提高。该论文描述了该领域的一个关键进展：采用一种称为“串联电解工艺”的两步法。在这个过程中，CO2首先被还原为一氧化碳（CO）。第二步是将CO转化为乙酸盐。
这避免了CO2直接转化为乙酸盐的问题：CO2是酸性气体，而乙酸盐——作为阴离子——是碱性的。相比之下，CO不呈酸性，正如Jiao解释的那样，“产生的高pH……促进了电催化CO还原反应过程中乙酸盐的形成。这就是为什么串联工艺在乙酸盐生产方面表现出更高的效率。”高多少？Jiao说，“该……工艺可以实现近90%的乙酸盐选择性。”
剩余的10%是副产品，主要是乙烯和氢气。正如Jiao所指出的，两者都可以得到很好的利用：“[乙烯和氢气]是工业上广泛使用的商品化学品，可以用于其他应用，例如将乙烯转化为塑料和聚合物。”
当然，顾名思义，电解需要电力。在这方面，电农业将与传统农业根本不同：尽管农场显然消耗电力，但在最基本层面上，光合作用不需要任何动力。
Jiao说，在理想情况下，电农业的电力将来自可再生能源，尽管他也承认“电力可以来自现有电网，不一定需要是可再生的。”论文设想植物生长在分层结构中，顶部覆盖着屋顶太阳能电池板。（Jiao说，使用太阳能也有好处，因为“一些植物在低光照条件下可能比完全黑暗下长得更好。”）
然而，大规模部署电农业将需要大量的太阳能电池板。该论文估计，要用串联工艺养活整个美国，电农业每年需要19,600 TWh——这几乎是美国2023年全部电力需求的五倍。 2023年。
当然，没有人主张对美国食品链进行基于电解的全面重组，而且电农业可以在小得多的规模上应用，以便在例如城市食物荒漠中种植食物。然而，除了这些应用之外，显而易见的问题是，使用太阳能进行电解是否比让植物利用太阳能进行光合作用更有优势。
该论文指出，就其本身而言，电解比光合作用的效率高得多：“使用与光合作用相同的输入（CO2、阳光和水），电农业在太阳能转化为食物的效率上比传统农业至少提高了四倍。”它还可以提供其他好处，例如减少肥料径流：Jiao说，“当植物在受控环境中生长时，可以通过防止径流来显著提高肥料的利用率。结合高太阳能转化为生物质的效率，[电农业]可以将肥料浪费减少高达90%。”
除了电力问题，关于电农业可行性的另一个紧迫问题是CO2的来源。露天种植的植物会光合作用大气中的CO2，但电农业需要专门的气体来源。该论文研究了通过捕获美国工业部门发电产生的9.63亿吨CO2可以养活多少美国人口，结果是56%的人口。将此推断到养活整个美国人口所需的CO2量，得出的数字是17.19亿吨。
同样，这是一个巨大的数字：相比之下，美国2024年净排放量为54.89亿吨CO2当量。理论上，这似乎是利用这些排放的完美方式，但虽然碳捕获和储存长期以来被认为是应对气候变化的灵丹妙药，但在2024年，它仍然是一个高度假设性的解决方案：全球只有50个运行中的CCS项目，每年总共可以捕获5100万吨CO2。每年。
尽管该论文描绘了“美国一半的土地可以解放出来用于生态系统恢复和自然碳封存”的未来愿景，但使用电解作为传统农业的全面替代似乎离我们还很远——至少在地球上是这样。正如论文所指出的，火星大气层95%是CO2，这或许也暗示了“近期大量研究试图推动电农业技术商业化的另一个原因。”
回到地球，可以说，尽管乙酸盐生产效率的显著提高使CO2电解成为一个有希望的前景，但其实施仍面临重大挑战。Jiao预测，新技术可能在十年内找到一些利基用途，但最终，“在没有光的情况下种植植物仍处于早期阶段。需要进一步的研究和开发才能完全实现这项技术的商业化并发挥其全部潜力。”
