“电农业”或可帮助植物在黑暗中生长

植物利用光合作用将二氧化碳 (CO ₂ ) 转化为它们可以代谢的分子。然而，这并不是唯一能够产生这些分子的过程——10 月 23 日发表在《焦耳》杂志上的一篇新论文探讨了通过一种让植物在完全不进行光合作用的情况下生长的过程为植物提供营养的可能性。

如果能够实现，植物无需阳光就能生长，为论文中所谓的“电农业”打开大门。论文预见了一个乌托邦式的未来，农作物可以在目前无法进行农业生产的各种地方种植——论文中提到“城市中心、干旱沙漠，甚至外太空环境”都是可能的地方——而目前用于农业的大片土地可以重新种上树。论文还推测了在太空和/或火星上使用这项技术的可能性。

这些崇高目标背后的技术相对平凡：电解，即利用电流来驱动化学反应。该工艺已有数百年历史——它于 18 世纪末首创，英国化学家汉弗莱·戴维爵士在 19 世纪初利用该工艺分离出多种新元素。如今，它被用于各种领域，从提炼金属到脱毛。

_电解二氧化碳会产生各种基本碳氢化合物和相关简单分子，例如甲醇、乙醇、乙烯、甲酸盐和醋酸盐。然而，并非所有这些物质都能被植物代谢，而能被植物代谢的物质——乙醇和醋酸盐——相对难以生产。

正如论文合著者之一 Feng Jiao 向​​《大众科学》解释的那样，“在基本的_二氧化碳电解中，乙酸盐是一种次要产物，选择性不到 10%。”要使电解成为可行的植物营养来源，这一数字需要大幅提高。该论文描述了该领域的一项重要进展：使用两步法，研究人员称之为“串联电解工艺”。在此过程中，_二氧化碳首先被还原为一氧化碳 (CO)。第二步是将 CO 转化为乙酸盐。

这避免了将 CO ₂直接转化为醋酸盐的问题：CO ₂是酸性气体，而醋酸盐（作为阴离子）是碱性的。相比之下，CO 不是酸性的，正如 Jiao 所解释的那样，“由此产生的高 pH 值……促进了电催化 CO 还原反应过程中醋酸盐的形成。这就是为什么串联工艺在醋酸盐生产中显示出更高的效率。”高多少？Jiao 说，“该工艺可以实现近 90% 的醋酸盐选择性。”

剩下的 10% 是副产品，主要是乙烯和氢气。焦先生指出，这两种产品都可以得到很好的利用：“[乙烯和氢气] 是工业中广泛使用的日用化学品，可以重新用于其他用途，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。从这一点来看，电农业与传统农业有着根本的不同：​​虽然农场显然需要消耗电力，但从最基本的层面上讲，光合作用不需要电力。

焦先生说，在理想情况下，电力农业所需的电力将来自可再生能源，尽管他承认不一定非要这样：“电力可以从现有电网获得，不一定非要可再生能源。”该论文设想在屋顶上安装太阳能电池板的分层结构中种植植物。（焦先生说，使用太阳能也有好处，因为“与完全黑暗的环境相比，有些植物在弱光条件下可能生长得更好。”）

然而，大规模部署电力农业需要大量太阳能电池板。该论文估计，要使用串联工艺为整个美国提供电力，电力农业每年将需要 19,600 TWh 的电力——几乎是美国 2023 年全部电力需求的五倍。

当然，没有人提倡大规模采用电解技术重组美国食品链，而电农业可以以小得多的规模部署，以便在城市食品荒漠中种植粮食。然而，除了这些应用之外，一个显而易见的问题是，利用太阳能进行电解，而不是仅仅让植物利用太阳能进行光合作用，是否有什么优势。

论文指出，电解本身就是一种比光合作用效率更高的过程：“使用与光合作用相同的主要投入（_二氧化碳、阳光和水），与传统农业相比，电解农业的太阳能转化为食物的效率至少提高了四倍。”它还可以提供其他好处，例如减少肥料流失：焦先生说：“当植物在受控环境中生长时，通过防止流失可以显著提高肥料利用率。再加上太阳能转化为生物质的高效率，[电解农业]可以减少高达 90% 的肥料浪费。”

除了电力问题之外，关于电力农业可行性的另一个紧迫问题是_二氧化碳从何而来。露天生长的植物通过光合作用产生大气中的_二氧化碳，但电力农业需要专门的气体来源。本文研究了通过捕获目前为美国工业部门供电产生的 9.63 亿吨_二氧化碳可以养活多少美国人口，得出的数字是 56% 的人口。将此推算为养活整个美国人口所需的_二氧化碳量，得出的数字是 17.19 亿吨。

同样，这是一个很大的数字：相比之下，2024 年整个美国的净排放量为 5,489 公吨_二氧化碳当量。从理论上讲，这似乎是这些排放的完美用途，但尽管碳捕获和储存长期以来一直被认为是应对气候变化的灵丹妙药，但在 2024 年，它仍然只是一个假设的解决方案：全世界只有 50 个正在运营的 CCS 项目，它们每年总共可以捕获 51 公吨_二氧化碳。

尽管该论文设想未来“一半的美国土地可以解放出来用于生态系统恢复和自然碳封存”，但使用电解法全面替代传统农业的想法似乎还很遥远——至少在地球上是这样。正如论文所指出的，火星大气中 95% 的_二氧化碳含量很高，这或许暗示了“最近许多研究都试图推动电解农业技术走向商业化”的另一个原因。

回到地球上，虽然醋酸盐生产效率的大幅提高使_二氧化碳电解成为一种有希望的前景，但公平地说，其实施仍面临重大挑战。焦预测，这项新技术将在十年内找到一些利基用途，但最终，“无光植物栽培仍处于早期阶段。需要进一步研究和开发才能完全商业化这项技术并充分发挥其潜力。”