光合作用是维持我们星球上几乎所有生命的过程，它并不能高效地利用能量；事实上，植物吸收的光能中只有大约1%转化为植物内的化学能。10月23日发表在Cell Press期刊《Joule》上的一篇观点论文讨论了一种大胆的新食品生产方法，称为“电农业”。这种方法旨在用太阳驱动的化学反应替代光合作用，将CO2转化为特殊工程植物能够“消费”的有机化合物。研究人员估计，如果美国的所有食品都采用电农业种植，所需的耕地面积将减少令人震惊的94%。此外，这项技术还可以促进在外太空的食品生长。
“如果阳光不再是植物生长的必要条件，我们可以将农业与自然环境分开，在室内受控环境中种植食品，”加州大学河滨分校的生物工程师、通讯作者罗伯特·金克森表示。“是时候让农业在技术上进步，以不依赖自然的受控方式进行农业生产，这对未来至关重要。”
电农业设想将农业用地转变为多层建筑。这些建筑上设有太阳能电池板，捕获太阳能，驱动一场涉及CO2和水的化学反应，生成乙酸盐——一种类似于醋酸的分子，是醋的关键成分。这个乙酸盐随后将作为水培植物的养分。该方法还可以应用于培养其他食品生产生物，如蘑菇、酵母和藻类，这些生物自然会利用乙酸盐。
“这个创新过程的主要目标是提高光合作用的效率，”圣路易斯华盛顿大学的高级作者、电化学家饶峰解释道。“目前，我们的效率大约为4%，这已经是光合作用的四倍了。采用这种方法后，整体效率提高，从而在食品生产中减少CO2足迹。”
研究人员正在利用种子中存储的养分消化过程，创建能够代谢乙酸盐的植物。这个代谢途径通常在植物能够进行光合作用后关闭，但重新激活它可以让植物利用乙酸盐作为能量和碳源。
“我们旨在重新激活成熟植物中的这一途径，以唤醒它们利用乙酸盐的原始能力，”金克森说。“这有点像人类的乳糖不耐受——婴儿能够消化牛奶中的乳糖，但有些人随着年龄增长失去这种能力。这个概念非常相似，只是它适用于植物。”
研究团队最初集中研究西红柿和生菜，但计划未来向富含能量的主食作物进军，比如木薯、红薯和各种谷物。到目前为止，他们已经成功地修改植物，使其能够在光合作用的同时利用乙酸盐，但他们的最终目标是工程化植物，使其仅依靠乙酸盐获得能量，从而不再依赖光照。
“对于植物而言，我们仍在开发阶段，使它们能够利用乙酸盐作为碳源，因为它们尚未以这种方式进化，但我们正在取得进展，”金克森指出。“相反，蘑菇、酵母和藻类现在可以采用这种方法进行培养，因此这些应用可能会首先实现商业化，而植物应用则稍后跟进。”
研究团队还计划改进他们的乙酸盐生产技术，力求实现更高效的碳固定过程。
“这仅仅代表我们研究的第一阶段，我们希望在不久的将来，其效率和成本效益会显著提高，”饶峰补充道。
