科技日報記者 張夢然
在發(fā)表于最新一期《焦耳》雜志的一篇前瞻性研究論文上，美國生物工程師介紹了一種創(chuàng)新的食品生產(chǎn)方式，稱為“電農(nóng)業(yè)”（Electro-Agriculture）。這項技術(shù)的核心是利用太陽能驅(qū)動的化學反應來替代自然界的光合作用，從而更高效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化成植物可以利用的有機分子。通過基因工程手段，讓植物改造后能夠吸收這些有機分子。
據(jù)研究團隊估計，如果全美的糧食作物均采用“電農(nóng)業(yè)”的方式生產(chǎn)，所需耕地面積將大幅縮減達94%。此外，這項技術(shù)同樣適用于在太空中生產(chǎn)糧食。
光合作用雖然支持著地球上的大多數(shù)生命形式，但其能量轉(zhuǎn)換效率卻相對較低，通常植物只能將所吸收光能中的大約1%轉(zhuǎn)化為可用的化學能。來自華盛頓大學圣路易斯分校的研究團隊認為，如果植物無需依賴陽光就能生長，則農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以與自然環(huán)境分離，在受控的室內(nèi)條件下進行。
“電農(nóng)業(yè)”的概念包括了使用多層建筑來代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)田。這些建筑物的表面或周圍將安裝太陽能電池板，用以捕捉太陽的能量，并驅(qū)動二氧化碳和水之間發(fā)生的化學反應，生成醋酸鹽。隨后，醋酸鹽會被用作水培植物的養(yǎng)料。這一過程同樣適用于培育蘑菇、酵母和藻類等其他植物，因為它們天然就能夠利用醋酸鹽。
通過這種方式，研究團隊已經(jīng)將轉(zhuǎn)化效率提升至約4%，這比傳統(tǒng)光合作用的效率高出4倍。由于整個過程更為高效，因此與食品生產(chǎn)相關(guān)的二氧化碳排放也相應減少。
為了實現(xiàn)讓植物能夠利用醋酸鹽的目標，研究團隊借鑒了植物萌發(fā)期間分解儲存在種子內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)的代謝路徑。當植物開始進行光合作用時，這條代謝路徑通常會被關(guān)閉。然而，通過重新激活這條路徑，植物便能夠利用醋酸鹽作為其能量和碳源。
目前的研究已經(jīng)使一些植物能夠在不依賴光合作用的情況下利用醋酸鹽生長，但最終的研究目標是培育出完全依賴醋酸鹽獲取所有必需能量的植物，即這些植物將不再需要任何形式的光照。
總編輯圈點：
農(nóng)業(yè)技術(shù)的下一個階段，可能是與自然環(huán)境脫鉤，以受控方式進行生產(chǎn)。目前本文研究的初步重點，是西紅柿和生菜，但據(jù)稱有計劃轉(zhuǎn)向高熱量主食作物，如木薯、紅薯和谷物作物。不過，在實際應用中，這一技術(shù)仍然面臨重大挑戰(zhàn)。在無光條件下栽培植物，現(xiàn)在還處于早期階段，需要進一步研究與開發(fā)才能使這項技術(shù)完全商業(yè)化，實現(xiàn)其全部潛力。
