焦锋教授 Joule：电-农业：比肩光合作用！实现可持续的未来！
文摘
2024-10-26 08:35
中国香港
几千年来，人类一直依靠光合作用种植农作物并养活不断增长的人口。然而，气候变化和全球饥饿的不断升级的挑战现在迫使我们超越光合作用的效率限制。在此，作者建议采用一种电农业 (electro-ag) 框架，将二氧化碳电解与生物系统相结合，以提高粮食生产效率。随着人口的快速增长，对粮食生产的需求日益增加，然而，由于气候条件的变化，世界各地的农民面临着前所未有的挑战。受控环境和垂直农业已成为一种潜在的解决方案，可以提高资源利用效率和单位土地的粮食产量，同时允许在城市和干旱地区进行耕作，但由于能源需求巨大，其广泛采用受到了阻碍。二氧化碳/一氧化碳电解的最新发展以及基因工程和选择性育种的进步为电农业的出现奠定了基础，从而大大降低了垂直农业的能源需求。电农业使用可再生电力从二氧化碳中产生的醋酸盐作为燃料，使粮食作物能够异养生长。与传统的受控环境或传统农业不同，电农业不受光合作用效率限制的限制。相反，醋酸盐利用的高效代谢途径被利用，使太阳能转化为食物的效率至少提高 4 倍，未来的努力可能会使太阳能转化为食物的能源效率提高一个数量级。如果美国的粮食供应是通过电农业生产的，土地使用量可以减少 88%，同时通过分散粮食生产大幅简化粮食供应链。基于电农业的全球粮食系统有许多优势。通过提高效率和减少土地使用量，地球的大部分土地可以重新野化，以恢复支持自然碳封存的生态系统。此外，电农业系统可以部署在沙漠、城市甚至火星等极端环境中，否则这些地方很难种植粮食。电农业还可以通过减少极端天气的影响和本地化粮食生产来帮助避免粮食价格暴涨。电农业有望通过提供一条通往更具弹性和公平的粮食系统的可持续途径，彻底改变粮食生产领域。未来的努力应该寻求进一步提高电农业的能源效率，同时努力生产高热量的主食作物，以帮助对抗全球饥饿。采用完全基于电农业的粮食系统可以将美国农业用地减少 88%，释放出该国近一半的土地用于生态系统恢复和自然碳封存。电农业绕过了传统的光合作用，使非耕地城市中心、干旱沙漠甚至外层空间环境的粮食种植成为可能。作者提出了一种新战略，与光合作用相比，该战略将能源效率提高了一个数量级，并提供了开发以主食作物为重点的电农业的基本指导，以最大限度地为面临粮食不安全地区的人们带来利益。这种创新的农业方法在减少环境影响、简化供应链和应对全球粮食危机方面具有重大前景。https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.09.011
