Plasma-Activated Water as a Potential Low-Carbon Complement to Synthetic Nitrogen Fertilizers: A Comparative Review

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Provides a systematic comparison of PAW vs. conventional fertilizers, identifying research gaps in techno-economics and field validation.

🏢実務担当者:Useful for agricultural technology firms exploring low-carbon fertigation solutions; highlights current TRL and limitations.

🏛政策担当者:Informs agricultural policy on subsidizing low-carbon fertilizer alternatives; emphasizes need for field trials and LCA standardization.

従来の窒素肥料は食料生産に不可欠であるが、多大なエネルギー、温室効果ガス、および反応性窒素の損失を伴う。本レビューでは、Haber–Bosch由来の尿素、硝酸アンモニウム、硝酸カルシウム、グリーンアンモニア、およびプラズマ活性水（PAW）を用いた施肥灌漑を比較する。PAWでは、非熱プラズマが大気中の窒素を直接水中に固定し、NO3−/NO2−として、また一部のシステムではNH4+として供給する。PRISMAに準拠したScopusスクリーニングにより765件の文献が抽出された。自動スクリーニングで312件が除外され、暫定的に保持された全453件をその後手動で監査し、追加の偽陽性88件を除去して、365件のプラズマ窒素固定研究（PAW/液中プラズマ記録157件を含む）が得られた。比較では、エネルギー、炭素強度、窒素利用効率、および技術成熟度について明確なシステム境界を用いる。直接測定された液中システムの検証済み最低値は、全可溶性窒素について1.14 MJ mol−1 Nを報告しているが、0.4–0.5 MJ mol−1 N付近のより低い値は主に気相またはモデル化されたプラズマ固定に関するものであり、PAWと直接的に互換性はない。管理環境下での研究では、いくつかの作物で発芽または栄養成長の改善が報告されており、硝酸塩等価対照を用いたある全周期管理園芸研究では、果実性能が従来の硝酸塩施肥と同等であった。それでもなお、PAWは合成肥料の一般的な代替品ではない。その最も信頼性の高い短期的役割は、低炭素電力によって供給される、施肥灌漑、施設栽培、水耕栽培、および遠隔地または供給制約のあるシステムにおける分散型の補完手段としてのものである。主要な障壁は、希薄で変動する窒素濃度、反応器の耐久性、貯蔵安定性、不完全な技術経済的評価、および反復された複数シーズンの圃場検証の欠如である。最低限の報告要件と研究優先事項が提案される。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Conventional nitrogen fertilizers are essential to food production but impose substantial energy, greenhouse-gas, and reactive-nitrogen losses. This review compares Haber–Bosch-derived urea, ammonium nitrate, calcium nitrate, green ammonia, and fertigation with plasma-activated water (PAW), in which non-thermal plasma fixes atmospheric nitrogen directly into water as NO3−/NO2− and, in some systems, NH4+. A PRISMA-adapted Scopus screening retrieved 765 records. Automated screening excluded 312 records; all 453 provisionally retained records were then manually audited, removing 88 additional false positives and yielding 365 plasma nitrogen-fixation studies, including 157 PAW/plasma-in-liquid records. The comparison uses explicit system boundaries for energy, carbon intensity, nitrogen-use efficiency, and technology readiness. The lowest verified directly measured in-water system reports 1.14 MJ mol−1 N for total soluble nitrogen, whereas lower values near 0.4–0.5 MJ mol−1 N refer mainly to gas-phase or modeled plasma fixation and are not directly interchangeable with PAW. Controlled-environment studies report improved germination or vegetative growth in several crops and, in one full-cycle controlled horticultural study with a nitrate-equivalent control, fruit performance comparable with conventional nitrate fertilization. Nevertheless, PAW is not a general replacement for synthetic fertilizer. Its most credible near-term role is as a decentralized complement in fertigation, protected cultivation, hydroponics, and remote or supply-constrained systems supplied by low-carbon electricity. Major barriers are dilute and variable nitrogen concentration, reactor durability, storage stability, incomplete techno-economic accounting, and the absence of replicated multi-season field validation. Minimum reporting requirements and research priorities are proposed.

• openalex https://doi.org/10.3390/agriengineering8080310first seen 2026-07-29 05:04:37