Fotosynteza ewoluowała w roślinach przez miliony lat, przekształcając wodę, dwutlenek węgla i energię ze światła słonecznego w biomasę roślinną i żywność, którą spożywamy.
Proces ten jest jednak bardzo nieefektywny, ponieważ tylko około 1% energii znajdującej się w świetle słonecznym trafia do rośliny.
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside (UC Riverside) i Uniwersytetu Delaware znaleźli sposób na całkowite ominięcie potrzeby fotosyntezy biologicznej i stworzenie żywności niezależnej od światła słonecznego za pomocą sztucznej fotosyntezy.
Rośliny rosną na elektrolizowanym podłożu zawierającym octan, który zastępuje naturalną fotosyntezę.
Badania wykorzystują dwuetapowy proces elektrokatalityczny do konwersji dwutlenku węgla, energii elektrycznej i wody w octan, który jest głównym składnikiem octu. Organizmy produkujące żywność następnie zużywają octan w ciemności, aby rosnąć.
W połączeniu z panelami słonecznymi generującymi energię elektryczną do elektrokatalizy, ten hybrydowy system organiczno-nieorganiczny może zwiększyć wydajność konwersji światła słonecznego w żywność, nawet do 18 razy bardziej wydajną w przypadku niektórych rodzajów żywności.
„Dzięki naszemu podejściu staraliśmy się zidentyfikować nowy sposób produkcji żywności, który mógłby przełamać ograniczenia zwykle nakładane przez biologiczną fotosyntezę” – powiedział autor Robert Jinkerson, adiunkt inżynierii chemicznej i środowiskowej na UC Riverside.
Czytaj: Wakacyjny Szlak Kulinarny. Odwiedź Wine and Taste pod Krakowem
Aby zintegrować wszystkie komponenty systemu razem, wydajność elektrolizera została zoptymalizowana pod kątem wspomagania wzrostu organizmów produkujących żywność. Elektrolizery to urządzenia wykorzystujące energię elektryczną do przekształcania surowców, takich jak dwutlenek węgla, w użyteczne cząsteczki i produkty. Ilość wytworzonego octanu wzrosła, podczas gdy ilość użytej soli została zmniejszona, co skutkuje najwyższymi poziomami octanu, jakie kiedykolwiek wytworzono w elektrolizerze do tej pory.
„Korzystając z najnowocześniejszej dwuetapowej instalacji elektrolizy CO2 w tandemie opracowanej w naszym laboratorium, byliśmy w stanie osiągnąć wysoką selektywność w kierunku octanu, do którego nie można uzyskać dostępu za pomocą konwencjonalnych dróg elektrolizy CO2” – powiedział autor Feng Jiao z Uniwersytetu. z Delaware.
Koniecznie zajrzyj na f7.pl
Eksperymenty wykazały, że szeroki zakres organizmów produkujących żywność można hodować w ciemności bezpośrednio na wyjściu elektrolizera bogatego w octan, w tym zielone algi, drożdże i grzybnię grzybów, które wytwarzają grzyby. Produkcja glonów za pomocą tej technologii jest około czterokrotnie bardziej energooszczędna niż ich uprawa fotosyntetyczna. Produkcja drożdży jest około 18-krotnie bardziej efektywna energetycznie niż typowa uprawa przy użyciu cukru pozyskiwanego z kukurydzy.
„Byliśmy w stanie wyhodować organizmy produkujące żywność bez udziału fotosyntezy biologicznej. Zazwyczaj organizmy te są hodowane na cukrach pochodzących z roślin lub na wkładzie pochodzącym z ropy naftowej, która jest produktem biologicznej fotosyntezy, która miała miejsce miliony lat temu. Ta technologia jest bardziej wydajną metodą przekształcania energii słonecznej w żywność w porównaniu do produkcji żywności opartej na fotosyntezie biologicznej” – powiedziała Elizabeth Hann, doktorantka w Jinkerson Lab i współautorka badania.
Czytaj: Przykrywanie upraw czerwonym plastikiem może zwiększyć plony o 37%
Zbadano również możliwość zastosowania tej technologii do uprawy roślin uprawnych. Groszek zwyczajny, pomidor, tytoń, ryż, rzepak i zielony groszek były w stanie wykorzystać węgiel z octanu, gdy były hodowane w ciemności.
„Odkryliśmy, że szeroka gama roślin uprawnych może wykorzystać dostarczony przez nas octan i wbudować go w główne molekularne elementy budulcowe, których organizm potrzebuje do wzrostu i rozwoju. Dzięki pewnej hodowli i inżynierii, nad którymi obecnie pracujemy, możemy być w stanie uprawiać rośliny z octanem jako dodatkowym źródłem energii, aby zwiększyć plony” – powiedział Marcus Harland-Dunaway, doktorant w Jinkerson Lab i współautor badania.
Uwalniając rolnictwo od całkowitej zależności od słońca, sztuczna fotosynteza otwiera drzwi do niezliczonych możliwości uprawy żywności w coraz trudniejszych warunkach narzuconych przez antropogeniczne zmiany klimatyczne. Susza, powodzie i ograniczona dostępność gruntów byłyby mniejszym zagrożeniem dla globalnego bezpieczeństwa żywnościowego, gdyby uprawy dla ludzi i zwierząt rosły w mniej kontrolowanych środowiskach. Uprawy mogłyby być również uprawiane w miastach i innych obszarach, które obecnie nie nadają się do uprawy, a nawet dostarczać żywności przyszłym badaczom kosmosu.
„Wykorzystywanie podejść do sztucznej fotosyntezy do produkcji żywności może być zmianą paradygmatu dotyczącego sposobu żywienia ludzi. Zwiększając wydajność produkcji żywności, potrzeba mniej gruntów, co zmniejsza wpływ rolnictwa na środowisko. A w przypadku rolnictwa w nietradycyjnych środowiskach, takich jak przestrzeń kosmiczna, zwiększona efektywność energetyczna może pomóc wyżywić większą liczbę członków załogi przy mniejszych nakładach” – powiedział Jinkerson.
Takie podejście do produkcji żywności zostało zgłoszone do NASA Deep Space Food Challenge, gdzie zwyciężyło w pierwszej fazie. Deep Space Food Challenge to międzynarodowy konkurs, w którym nagrody są przyznawane zespołom za tworzenie nowatorskich i zmieniających zasady gry technologii żywnościowych, które wymagają minimalnych nakładów i maksymalizują bezpieczną, pożywną i smaczną żywność podczas długotrwałych misji kosmicznych.
„Wyobraźcie sobie kiedyś gigantyczne naczynia, w których rosną pomidory w ciemności i na Marsie – o ile łatwiejsze byłoby to dla przyszłych Marsjan?” powiedziała współautorka Martha Orozco-Cárdenas.
Badania te zostały opublikowane w Nature Food.
Źródło: University of California, Riverside
