Изкуствена фотосинтеза, разработена, за да направи производството на храни по-енергийно ефективно

Изследователите са намерили начин да заобиколят изцяло необходимостта от биологична фотосинтеза и да създадат храна, независима от слънчевата светлина, като използват изкуствена фотосинтеза. Проучването е публикувано в списанието, Природна храна.

Изследователите са използвали двуетапен електрокаталитичен процес, за да превърнат въглеродния диоксид, електричеството и водата в ацетат, формата на основния компонент на оцета. След това организмите, произвеждащи храна, консумират ацетат на тъмно, за да растат.

В комбинация със слънчеви панели за генериране на електричество за захранване на електрокатализата, тази хибридна органично-неорганична система може да увеличи ефективността на преобразуване на слънчевата светлина в храна, до 18 пъти по-ефективно за някои храни.

„С нашия подход се опитахме да идентифицираме нов начин за производство на храна, който би могъл да преодолее границите, обикновено налагани от биологичната фотосинтеза,“ каза съответният автор Робърт Джинкерсън, асистент професор по химическо и екологично инженерство в UC Riverside.

За да се интегрират всички компоненти на системата заедно, изходът на електролизера беше оптимизиран, за да поддържа растежа на организмите, произвеждащи храна. Електролизаторите са устройства, които използват електричество за преобразуване на суровини като въглероден диоксид в полезни молекули и продукти. Количеството произведен ацетат беше увеличено, докато количеството използвана сол беше намалено, което доведе до най-високите нива на ацетат, произвеждани някога в електролизатор до момента.

„Използвайки най-модерната двустепенна тандемна електролиза на CO2, разработена в нашата лаборатория, успяхме да постигнем висока селективност към ацетат, която не може да бъде достъпна чрез конвенционалните пътища за електролиза на CO2“, каза съответният автор Feng Jiao в Университет на Делауеър.

Експериментите показват, че широка гама от организми, произвеждащи храна, могат да се отглеждат на тъмно директно върху богатия на ацетат електролизер, включително зелени водорасли, дрожди и гъбичен мицел, които произвеждат гъби. Производството на водорасли с тази технология е приблизително четири пъти по-енергийно ефективно от отглеждането им чрез фотосинтеза. Производството на дрожди е около 18 пъти по-енергийно ефективно от начина, по който обикновено се култивира с помощта на захар, извлечена от царевица.

„Успяхме да отгледаме организми, произвеждащи храна, без никакви приноси от биологична фотосинтеза. Обикновено тези организми се култивират върху захари, получени от растения или суровини, получени от петрол - който е продукт на биологична фотосинтеза, извършена преди милиони години. Тази технология е по-ефективен метод за превръщане на слънчевата енергия в храна в сравнение с производството на храна, което разчита на биологична фотосинтеза“, каза Елизабет Хан, докторант в Jinkerson Lab и съавтор на проучване.

Потенциалът за използване на тази технология за отглеждане на културни растения също беше изследван. Кравешкият грах, доматите, тютюнът, оризът, рапицата и зеленият грах успяха да използват въглерод от ацетат, когато се култивираха на тъмно.

„Открихме, че широка гама от култури може да вземе ацетата, който предоставихме, и да го вгради в основните молекулярни градивни елементи, от които един организъм се нуждае, за да расте и да процъфтява. С известно развъждане и инженерство, върху които в момента работим, може да сме в състояние да отглеждаме култури с ацетат като допълнителен източник на енергия за повишаване на добивите от културите,” каза Маркъс Харланд-Дънауей, докторант в Jinkerson Lab и съавтор на ученето.

Като освобождава селското стопанство от пълната зависимост от слънцето, изкуствената фотосинтеза отваря вратата към безброй възможности за отглеждане на храна при все по-трудните условия, наложени от антропогенното изменение на климата. Сушата, наводненията и намалената наличност на земя биха били по-малка заплаха за глобалната продоволствена сигурност, ако културите за хора и животни се отглеждат в контролирана среда с по-малко ресурси. Културите също могат да се отглеждат в градове и други райони, които в момента са неподходящи за селско стопанство, и дори да осигурят храна за бъдещите космически изследователи.

„Използването на подходи за изкуствена фотосинтеза за производство на храна може да бъде парадигма shift за това как храним хората. Чрез увеличаване на ефективността на производството на храни е необходима по-малко земя, което намалява въздействието на селското стопанство върху околната среда. А за селското стопанство в нетрадиционни среди, като космическото пространство, повишената енергийна ефективност може да помогне за изхранването на повече членове на екипажа с по-малко вложения“, каза Джинкерсън.

Този подход към производството на храна беше представен на Deep Space Food Challenge на НАСА, където беше победител във фаза I. Deep Space Food Challenge е международно състезание, в което се присъждат награди на екипи за създаване на нови и променящи правилата хранителни технологии, които изискват минимални вложения и максимизират безопасните, питателни и вкусни хранителни продукти за дългосрочни космически мисии.

„Представете си някой ден гигантски кораби, отглеждащи доматени растения на тъмно и на Марс – колко по-лесно би било това за бъдещите марсианци?“ каза съавторът Марта Орозко-Карденас, директор на Изследователския център за трансформация на растенията на UC Riverside.