Umělá fotosyntéza vyvinutá k tomu, aby byla výroba potravin energeticky účinnější

Vědci našli způsob, jak zcela obejít potřebu biologické fotosyntézy a vytvořit potravu nezávislou na slunečním záření pomocí umělé fotosyntézy. Studie byla publikována v časopise, Přírodní jídlo.

Vědci použili dvoustupňový elektrokatalytický proces k přeměně oxidu uhličitého, elektřiny a vody na acetát, formu hlavní složky octa. Organismy produkující potraviny pak konzumují acetát ve tmě, aby rostly.

V kombinaci se solárními panely pro výrobu elektřiny pro napájení elektrokatalýzy by tento hybridní organicko-anorganický systém mohl zvýšit účinnost přeměny slunečního světla na potraviny, což je u některých potravin až 18krát účinnější.

"S naším přístupem jsme se snažili identifikovat nový způsob výroby potravin, který by mohl prolomit limity běžně stanovené biologickou fotosyntézou." řekl odpovídající autor Robert Jinkerson, odborný asistent chemického a environmentálního inženýrství na UC Riverside.

Aby bylo možné integrovat všechny součásti systému dohromady, byl výstup elektrolyzéru optimalizován tak, aby podporoval růst organismů produkujících potraviny. Elektrolyzéry jsou zařízení, která využívají elektřinu k přeměně surovin, jako je oxid uhličitý, na užitečné molekuly a produkty. Množství vyrobeného acetátu se zvýšilo, zatímco množství použité soli se snížilo, což vedlo k nejvyšším úrovním acetátu, jaké kdy byly v elektrolyzéru dosud vyrobeny.

„Pomocí nejmodernější dvoukrokové tandemové elektrolýzy CO2 vyvinuté v naší laboratoři jsme byli schopni dosáhnout vysoké selektivity vůči acetátu, ke kterému nelze přistupovat konvenčními cestami elektrolýzy CO2,“ řekl odpovídající autor Feng Jiao University of Delaware.

Experimenty ukázaly, že přímo na výstupu elektrolyzéru bohatého na acetát lze ve tmě pěstovat širokou škálu organismů produkujících potraviny, včetně zelených řas, kvasinek a mycelia hub, které produkují houby. Produkce řas touto technologií je přibližně čtyřikrát energeticky účinnější než jejich pěstování fotosynteticky. Produkce droždí je asi 18krát energeticky účinnější, než jak se obvykle pěstuje s použitím cukru extrahovaného z kukuřice.

„Byli jsme schopni vypěstovat organismy produkující potraviny bez jakéhokoli přispění biologické fotosyntézy. Typicky jsou tyto organismy kultivovány na cukrech pocházejících z rostlin nebo na vstupech pocházejících z ropy – což je produkt biologické fotosyntézy, ke které došlo před miliony let. Tato technologie je účinnější metodou přeměny sluneční energie na jídlo ve srovnání s výrobou potravin, která se opírá o biologickou fotosyntézu,“ řekla Elizabeth Hann, doktorandka v Jinkerson Lab a spoluautorka studie. studovat.

Byl také zkoumán potenciál využití této technologie k pěstování plodin. Cowpea, rajče, tabák, rýže, řepka a zelený hrášek byly všechny schopny využít uhlík z acetátu, když byly kultivovány ve tmě.

„Zjistili jsme, že široká škála plodin může využít acetát, který jsme poskytli, a zabudovat jej do hlavních molekulárních stavebních bloků, které organismus potřebuje k růstu a prosperitě. S určitým šlechtěním a inženýrstvím, na kterém v současné době pracujeme, bychom mohli být schopni pěstovat plodiny s acetátem jako dalším zdrojem energie pro zvýšení výnosů plodin,“ řekl Marcus Harland-Dunaway, doktorand v Jinkerson Lab a spoluautor knihy. studium.

Umělá fotosyntéza tím, že osvobozuje zemědělství od naprosté závislosti na slunci, otevírá dveře nesčetným možnostem pěstování potravin ve stále obtížnějších podmínkách vyvolaných antropogenní změnou klimatu. Sucho, záplavy a snížená dostupnost půdy by byly menší hrozbou pro globální potravinovou bezpečnost, pokud by plodiny pro lidi a zvířata rostly v méně náročném a kontrolovaném prostředí. Plodiny by se také mohly pěstovat ve městech a dalších oblastech, které jsou v současné době nevhodné pro zemědělství, a dokonce by mohly poskytovat potravu pro budoucí vesmírné průzkumníky.

„Použití přístupů umělé fotosyntézy k produkci potravin by mohlo být paradigmatem shift za to, jak živíme lidi. Zvýšením efektivity produkce potravin je potřeba méně půdy, čímž se sníží dopad zemědělství na životní prostředí. A pro zemědělství v netradičních prostředích, jako je vesmír, by zvýšená energetická účinnost mohla pomoci nasytit více členů posádky s menšími vstupy,“ řekl Jinkerson.

Tento přístup k produkci potravin byl předložen NASA Deep Space Food Challenge, kde se stal vítězem fáze I. Deep Space Food Challenge je mezinárodní soutěž, kde se ceny udělují týmům za vytvoření nových a proměnlivých potravinářských technologií, které vyžadují minimální vstupy a maximalizují bezpečné, výživné a chutné potravinové výstupy pro dlouhodobé vesmírné mise.

"Představte si, že jednoho dne budou obří plavidla pěstovat rostliny rajčat ve tmě a na Marsu - oč jednodušší by to bylo pro budoucí Marťany?" řekla spoluautorka Martha Orozco-Cardenas, ředitelka UC Riverside Plant Transformation Research Center.