Künstliche Photosynthese entwickelt, um die Lebensmittelproduktion energieeffizienter zu machen

Forscher haben einen Weg gefunden, die Notwendigkeit der biologischen Photosynthese vollständig zu umgehen und mithilfe künstlicher Photosynthese Nahrungsmittel unabhängig vom Sonnenlicht zu erzeugen. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht, Naturkost.

Forscher verwendeten einen zweistufigen elektrokatalytischen Prozess, um Kohlendioxid, Elektrizität und Wasser in Acetat umzuwandeln, die Form des Hauptbestandteils von Essig. Lebensmittelproduzierende Organismen verbrauchen dann im Dunkeln Acetat, um zu wachsen.

In Kombination mit Sonnenkollektoren zur Stromerzeugung für die Elektrokatalyse könnte dieses organisch-anorganische Hybridsystem die Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht in Lebensmittel steigern, was bei einigen Lebensmitteln bis zu 18-mal effizienter ist.

„Mit unserem Ansatz wollten wir einen neuen Weg zur Nahrungsmittelproduktion finden, der die Grenzen überwinden könnte, die normalerweise durch die biologische Photosynthese gesetzt werden.“ sagte korrespondierender Autor Robert Jinkerson, Assistenzprofessor für Chemie- und Umweltingenieurwesen an der UC Riverside.

Um alle Komponenten des Systems zu integrieren, wurde die Leistung des Elektrolyseurs optimiert, um das Wachstum von Lebensmittel produzierenden Organismen zu unterstützen. Elektrolyseure sind Geräte, die Elektrizität nutzen, um Rohstoffe wie Kohlendioxid in nützliche Moleküle und Produkte umzuwandeln. Die produzierte Acetatmenge wurde erhöht, während die verwendete Salzmenge verringert wurde, was zu den höchsten Acetatmengen führte, die jemals in einem Elektrolyseur produziert wurden.

„Mit einem hochmodernen zweistufigen Tandem-CO2-Elektrolyseaufbau, der in unserem Labor entwickelt wurde, konnten wir eine hohe Selektivität gegenüber Acetat erreichen, die über herkömmliche CO2-Elektrolysewege nicht zugänglich ist“, sagte der korrespondierende Autor Feng Jiao am Universität von Delaware.

Experimente zeigten, dass eine breite Palette von Lebensmittel produzierenden Organismen im Dunkeln direkt auf dem acetatreichen Elektrolyseur-Ausgang gezüchtet werden kann, darunter Grünalgen, Hefe und Pilzmyzel, die Pilze produzieren. Die Algenproduktion mit dieser Technologie ist etwa viermal energieeffizienter als der photosynthetische Anbau. Die Hefeproduktion ist etwa 18-mal energieeffizienter als der typische Anbau mit aus Mais gewonnenem Zucker.

„Wir waren in der Lage, Nahrungsmittel produzierende Organismen ohne jegliche Beiträge der biologischen Photosynthese zu züchten. Typischerweise werden diese Organismen mit Zucker aus Pflanzen oder Erdöl kultiviert – einem Produkt der biologischen Photosynthese, die vor Millionen von Jahren stattfand. „Diese Technologie ist eine effizientere Methode zur Umwandlung von Sonnenenergie in Lebensmittel im Vergleich zur Lebensmittelproduktion, die auf biologischer Photosynthese beruht“, sagte Elizabeth Hann, Doktorandin am Jinkerson Lab und Co-Hauptautorin des Buches Studie.

Es wurde auch das Potenzial dieser Technologie für den Anbau von Nutzpflanzen untersucht. Kuherbsen, Tomaten, Tabak, Reis, Raps und grüne Erbsen waren alle in der Lage, Kohlenstoff aus Acetat zu nutzen, wenn sie im Dunkeln angebaut wurden.

„Wir haben herausgefunden, dass eine Vielzahl von Nutzpflanzen das von uns bereitgestellte Acetat aufnehmen und in die wichtigsten molekularen Bausteine ​​einbauen können, die ein Organismus zum Wachsen und Gedeihen benötigt. Mit etwas Züchtung und Technik, an denen wir derzeit arbeiten, könnten wir möglicherweise Pflanzen mit Acetat als zusätzlicher Energiequelle anbauen, um die Ernteerträge zu steigern“, sagte Marcus Harland-Dunaway, Doktorand im Jinkerson Lab und Co-Hauptautor von die Studie.

Durch die Befreiung der Landwirtschaft von der völligen Abhängigkeit von der Sonne eröffnet die künstliche Photosynthese unzählige Möglichkeiten für den Nahrungsmittelanbau unter den immer schwierigeren Bedingungen des anthropogenen Klimawandels. Dürren, Überschwemmungen und eine verringerte Landverfügbarkeit würden eine geringere Bedrohung für die globale Ernährungssicherheit darstellen, wenn Nutzpflanzen für Menschen und Tiere in weniger ressourcenintensiven, kontrollierten Umgebungen angebaut würden. Pflanzen könnten auch in Städten und anderen Gebieten angebaut werden, die derzeit für die Landwirtschaft ungeeignet sind, und sogar Nahrung für zukünftige Weltraumforscher liefern.

„Der Einsatz künstlicher Photosyntheseansätze zur Nahrungsmittelproduktion könnte ein Paradigma sein shift dafür, wie wir Menschen ernähren. Durch die Steigerung der Effizienz der Nahrungsmittelproduktion wird weniger Land benötigt, was die Auswirkungen der Landwirtschaft auf die Umwelt verringert. Und für die Landwirtschaft in nicht-traditionellen Umgebungen wie dem Weltraum könnte die höhere Energieeffizienz dazu beitragen, mehr Besatzungsmitglieder mit weniger Aufwand zu ernähren“, sagte Jinkerson.

Dieser Ansatz zur Lebensmittelproduktion wurde bei der Deep Space Food Challenge der NASA eingereicht und gewann dort die Phase I. Die Deep Space Food Challenge ist ein internationaler Wettbewerb, bei dem Preise an Teams vergeben werden, die neuartige und bahnbrechende Lebensmitteltechnologien entwickeln, die minimale Inputs erfordern und die sichere, nahrhafte und schmackhafte Lebensmittelproduktion für Langzeit-Weltraummissionen maximieren.

„Stellen Sie sich eines Tages riesige Schiffe vor, die im Dunkeln und auf dem Mars Tomatenpflanzen anbauen – wie viel einfacher wäre das für zukünftige Marsmenschen?“ sagte Co-Autorin Martha Orozco-Cardenas, Direktorin des UC Riverside Plant Transformation Research Center.