Αναπτύχθηκε τεχνητή φωτοσύνθεση για να βοηθήσει να γίνει η παραγωγή τροφίμων πιο ενεργειακά αποδοτική

Οι ερευνητές βρήκαν έναν τρόπο να παρακάμψουν εντελώς την ανάγκη για βιολογική φωτοσύνθεση και να δημιουργήσουν τροφή ανεξάρτητα από το ηλιακό φως, χρησιμοποιώντας τεχνητή φωτοσύνθεση. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό, Φύση Φύση.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια ηλεκτροκαταλυτική διαδικασία δύο σταδίων για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα, την ηλεκτρική ενέργεια και το νερό σε οξικό, τη μορφή του κύριου συστατικού του ξιδιού. Στη συνέχεια, οι οργανισμοί που παράγουν τρόφιμα καταναλώνουν οξικό άλας στο σκοτάδι για να αναπτυχθούν.

Σε συνδυασμό με ηλιακούς συλλέκτες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδοσία της ηλεκτροκατάλυσης, αυτό το υβριδικό οργανικό-ανόργανο σύστημα θα μπορούσε να αυξήσει την απόδοση μετατροπής του ηλιακού φωτός σε τρόφιμα, έως και 18 φορές πιο αποτελεσματικό για ορισμένα τρόφιμα.

«Με την προσέγγισή μας, επιδιώξαμε να εντοπίσουμε έναν νέο τρόπο παραγωγής τροφής που θα μπορούσε να ξεπεράσει τα όρια που κανονικά επιβάλλει η βιολογική φωτοσύνθεση». είπε αντίστοιχος συγγραφέας Robert Jinkerson, επίκουρος καθηγητής χημικής και περιβαλλοντικής μηχανικής στο UC Riverside.

Προκειμένου να ενσωματωθούν όλα τα στοιχεία του συστήματος μαζί, η έξοδος του ηλεκτρολύτη βελτιστοποιήθηκε για να υποστηρίξει την ανάπτυξη των οργανισμών που παράγουν τρόφιμα. Οι ηλεκτρολύτες είναι συσκευές που χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για να μετατρέψουν πρώτες ύλες όπως το διοξείδιο του άνθρακα σε χρήσιμα μόρια και προϊόντα. Η ποσότητα του παραγόμενου οξικού άλατος αυξήθηκε ενώ η ποσότητα του αλατιού που χρησιμοποιήθηκε μειώθηκε, με αποτέλεσμα τα υψηλότερα επίπεδα οξικού που έχουν παραχθεί ποτέ σε συσκευή ηλεκτρόλυσης μέχρι σήμερα.

«Χρησιμοποιώντας μια υπερσύγχρονη διάταξη ηλεκτρόλυσης CO2 σε δύο βήματα που αναπτύχθηκε στο εργαστήριό μας, μπορέσαμε να επιτύχουμε υψηλή επιλεκτικότητα προς το οξικό άλας που δεν μπορεί να προσπελαστεί μέσω συμβατικών οδών ηλεκτρόλυσης CO2», δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας Feng Jiao στο Πανεπιστήμιο του Ντέλαγουερ.

Τα πειράματα έδειξαν ότι ένα ευρύ φάσμα οργανισμών που παράγουν τρόφιμα μπορούν να αναπτυχθούν στο σκοτάδι απευθείας στην παραγωγή ηλεκτρολύτη πλούσια σε οξικό άλας, συμπεριλαμβανομένων των πράσινων φυκών, της μαγιάς και του μυκητίου μυκήτων που παράγουν μανιτάρια. Η παραγωγή φυκιών με αυτήν την τεχνολογία είναι περίπου τέσσερις φορές πιο αποδοτική από πλευράς ενέργειας από την φωτοσυνθετική καλλιέργεια. Η παραγωγή μαγιάς είναι περίπου 18 φορές πιο ενεργειακά αποδοτική από τον τρόπο που συνήθως καλλιεργείται χρησιμοποιώντας ζάχαρη που εξάγεται από καλαμπόκι.

«Καταφέραμε να αναπτύξουμε οργανισμούς που παράγουν τρόφιμα χωρίς καμία συμβολή από τη βιολογική φωτοσύνθεση. Συνήθως, αυτοί οι οργανισμοί καλλιεργούνται σε σάκχαρα που προέρχονται από φυτά ή εισροές που προέρχονται από πετρέλαιο — το οποίο είναι προϊόν βιολογικής φωτοσύνθεσης που έλαβε χώρα πριν από εκατομμύρια χρόνια. Αυτή η τεχνολογία είναι μια πιο αποτελεσματική μέθοδος μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε τροφή, σε σύγκριση με την παραγωγή τροφίμων που βασίζεται στη βιολογική φωτοσύνθεση», δήλωσε η Elizabeth Hann, υποψήφια διδάκτορας στο Jinkerson Lab και συν-επικεφαλής του μελέτη.

Διερευνήθηκε επίσης η δυνατότητα χρήσης αυτής της τεχνολογίας για την καλλιέργεια φυτών. Το μπιζέλι, η ντομάτα, ο καπνός, το ρύζι, η canola και το πράσινο μπιζέλι ήταν όλα ικανά να χρησιμοποιήσουν τον άνθρακα από το οξικό άλας όταν καλλιεργούνταν στο σκοτάδι.

«Διαπιστώσαμε ότι ένα ευρύ φάσμα καλλιεργειών θα μπορούσε να πάρει το οξικό που παρέχουμε και να το ενσωματώσει στα κύρια μοριακά δομικά στοιχεία που χρειάζεται ένας οργανισμός για να αναπτυχθεί και να ευδοκιμήσει. Με κάποια εκτροφή και μηχανική στην οποία εργαζόμαστε αυτήν τη στιγμή, ίσως μπορέσουμε να καλλιεργήσουμε καλλιέργειες με οξικό ως πρόσθετη πηγή ενέργειας για την ενίσχυση της απόδοσης των καλλιεργειών», δήλωσε ο Marcus Harland-Dunaway, υποψήφιος διδάκτορας στο Jinkerson Lab και συν-επικεφαλής συγγραφέας του η μελέτη.

Απελευθερώνοντας τη γεωργία από την πλήρη εξάρτηση από τον ήλιο, η τεχνητή φωτοσύνθεση ανοίγει την πόρτα σε αμέτρητες δυνατότητες για την καλλιέργεια τροφίμων κάτω από τις ολοένα και πιο δύσκολες συνθήκες που επιβάλλονται από την ανθρωπογενή κλιματική αλλαγή. Η ξηρασία, οι πλημμύρες και η μειωμένη διαθεσιμότητα γης θα αποτελούσαν λιγότερο απειλή για την παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια, εάν οι καλλιέργειες για ανθρώπους και ζώα αυξάνονταν σε ελεγχόμενα περιβάλλοντα με λιγότερους πόρους. Οι καλλιέργειες θα μπορούσαν επίσης να καλλιεργηθούν σε πόλεις και άλλες περιοχές που επί του παρόντος ακατάλληλες για γεωργία, και ακόμη και να παρέχουν τροφή για μελλοντικούς εξερευνητές του διαστήματος.

«Η χρήση προσεγγίσεων τεχνητής φωτοσύνθεσης για την παραγωγή τροφής θα μπορούσε να είναι ένα παράδειγμα shift για το πώς ταΐζουμε τους ανθρώπους. Με την αύξηση της αποδοτικότητας της παραγωγής τροφίμων, απαιτείται λιγότερη γη, μειώνοντας τον αντίκτυπο της γεωργίας στο περιβάλλον. Και για τη γεωργία σε μη παραδοσιακά περιβάλλοντα, όπως το διάστημα, η αυξημένη ενεργειακή απόδοση θα μπορούσε να βοηθήσει να τροφοδοτηθούν περισσότερα μέλη του πληρώματος με λιγότερες εισροές», δήλωσε ο Jinkerson.

Αυτή η προσέγγιση στην παραγωγή τροφίμων υποβλήθηκε στο Deep Space Food Challenge της NASA όπου κέρδισε τη Φάση Ι. Το Deep Space Food Challenge είναι ένας διεθνής διαγωνισμός όπου απονέμονται βραβεία σε ομάδες για τη δημιουργία νέων τεχνολογιών τροφίμων που αλλάζουν το παιχνίδι που απαιτούν ελάχιστες εισροές και μεγιστοποιούν την ασφαλή, θρεπτική και εύγευστη παραγωγή τροφίμων για διαστημικές αποστολές μεγάλης διάρκειας.

«Φανταστείτε κάποια μέρα γιγάντια σκάφη να αναπτύσσουν φυτά τομάτας στο σκοτάδι και στον Άρη – πόσο πιο εύκολο θα ήταν αυτό για τους μελλοντικούς Αρειανούς;» είπε η συν-συγγραφέας Martha Orozco-Cardenas, διευθύντρια του UC Riverside Plant Transformation Research Center.