Kunstlik fotosüntees, mis on välja töötatud selleks, et muuta toidu tootmine energiatõhusamaks

Teadlased on leidnud viisi, kuidas bioloogilise fotosünteesi vajadusest täielikult mööda minna ja kunstliku fotosünteesi abil luua päikesevalgusest sõltumatut toitu. Uuring avaldati ajakirjas, Loodustoit.

Teadlased kasutasid kaheastmelist elektrokatalüütilist protsessi süsinikdioksiidi, elektri ja vee muundamiseks atsetaadiks, äädika põhikomponendiks. Toitu tootvad organismid tarbivad seejärel kasvamiseks atsetaati pimedas.

Koos päikesepaneelidega, et toota elektrit elektrokatalüüsi toiteks, võib see hübriidne orgaaniline-anorgaaniline süsteem suurendada päikesevalguse toiduks muundamise efektiivsust, mis on mõne toidu puhul kuni 18 korda tõhusam.

"Oma lähenemisviisiga püüdsime tuvastada uut viisi toidu tootmiseks, mis võiks ületada bioloogilise fotosünteesi poolt tavaliselt kehtestatud piire," ütles vastav autor Robert Jinkerson, UC Riverside'i keemia- ja keskkonnatehnika dotsent.

Süsteemi kõigi komponentide integreerimiseks optimeeriti elektrolüsaatori väljundit, et toetada toiduaineid tootvate organismide kasvu. Elektrolüsaatorid on seadmed, mis kasutavad elektrit toorainete, näiteks süsinikdioksiidi, kasulikeks molekulideks ja toodeteks muundamiseks. Toodetud atsetaadi kogust suurendati, samas kui kasutatud soola kogust vähendati, mille tulemuseks on seni kõrgeim atsetaadi tase, mida elektrolüsaatoris on kunagi toodetud.

"Kasutades meie laboris välja töötatud moodsat kaheastmelist tandem CO2 elektrolüüsi seadistust, suutsime saavutada kõrge selektiivsuse atsetaadi suhtes, mida ei saa kasutada tavapäraste CO2 elektrolüüsiteede kaudu," ütles vastav autor Feng Jiao. Delaware'i ülikool.

Katsed näitasid, et pimedas saab otse atsetaadirikka elektrolüsaatori väljundil kasvatada mitmesuguseid toiduaineid tootvaid organisme, sealhulgas rohelisi vetikaid, pärmi ja seeni tootvat seeneniidistikku. Vetikate tootmine selle tehnoloogiaga on ligikaudu neli korda energiasäästlikum kui nende kasvatamine fotosünteesi teel. Pärmi tootmine on umbes 18 korda energiasäästlikum, kui seda tavaliselt maisist ekstraheeritud suhkrut kasutades kasvatatakse.

"Me suutsime kasvatada toitu tootvaid organisme ilma bioloogilise fotosünteesi panuseta. Tavaliselt kasvatatakse neid organisme taimedest saadud suhkrutel või naftast saadud sisenditel – mis on miljoneid aastaid tagasi toimunud bioloogilise fotosünteesi saadus. See tehnoloogia on tõhusam meetod päikeseenergia toiduks muutmiseks, võrreldes toidutootmisega, mis põhineb bioloogilisel fotosünteesil,” ütles Jinkerson Labi doktorant ja uuringu kaasautor Elizabeth Hann. õppima.

Samuti uuriti selle tehnoloogia kasutamise potentsiaali põllukultuuride kasvatamiseks. Lehmahernes, tomat, tubakas, riis, raps ja roheline hernes suutsid pimedas kasvatamisel kasutada atsetaadist saadud süsinikku.

„Leidsime, et lai valik põllukultuure võib võtta meie pakutava atsetaadi ja ehitada selle peamisteks molekulaarseteks ehitusplokkideks, mida organism vajab kasvamiseks ja õitsenguks. Mõne aretus- ja inseneritööga, mille kallal me praegu töötame, võib olla võimalik kasvatada põllukultuure, kus atsetaat on lisaenergiaallikas, et suurendada saagikust,” ütles Marcus Harland-Dunaway, Jinkerson Labi doktorant ja raamatu kaasautor. õping.

Vabastades põllumajanduse täielikust sõltuvusest päikesest, avab kunstlik fotosüntees ukse lugematutele võimalustele toidu kasvatamiseks inimtekkeliste kliimamuutuste tõttu üha raskemates tingimustes. Põud, üleujutused ja vähenenud maa kättesaadavus ohustaksid ülemaailmset toiduga kindlustatust vähem, kui inimestele ja loomadele mõeldud põllukultuurid kasvaksid vähem ressursimahukates kontrollitud keskkondades. Põllukultuure saaks kasvatada ka linnades ja muudes praegu põllumajanduseks sobimatutes piirkondades ning isegi tulevastele kosmoseuurijatele toitu pakkuda.

"Kunstliku fotosünteesi meetodite kasutamine toidu tootmiseks võib olla paradigma shift selle eest, kuidas me inimesi toidame. Toidu tootmise efektiivsuse tõstmisega on vaja vähem maad, mis vähendab põllumajanduse mõju keskkonnale. Ja põllumajanduses ebatraditsioonilistes keskkondades, nagu kosmoses, võib suurenenud energiatõhusus aidata toita rohkem meeskonnaliikmeid vähemate sisenditega, ”ütles Jinkerson.

Selline toidutootmise lähenemisviis esitati NASA Deep Space Food Challenge'ile, kus see oli I etapi võitja. Deep Space Food Challenge on rahvusvaheline võistlus, kus auhindu antakse meeskondadele, kes loovad uudseid ja mänge muutvaid toidutehnoloogiaid, mis nõuavad minimaalset panust ning maksimeerivad ohutu, toitva ja maitsva toidutoodangu pikaajaliste kosmosemissioonide jaoks.

"Kujutage ette, et hiiglaslikud laevad kasvavad kunagi pimedas ja Marsil tomatitaimi – kui palju lihtsam oleks see tulevaste marslaste jaoks?" ütles kaasautor Martha Orozco-Cardenas, UC Riverside taimede transformatsiooni uurimiskeskuse direktor.