Keinotekoinen fotosynteesi, joka on kehitetty auttamaan tekemään ruoantuotannosta energiatehokkaampaa

Tutkijat ovat löytäneet keinon, jolla voidaan ohittaa biologisen fotosynteesin tarve kokonaan ja luoda auringonvalosta riippumatonta ruokaa keinotekoisen fotosynteesin avulla. Tutkimus julkaistiin lehdessä, Luontoruoka.

Tutkijat käyttivät kaksivaiheista sähkökatalyyttistä prosessia hiilidioksidin, sähkön ja veden muuntamiseksi asetaatiksi, joka on etikan pääkomponentti. Ruokaa tuottavat organismit kuluttavat asetaattia pimeässä kasvaakseen.

Yhdistettynä aurinkopaneeleihin, jotka tuottavat sähköä sähkökatalyysin tehostamiseksi, tämä hybridi orgaaninen-epäorgaaninen järjestelmä voisi lisätä auringonvalon muunnostehokkuutta elintarvikkeiksi, jopa 18 kertaa tehokkaammin joidenkin elintarvikkeiden kohdalla.

"Lähestymistapallamme pyrimme tunnistamaan uuden tavan tuottaa ruokaa, joka voisi rikkoa biologisen fotosynteesin normaalisti asettamat rajat." sanoi vastaava kirjailija Robert Jinkerson, UC Riversiden kemian- ja ympäristötekniikan apulaisprofessori.

Järjestelmän kaikkien komponenttien integroimiseksi yhteen elektrolyysilaitteen teho optimoitiin tukemaan ruokaa tuottavien organismien kasvua. Elektrolyysilaitteet ovat laitteita, jotka käyttävät sähköä raaka-aineiden, kuten hiilidioksidin, muuntamiseen hyödyllisiksi molekyyleiksi ja tuotteiksi. Tuotetun asetaatin määrää lisättiin, kun taas käytetyn suolan määrää vähennettiin, mikä johti korkeimpiin asetaattitasoihin, joita elektrolyysilaitteessa on tähän mennessä tuotettu.

"Käyttämällä uusinta kaksivaiheista tandem CO2-elektrolyysijärjestelmää, joka on kehitetty laboratoriossamme, pystyimme saavuttamaan korkean selektiivisyyden asetaatille, jota ei voida saavuttaa tavanomaisten CO2-elektrolyysireittien kautta", sanoi vastaava kirjoittaja Feng Jiao. Delawaren yliopisto.

Kokeet osoittivat, että laajaa valikoimaa ruokaa tuottavia organismeja voidaan kasvattaa pimeässä suoraan asetaattirikkaalla elektrolyysilähdöllä, mukaan lukien viherlevät, hiiva ja sieniä tuottavat sienirihmastot. Levän tuottaminen tällä tekniikalla on noin neljä kertaa energiatehokkaampaa kuin fotosynteettinen kasvattaminen. Hiivan tuotanto on noin 18 kertaa energiatehokkaampaa kuin tyypillisesti viljellään maissista uutetulla sokerilla.

"Pystyimme kasvattamaan ruokaa tuottavia organismeja ilman biologisen fotosynteesin panosta. Tyypillisesti näitä organismeja viljellään kasveista johdetuilla sokereilla tai öljystä saaduilla panoksilla – joka on miljoonia vuosia sitten tapahtuneen biologisen fotosynteesin tuote. Tämä tekniikka on tehokkaampi tapa muuttaa aurinkoenergiaa ruoaksi verrattuna biologiseen fotosynteesiin perustuvaan ruoantuotantoon", sanoi Elizabeth Hann, Jinkerson Labin tohtorikandidaatti ja tutkimuksen toinen kirjoittaja. opiskella.

Myös tämän teknologian mahdollisuuksia viljelykasvien kasvattamiseen tutkittiin. Lehmäherne, tomaatti, tupakka, riisi, rypsi ja vihreä herne pystyivät kaikki hyödyntämään asetaatista saatavaa hiiltä, ​​kun niitä viljeltiin pimeässä.

"Huomasimme, että monet viljelykasvit voisivat ottaa toimittamamme asetaatin ja rakentaa siitä tärkeimmät molekyyliset rakennusaineet, joita organismi tarvitsee kasvaakseen ja kukoistaakseen. Parhaillaan työskentelemämme jalostuksen ja suunnittelun avulla voimme ehkä kasvattaa kasveja, joissa asetaatti on ylimääräinen energianlähde sadon lisäämiseksi", sanoi Marcus Harland-Dunaway, Jinkerson Labin tohtorikandidaatti ja julkaisun toinen kirjoittaja. tutkimus.

Vapauttamalla maatalouden täydellisestä riippuvuudesta auringosta keinotekoinen fotosynteesi avaa oven lukemattomille mahdollisuuksille kasvattaa ruokaa antropogeenisen ilmastonmuutoksen aiheuttamissa yhä vaikeammissa olosuhteissa. Kuivuus, tulvat ja heikentynyt maan saatavuus uhkaisivat vähemmän maailmanlaajuista elintarviketurvaa, jos ihmisille ja eläimille tarkoitettu sato kasvaisi vähemmän resursseja vaativissa kontrolloiduissa ympäristöissä. Viljelykasveja voitaisiin kasvattaa myös kaupungeissa ja muilla tällä hetkellä maataloudelle sopimattomilla alueilla, ja ne voisivat jopa tarjota ruokaa tuleville avaruustutkijoille.

"Keinotekoisen fotosynteesin käyttö ruoan tuottamiseen voisi olla paradigma shift siitä, miten ruokimme ihmisiä. Lisäämällä elintarviketuotannon tehokkuutta tarvitaan vähemmän maata, mikä vähentää maatalouden ympäristövaikutuksia. Ja maataloudessa epäperinteisissä ympäristöissä, kuten ulkoavaruudessa, lisääntynyt energiatehokkuus voisi auttaa ruokkimaan useampia miehistön jäseniä pienemmillä panoksilla", Jinkerson sanoi.

Tämä lähestymistapa ruoan tuotantoon toimitettiin NASAn Deep Space Food Challenge -haasteeseen, jossa se voitti vaiheen I. Deep Space Food Challenge on kansainvälinen kilpailu, jossa palkintoja jaetaan tiimeille, jotka luovat uusia ja peliä mullistavia ruokateknologioita, jotka vaativat vain vähän panoksia ja maksimoivat turvallisen, ravitsevan ja maistuvan ruoan tuoton pitkiä avaruustehtäviä varten.

"Kuvittele jonakin päivänä jättiläisaluksia, jotka kasvattavat tomaattikasveja pimeässä ja Marsissa – kuinka paljon helpompaa se olisi tuleville marsilaisille?" sanoi toinen kirjoittaja Martha Orozco-Cardenas, UC Riverside Plant Transformation Research Centerin johtaja.