Fotosintesis Buatan Dikembangkan untuk Membantu Produksi Makanan Lebih Hemat Energi

Para peneliti telah menemukan cara untuk mengabaikan kebutuhan fotosintesis biologis sama sekali dan menciptakan makanan yang tidak bergantung pada sinar matahari dengan menggunakan fotosintesis buatan. Studi ini diterbitkan dalam jurnal, Makanan Alam.

Para peneliti menggunakan proses elektrokatalitik dua langkah untuk mengubah karbon dioksida, listrik, dan air menjadi asetat, bentuk komponen utama cuka. Organisme penghasil makanan kemudian mengkonsumsi asetat dalam gelap untuk tumbuh.

Dikombinasikan dengan panel surya untuk menghasilkan listrik untuk menyalakan elektrokatalisis, sistem organik-anorganik hibrida ini dapat meningkatkan efisiensi konversi sinar matahari menjadi makanan, hingga 18 kali lebih efisien untuk beberapa makanan.

“Dengan pendekatan kami, kami berusaha mengidentifikasi cara baru untuk memproduksi makanan yang dapat menembus batas yang biasanya ditentukan oleh fotosintesis biologis,” tersebut penulis korespondensi Robert Jinkerson, asisten profesor teknik kimia dan lingkungan UC Riverside.

Untuk mengintegrasikan semua komponen sistem bersama-sama, keluaran elektroliser dioptimalkan untuk mendukung pertumbuhan organisme penghasil makanan. Elektroliser adalah perangkat yang menggunakan listrik untuk mengubah bahan mentah seperti karbon dioksida menjadi molekul dan produk yang berguna. Jumlah asetat yang dihasilkan meningkat sementara jumlah garam yang digunakan berkurang, menghasilkan tingkat asetat tertinggi yang pernah diproduksi dalam elektroliser hingga saat ini.

“Menggunakan pengaturan elektrolisis CO2 tandem dua langkah canggih yang dikembangkan di laboratorium kami, kami dapat mencapai selektivitas tinggi terhadap asetat yang tidak dapat diakses melalui rute elektrolisis CO2 konvensional,” kata penulis koresponden Feng Jiao di Universitas Delaware.

Eksperimen menunjukkan bahwa berbagai organisme penghasil makanan dapat tumbuh dalam gelap secara langsung pada keluaran elektroliser yang kaya asetat, termasuk ganggang hijau, ragi, dan miselium jamur yang menghasilkan jamur. Memproduksi alga dengan teknologi ini kira-kira empat kali lipat lebih hemat energi daripada menumbuhkannya secara fotosintesis. Produksi ragi sekitar 18 kali lipat lebih hemat energi daripada cara yang biasanya dibudidayakan menggunakan gula yang diekstraksi dari jagung.

“Kami mampu menumbuhkan organisme penghasil makanan tanpa kontribusi apa pun dari fotosintesis biologis. Biasanya, organisme ini dibudidayakan pada gula yang berasal dari tanaman atau input yang berasal dari minyak bumi — yang merupakan produk fotosintesis biologis yang terjadi jutaan tahun yang lalu. Teknologi ini merupakan metode yang lebih efisien untuk mengubah energi matahari menjadi makanan, dibandingkan dengan produksi makanan yang bergantung pada fotosintesis biologis,” kata Elizabeth Hann, kandidat doktor di Jinkerson Lab dan salah satu penulis utama jurnal tersebut. belajar.

Potensi untuk menggunakan teknologi ini untuk menumbuhkan tanaman pangan juga diselidiki. Kacang tunggak, tomat, tembakau, beras, kanola, dan kacang hijau semuanya mampu memanfaatkan karbon dari asetat ketika dibudidayakan dalam gelap.

“Kami menemukan bahwa berbagai tanaman dapat mengambil asetat yang kami sediakan dan membangunnya menjadi blok pembangun molekul utama yang dibutuhkan organisme untuk tumbuh dan berkembang. Dengan beberapa pemuliaan dan rekayasa yang sedang kami kerjakan, kami mungkin dapat menanam tanaman dengan asetat sebagai sumber energi tambahan untuk meningkatkan hasil panen,” kata Marcus Harland-Dunaway, kandidat doktor di Lab Jinkerson dan penulis pendamping pembelajaran.

Dengan membebaskan pertanian dari ketergantungan penuh pada matahari, fotosintesis buatan membuka pintu bagi kemungkinan tak terhitung untuk menanam makanan di bawah kondisi yang semakin sulit yang disebabkan oleh perubahan iklim antropogenik. Kekeringan, banjir, dan berkurangnya ketersediaan lahan tidak akan menjadi ancaman bagi ketahanan pangan global jika tanaman untuk manusia dan hewan tumbuh di lingkungan yang kurang intensif sumber daya dan terkendali. Tanaman juga bisa ditanam di kota dan daerah lain yang saat ini tidak cocok untuk pertanian, dan bahkan menyediakan makanan untuk penjelajah ruang angkasa di masa depan.

“Menggunakan pendekatan fotosintesis buatan untuk menghasilkan makanan bisa menjadi paradigma shift untuk bagaimana kita memberi makan orang. Dengan meningkatkan efisiensi produksi pangan, lebih sedikit lahan yang dibutuhkan, mengurangi dampak pertanian terhadap lingkungan. Dan untuk pertanian di lingkungan non-tradisional, seperti luar angkasa, peningkatan efisiensi energi dapat membantu memberi makan lebih banyak anggota kru dengan input yang lebih sedikit, ”kata Jinkerson.

Pendekatan produksi makanan ini diajukan ke NASA's Deep Space Food Challenge di mana itu adalah pemenang Tahap I. Deep Space Food Challenge adalah kompetisi internasional di mana hadiah diberikan kepada tim untuk menciptakan teknologi makanan baru dan mengubah permainan yang membutuhkan input minimal dan memaksimalkan output makanan yang aman, bergizi, dan enak untuk misi luar angkasa berdurasi panjang.

“Bayangkan suatu hari nanti kapal raksasa menanam tanaman tomat dalam kegelapan dan di Mars—seberapa jauh lebih mudah bagi orang Mars di masa depan?” kata rekan penulis Martha Orozco-Cardenas, direktur UC Riverside Plant Transformation Research Center.