Kunstmatige fotosynthese ontwikkeld om de voedselproductie energiezuiniger te maken

Onderzoekers hebben een manier gevonden om de behoefte aan biologische fotosynthese helemaal te omzeilen en voedsel onafhankelijk van zonlicht te creëren door kunstmatige fotosynthese te gebruiken. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift, Natuur Voedsel.

Onderzoekers gebruikten een tweestaps elektrokatalytisch proces om koolstofdioxide, elektriciteit en water om te zetten in acetaat, de vorm van het hoofdbestanddeel van azijn. Voedselproducerende organismen consumeren vervolgens acetaat in het donker om te groeien.

Gecombineerd met zonnepanelen om de elektriciteit op te wekken om de elektrokatalyse aan te drijven, zou dit hybride organisch-anorganische systeem de conversie-efficiëntie van zonlicht in voedsel kunnen verhogen, tot 18 keer efficiënter voor sommige voedingsmiddelen.

"Met onze aanpak probeerden we een nieuwe manier te vinden om voedsel te produceren die de grenzen zou kunnen doorbreken die normaal worden opgelegd door biologische fotosynthese," zei overeenkomstige auteur Robert Jinkerson, een UC Riverside assistent-professor in chemische en milieutechniek.

Om alle componenten van het systeem met elkaar te integreren, werd de output van de elektrolyser geoptimaliseerd om de groei van voedselproducerende organismen te ondersteunen. Electrolysers zijn apparaten die elektriciteit gebruiken om grondstoffen zoals koolstofdioxide om te zetten in bruikbare moleculen en producten. De hoeveelheid geproduceerd acetaat werd verhoogd terwijl de gebruikte hoeveelheid zout werd verlaagd, wat resulteerde in de hoogste niveaus van acetaat ooit geproduceerd in een elektrolyser tot nu toe.

"Met behulp van een state-of-the-art tweestaps tandem-CO2-elektrolyse-opstelling die in ons laboratorium is ontwikkeld, waren we in staat om een ​​hoge selectiviteit voor acetaat te bereiken die niet toegankelijk is via conventionele CO2-elektrolyseroutes", zei corresponderende auteur Feng Jiao op de Universiteit van Delaware.

Experimenten toonden aan dat een breed scala aan voedselproducerende organismen in het donker direct op de acetaatrijke elektrolyseroutput kan worden gekweekt, waaronder groene algen, gist en schimmelmycelium dat paddenstoelen produceert. Het produceren van algen met deze technologie is ongeveer vier keer energiezuiniger dan het fotosynthetisch telen. Gistproductie is ongeveer 18 keer energie-efficiënter dan hoe het gewoonlijk wordt verbouwd met suiker gewonnen uit maïs.

“We waren in staat om voedselproducerende organismen te laten groeien zonder enige bijdrage van biologische fotosynthese. Meestal worden deze organismen gekweekt op suikers die zijn afgeleid van planten of inputs die zijn afgeleid van aardolie - een product van biologische fotosynthese die miljoenen jaren geleden plaatsvond. Deze technologie is een efficiëntere methode om zonne-energie om te zetten in voedsel, in vergelijking met voedselproductie die afhankelijk is van biologische fotosynthese”, zegt Elizabeth Hann, een promovendus in het Jinkerson Lab en co-hoofdauteur van de studies.

Het potentieel voor het gebruik van deze technologie om gewassen te kweken werd ook onderzocht. Cowpea, tomaat, tabak, rijst, canola en groene erwt waren allemaal in staat om koolstof uit acetaat te gebruiken wanneer ze in het donker werden gekweekt.

"We ontdekten dat een breed scala aan gewassen het door ons geleverde acetaat zou kunnen gebruiken en het zou kunnen inbouwen tot de belangrijkste moleculaire bouwstenen die een organisme nodig heeft om te groeien en te bloeien. Met wat veredeling en engineering waar we momenteel aan werken, kunnen we misschien gewassen telen met acetaat als extra energiebron om de gewasopbrengst te verhogen, "zei Marcus Harland-Dunaway, een promovendus in het Jinkerson Lab en co-hoofdauteur van de studie.

Door de landbouw te bevrijden van volledige afhankelijkheid van de zon, opent kunstmatige fotosynthese de deur naar talloze mogelijkheden om voedsel te verbouwen onder de steeds moeilijker wordende omstandigheden die worden opgelegd door antropogene klimaatverandering. Droogte, overstromingen en verminderde beschikbaarheid van land zouden minder een bedreiging vormen voor de wereldwijde voedselzekerheid als gewassen voor mens en dier zouden groeien in minder hulpbronnenintensieve, gecontroleerde omgevingen. Gewassen kunnen ook worden verbouwd in steden en andere gebieden die momenteel ongeschikt zijn voor landbouw, en zelfs voedsel leveren aan toekomstige ruimteverkenners.

"Het gebruik van kunstmatige fotosynthesebenaderingen om voedsel te produceren zou een paradigma kunnen zijn shift voor hoe we mensen voeden. Door de efficiëntie van de voedselproductie te verhogen, is er minder land nodig, waardoor de impact van de landbouw op het milieu afneemt. En voor landbouw in niet-traditionele omgevingen, zoals de ruimte, zou de verhoogde energie-efficiëntie kunnen helpen om meer bemanningsleden te voeden met minder inputs, "zei Jinkerson.

Deze benadering van voedselproductie werd ingediend bij NASA's Deep Space Food Challenge, waar het een fase I-winnaar was. De Deep Space Food Challenge is een internationale wedstrijd waarbij prijzen worden toegekend aan teams die nieuwe en baanbrekende voedseltechnologieën creëren die minimale input vereisen en veilige, voedzame en smakelijke voedseloutput maximaliseren voor langdurige ruimtemissies.

"Stel je voor dat ooit gigantische schepen tomatenplanten in het donker en op Mars zouden laten groeien - hoeveel gemakkelijker zou dat zijn voor toekomstige marsmannetjes?" zei co-auteur Martha Orozco-Cardenas, directeur van het UC Riverside Plant Transformation Research Center.