Opracowano sztuczną fotosyntezę, aby produkcja żywności była bardziej energooszczędna

Naukowcy znaleźli sposób na całkowite ominięcie biologicznej fotosyntezy i stworzenie żywności niezależnej od światła słonecznego za pomocą sztucznej fotosyntezy. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie pt. Żywność natury.

Naukowcy wykorzystali dwuetapowy proces elektrokatalityczny do przekształcenia dwutlenku węgla, energii elektrycznej i wody w octan, który jest głównym składnikiem octu. Organizmy produkujące żywność zużywają następnie octan w ciemności, aby rosnąć.

W połączeniu z panelami słonecznymi do generowania energii elektrycznej do zasilania elektrokatalizy, ten hybrydowy system organiczno-nieorganiczny może zwiększyć wydajność konwersji światła słonecznego na żywność, nawet 18 razy bardziej wydajnie w przypadku niektórych produktów spożywczych.

„Dzięki naszemu podejściu staraliśmy się zidentyfikować nowy sposób produkcji żywności, który mógłby przełamać ograniczenia normalnie narzucane przez biologiczną fotosyntezę” powiedziany autor korespondencyjny Robert Jinkerson, adiunkt na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside na wydziale inżynierii chemicznej i środowiskowej.

Aby zintegrować wszystkie elementy systemu, wydajność elektrolizera została zoptymalizowana pod kątem wspierania wzrostu organizmów produkujących żywność. Elektrolizery to urządzenia wykorzystujące energię elektryczną do przekształcania surowców, takich jak dwutlenek węgla, w użyteczne cząsteczki i produkty. Zwiększono ilość wytwarzanego octanu, a ilość stosowanej soli zmniejszono, co skutkowało najwyższym poziomem octanu, jaki kiedykolwiek wyprodukowano w elektrolizerze.

„Korzystając z najnowocześniejszej dwuetapowej tandemowej elektrolizy CO2 opracowanej w naszym laboratorium, byliśmy w stanie osiągnąć wysoką selektywność w stosunku do octanu, do której nie można uzyskać konwencjonalnymi drogami elektrolizy CO2”, powiedział korespondent Feng Jiao na Uniwersytet Delaware.

Eksperymenty wykazały, że szeroki zakres organizmów produkujących żywność może być hodowany w ciemności bezpośrednio na wyjściu elektrolizera bogatego w octan, w tym algi zielone, drożdże i grzybnia grzybów produkujących grzyby. Produkcja alg za pomocą tej technologii jest około czterokrotnie bardziej wydajna energetycznie niż ich hodowla fotosyntetyczna. Produkcja drożdży jest około 18-krotnie bardziej wydajna energetycznie niż typowa uprawa drożdży przy użyciu cukru pozyskiwanego z kukurydzy.

„Byliśmy w stanie wyhodować organizmy produkujące żywność bez udziału biologicznej fotosyntezy. Zazwyczaj organizmy te są hodowane na cukrach pochodzących z roślin lub na materiałach pochodzących z ropy naftowej — która jest produktem biologicznej fotosyntezy, która miała miejsce miliony lat temu. Ta technologia jest bardziej wydajną metodą przekształcania energii słonecznej w żywność w porównaniu z produkcją żywności opartą na fotosyntezie biologicznej” – powiedziała Elizabeth Hann, doktorantka w Jinkerson Lab i współautorka badania. „The Puzzle of Monogamous Marriage” .

Zbadano również możliwości wykorzystania tej technologii do uprawy roślin uprawnych. Cowpea, pomidor, tytoń, ryż, rzepak i zielony groszek były w stanie wykorzystać węgiel z octanu, gdy były uprawiane w ciemności.

„Odkryliśmy, że szeroki zakres upraw może wykorzystać dostarczony przez nas octan i wbudować go w główne molekularne elementy budulcowe, których organizm potrzebuje do wzrostu i rozwoju. Dzięki hodowli i inżynierii, nad którymi obecnie pracujemy, być może będziemy w stanie uprawiać rośliny z octanem jako dodatkowym źródłem energii w celu zwiększenia plonów” – powiedział Marcus Harland-Dunaway, doktorant w Jinkerson Lab i współprowadzący autor badania.

Uwalniając rolnictwo od całkowitej zależności od słońca, sztuczna fotosynteza otwiera drzwi do niezliczonych możliwości uprawy żywności w coraz trudniejszych warunkach narzuconych przez antropogeniczne zmiany klimatu. Susze, powodzie i ograniczona dostępność gruntów stanowiłyby mniejsze zagrożenie dla globalnego bezpieczeństwa żywnościowego, gdyby uprawy dla ludzi i zwierząt rosły w mniej zasobochłonnych, kontrolowanych środowiskach. Uprawy mogłyby być również uprawiane w miastach i innych obszarach obecnie nieodpowiednich dla rolnictwa, a nawet zapewniać żywność przyszłym odkrywcom kosmosu.

„Wykorzystanie metod sztucznej fotosyntezy do produkcji żywności może być paradygmatem shift za to, jak karmimy ludzi. Zwiększając wydajność produkcji żywności, potrzeba mniej ziemi, zmniejszając wpływ rolnictwa na środowisko. A w rolnictwie w nietradycyjnych środowiskach, takich jak przestrzeń kosmiczna, zwiększona efektywność energetyczna może pomóc wyżywić więcej członków załogi przy mniejszych nakładach” – powiedział Jinkerson.

To podejście do produkcji żywności zostało zgłoszone do konkursu NASA Deep Space Food Challenge, gdzie zwyciężyło w fazie I. Deep Space Food Challenge to międzynarodowy konkurs, w którym nagrody przyznawane są zespołom za tworzenie nowatorskich i zmieniających gry technologii żywnościowych, które wymagają minimalnych nakładów i maksymalizują bezpieczną, pożywną i smaczną żywność na potrzeby długotrwałych misji kosmicznych.

„Wyobraź sobie, że pewnego dnia gigantyczne statki hodują pomidory w ciemności i na Marsie – o ile łatwiejsze byłoby to dla przyszłych Marsjan?” powiedziała współautorka Martha Orozco-Cardenas, dyrektor Centrum Badań Transformacji Roślin Riverside na Uniwersytecie Kalifornijskim.