Разработан искусственный фотосинтез, чтобы помочь сделать производство продуктов питания более энергоэффективным

Исследователи нашли способ полностью обойти потребность в биологическом фотосинтезе и создать пищу, независимую от солнечного света, с помощью искусственного фотосинтеза. Исследование было опубликовано в журнале, Природа Еда.

Исследователи использовали двухэтапный электрокаталитический процесс для преобразования углекислого газа, электричества и воды в ацетат, форму основного компонента уксуса. Организмы, производящие пищу, затем потребляют ацетат в темноте, чтобы расти.

В сочетании с солнечными панелями для выработки электроэнергии для питания электрокатализа эта гибридная органо-неорганическая система может повысить эффективность преобразования солнечного света в пищу, до 18 раз более эффективно для некоторых продуктов.

«Используя наш подход, мы стремились определить новый способ производства пищи, который мог бы преодолеть ограничения, обычно налагаемые биологическим фотосинтезом», — сказал автор-корреспондент Роберт Джинкерсон, доцент кафедры химической и экологической инженерии Калифорнийского университета в Риверсайде.

Чтобы объединить все компоненты системы вместе, мощность электролизера была оптимизирована для поддержки роста пищевых организмов. Электролизеры — это устройства, которые используют электричество для преобразования сырья, такого как углекислый газ, в полезные молекулы и продукты. Количество производимого ацетата было увеличено, а количество используемой соли уменьшено, что привело к самым высоким уровням ацетата, когда-либо произведенным в электролизере на сегодняшний день.

«Используя современную двухступенчатую тандемную установку для электролиза CO2, разработанную в нашей лаборатории, мы смогли добиться высокой селективности по отношению к ацетату, который не может быть получен с помощью традиционных способов электролиза CO2», — сказал соответствующий автор Фэн Цзяо на конференции. Делавэрский университет.

Эксперименты показали, что широкий спектр пищевых организмов можно выращивать в темноте прямо на выходе электролизера, богатом ацетатом, включая зеленые водоросли, дрожжи и грибковый мицелий, из которых образуются грибы. Производство водорослей с помощью этой технологии примерно в четыре раза более энергоэффективно, чем выращивание их фотосинтезом. Производство дрожжей примерно в 18 раз более энергоэффективно, чем обычное выращивание с использованием сахара, извлеченного из кукурузы.

«Мы смогли выращивать организмы, производящие пищу, без участия биологического фотосинтеза. Как правило, эти организмы культивируются на сахаре, полученном из растений, или на сырье, полученном из нефти, которая является продуктом биологического фотосинтеза, имевшего место миллионы лет назад. Эта технология является более эффективным методом превращения солнечной энергии в продукты питания по сравнению с производством продуктов питания, основанным на биологическом фотосинтезе», — сказала Элизабет Ханн, докторант лаборатории Джинкерсона и соавтор исследования. Исследование.

Также был изучен потенциал использования этой технологии для выращивания сельскохозяйственных культур. Вигна, помидоры, табак, рис, рапс и зеленый горошек способны утилизировать углерод из ацетата при выращивании в темноте.

«Мы обнаружили, что широкий спектр сельскохозяйственных культур может использовать предоставленный нами ацетат и превращать его в основные молекулярные строительные блоки, необходимые организму для роста и процветания. С некоторыми методами селекции и инженерии, над которыми мы в настоящее время работаем, мы могли бы выращивать культуры с ацетатом в качестве дополнительного источника энергии для повышения урожайности», — сказал Маркус Харланд-Дунауэй, докторант лаборатории Джинкерсона и соавтор исследования. изучение.

Освобождая сельское хозяйство от полной зависимости от солнца, искусственный фотосинтез открывает дверь к бесчисленным возможностям выращивания продуктов питания во все более сложных условиях, обусловленных антропогенным изменением климата. Засухи, наводнения и сокращение доступности земли были бы меньшей угрозой для глобальной продовольственной безопасности, если бы сельскохозяйственные культуры для людей и животных выращивались в менее ресурсоемкой контролируемой среде. Урожай также можно было бы выращивать в городах и других районах, в настоящее время непригодных для сельского хозяйства, и даже обеспечить продовольствием будущих исследователей космоса.

«Использование методов искусственного фотосинтеза для производства продуктов питания может стать парадигмой shift за то, как мы кормим людей. За счет повышения эффективности производства продуктов питания требуется меньше земли, что снижает воздействие сельского хозяйства на окружающую среду. А для сельского хозяйства в нетрадиционных условиях, таких как космос, повышенная энергоэффективность может помочь накормить больше членов экипажа с меньшими затратами», — сказал Джинкерсон.

Этот подход к производству продуктов питания был представлен НАСА в конкурсе Deep Space Food Challenge, где он стал победителем фазы I. Deep Space Food Challenge — это международное соревнование, в котором призы присуждаются командам за создание новых и революционных пищевых технологий, требующих минимальных затрат и обеспечивающих максимальный выход безопасных, питательных и вкусных продуктов для длительных космических миссий.

«Представьте, что когда-нибудь гигантские корабли будут выращивать томаты в темноте и на Марсе — насколько это будет проще для будущих марсиан?» сказала соавтор Марта Ороско-Карденас, директор Исследовательского центра трансформации растений Калифорнийского университета в Риверсайде.