Umelá fotosyntéza vyvinutá na to, aby bola výroba potravín energeticky efektívnejšia

Výskumníci našli spôsob, ako úplne obísť potrebu biologickej fotosyntézy a pomocou umelej fotosyntézy vytvoriť jedlo nezávislé od slnečného žiarenia. Štúdia bola publikovaná v časopise, Prírodné jedlo.

Výskumníci použili dvojstupňový elektrokatalytický proces na premenu oxidu uhličitého, elektriny a vody na acetát, formu hlavnej zložky octu. Organizmy produkujúce potraviny potom konzumujú acetát v tme, aby rástli.

V kombinácii so solárnymi panelmi na výrobu elektriny na napájanie elektrokatalýzy by tento hybridný organicko-anorganický systém mohol zvýšiť účinnosť premeny slnečného žiarenia na potraviny, čo je pre niektoré potraviny až 18-krát účinnejšie.

„S naším prístupom sme sa snažili identifikovať nový spôsob výroby potravín, ktorý by mohol prelomiť limity, ktoré bežne ukladá biologická fotosyntéza,“ povedal zodpovedajúci autor Robert Jinkerson, odborný asistent chemického a environmentálneho inžinierstva na UC Riverside.

S cieľom integrovať všetky komponenty systému dohromady bol výstup elektrolyzéra optimalizovaný na podporu rastu organizmov produkujúcich potraviny. Elektrolyzéry sú zariadenia, ktoré využívajú elektrickú energiu na premenu surovín, ako je oxid uhličitý, na užitočné molekuly a produkty. Množstvo vyrobeného acetátu sa zvýšilo, zatiaľ čo množstvo použitej soli sa znížilo, čo viedlo k najvyšším hladinám acetátu, aké sa kedy v elektrolyzéri doteraz vyrobili.

„Pomocou najmodernejšieho dvojstupňového tandemového nastavenia elektrolýzy CO2 vyvinutého v našom laboratóriu sme boli schopní dosiahnuť vysokú selektivitu voči acetátu, ku ktorému nie je možné pristupovať prostredníctvom konvenčných ciest elektrolýzy CO2,“ povedal zodpovedajúci autor Feng Jiao Univerzita v Delaware.

Experimenty ukázali, že v tme priamo na výstupe elektrolyzéra bohatého na acetáty možno pestovať širokú škálu organizmov produkujúcich potraviny, vrátane zelených rias, kvasiniek a mycélia húb, ktoré produkujú huby. Produkcia rias touto technológiou je približne štyrikrát energeticky efektívnejšia ako ich pestovanie fotosynteticky. Produkcia kvasníc je asi 18-krát energeticky efektívnejšia, než ako sa zvyčajne pestuje s použitím cukru extrahovaného z kukurice.

„Podarilo sa nám pestovať organizmy produkujúce potraviny bez akéhokoľvek príspevku biologickej fotosyntézy. Typicky sa tieto organizmy kultivujú na cukroch získaných z rastlín alebo na vstupoch získaných z ropy - čo je produkt biologickej fotosyntézy, ktorá sa uskutočnila pred miliónmi rokov. Táto technológia je efektívnejšou metódou premeny slnečnej energie na jedlo v porovnaní s výrobou potravín, ktorá sa spolieha na biologickú fotosyntézu,“ povedala Elizabeth Hann, doktorandka v laboratóriu Jinkerson Lab a spoluautorka štúdie. študovať.

Skúmal sa aj potenciál využitia tejto technológie na pestovanie plodín. Cowpea, paradajka, tabak, ryža, repka a zelený hrášok boli všetky schopné využiť uhlík z acetátu, keď sa kultivovali v tme.

„Zistili sme, že široká škála plodín môže prijať acetát, ktorý sme poskytli, a zabudovať ho do hlavných molekulárnych stavebných blokov, ktoré organizmus potrebuje na rast a prosperitu. S určitým šľachtením a inžinierstvom, na ktorom v súčasnosti pracujeme, by sme mohli byť schopní pestovať plodiny s acetátom ako dodatočným zdrojom energie na zvýšenie výnosov plodín,“ povedal Marcus Harland-Dunaway, doktorand v Jinkerson Lab a spoluautor knihy. štúdium.

Tým, že umelá fotosyntéza oslobodzuje poľnohospodárstvo od úplnej závislosti od slnka, otvára dvere nespočetným možnostiam pestovania potravín v čoraz náročnejších podmienkach, ktoré si vyžaduje antropogénna zmena klímy. Sucho, záplavy a znížená dostupnosť pôdy by boli menšou hrozbou pre globálnu potravinovú bezpečnosť, ak by plodiny pre ľudí a zvieratá rástli v menej náročnom kontrolovanom prostredí. Plodiny by sa mohli pestovať aj v mestách a iných oblastiach, ktoré sú v súčasnosti nevhodné pre poľnohospodárstvo, a dokonca by mohli poskytnúť potravu pre budúcich vesmírnych prieskumníkov.

„Použitie prístupov umelej fotosyntézy na výrobu potravín by mohlo byť paradigmou shift za to, ako živíme ľudí. Zvyšovaním efektívnosti výroby potravín je potrebných menej pôdy, čím sa znižuje vplyv poľnohospodárstva na životné prostredie. A pre poľnohospodárstvo v netradičných prostrediach, ako je vesmír, by zvýšená energetická účinnosť mohla pomôcť nasýtiť viac členov posádky s menšími vstupmi,“ povedal Jinkerson.

Tento prístup k výrobe potravín bol predložený NASA Deep Space Food Challenge, kde sa stal víťazom fázy I. Deep Space Food Challenge je medzinárodná súťaž, kde sa ceny udeľujú tímom za vytvorenie nových a prevratných potravinárskych technológií, ktoré vyžadujú minimálne vstupy a maximalizujú bezpečné, výživné a chutné potravinové výstupy pre dlhodobé vesmírne misie.

„Predstavte si, že jedného dňa budú obrovské plavidlá pestovať rastliny paradajok v tme a na Marse – o čo jednoduchšie by to bolo pre budúcich Marťanov? povedala spoluautorka Martha Orozco-Cardenas, riaditeľka výskumného centra transformácie rastlín UC Riverside.