Umetna fotosinteza, razvita, da bi bila proizvodnja hrane energetsko učinkovitejša

Raziskovalci so našli način, kako v celoti zaobiti potrebo po biološki fotosintezi in z uporabo umetne fotosinteze ustvariti hrano, neodvisno od sončne svetlobe. Študija je bila objavljena v reviji, Naravna hrana.

Raziskovalci so uporabili dvostopenjski elektrokatalitski proces za pretvorbo ogljikovega dioksida, elektrike in vode v acetat, obliko glavne sestavine kisa. Organizmi, ki proizvajajo hrano, nato v temi porabijo acetat za rast.

V kombinaciji s sončnimi kolektorji za proizvodnjo električne energije za napajanje elektrokatalize bi lahko ta hibridni organsko-anorganski sistem povečal učinkovitost pretvorbe sončne svetlobe v hrano, do 18-krat bolj učinkovito za nekatera živila.

"Z našim pristopom smo poskušali identificirati nov način proizvodnje hrane, ki bi lahko presegel meje, ki jih običajno postavlja biološka fotosinteza," je dejal ustrezni avtor Robert Jinkerson, docent za kemijsko in okoljsko inženirstvo UC Riverside.

Da bi združili vse komponente sistema skupaj, je bila proizvodnja elektrolizatorja optimizirana za podporo rasti organizmov, ki proizvajajo hrano. Elektrolizerji so naprave, ki uporabljajo elektriko za pretvorbo surovin, kot je ogljikov dioksid, v uporabne molekule in izdelke. Količina proizvedenega acetata se je povečala, medtem ko se je količina uporabljene soli zmanjšala, kar je povzročilo najvišjo raven acetata, ki je bila kadar koli proizvedena v elektrolizerju do danes.

"Z najsodobnejšo dvostopenjsko tandemsko elektrolizo CO2, razvito v našem laboratoriju, smo lahko dosegli visoko selektivnost za acetat, do katerega ni mogoče dostopati po običajnih poteh elektrolize CO2," je povedal ustrezni avtor Feng Jiao na Univerza v Delawareu.

Poskusi so pokazali, da je mogoče široko paleto organizmov za proizvodnjo hrane gojiti v temi neposredno na izhodu elektrolizatorja, bogatega z acetatom, vključno z zelenimi algami, kvasom in micelijem gliv, ki proizvajajo gobe. Pridelava alg s to tehnologijo je približno štirikrat bolj energetsko učinkovita kot pridelava s fotosintezo. Proizvodnja kvasovk je približno 18-krat bolj energetsko učinkovita kot običajna pridelava s sladkorjem, pridobljenim iz koruze.

»Uspeli smo gojiti organizme za proizvodnjo hrane brez kakršnih koli prispevkov biološke fotosinteze. Običajno se ti organizmi gojijo na sladkorjih, pridobljenih iz rastlin ali vnosih, pridobljenih iz nafte - ki je produkt biološke fotosinteze, ki je potekala pred milijoni let. Ta tehnologija je učinkovitejša metoda pretvarjanja sončne energije v hrano v primerjavi s proizvodnjo hrane, ki temelji na biološki fotosintezi,« je povedala Elizabeth Hann, doktorska kandidatka v laboratoriju Jinkerson in soglavna avtorica študija.

Raziskan je bil tudi potencial za uporabo te tehnologije za gojenje poljščin. Crni grah, paradižnik, tobak, riž, oljna repica in zeleni grah so lahko izkoristili ogljik iz acetata, ko so jih gojili v temi.

»Ugotovili smo, da lahko široka paleta poljščin vzame acetat, ki smo ga zagotovili, in ga vgradi v glavne molekularne gradnike, ki jih organizem potrebuje za rast in uspevanje. Z nekaj žlahtnjenja in inženiringa, na katerem trenutno delamo, bi morda lahko gojili pridelke z acetatom kot dodatnim virom energije za povečanje pridelka,« je povedal Marcus Harland-Dunaway, doktorski kandidat v laboratoriju Jinkerson in so-avtor knjige študij.

Z osvoboditvijo kmetijstva popolne odvisnosti od sonca umetna fotosinteza odpira vrata neštetim možnostim za pridelavo hrane v vse težjih razmerah, ki jih povzročajo antropogene podnebne spremembe. Suša, poplave in zmanjšana razpoložljivost zemljišč bi manj ogrožali globalno varnost preskrbe s hrano, če bi pridelki za ljudi in živali rasli v nadzorovanih okoljih, ki zahtevajo manj virov. Pridelke bi lahko gojili tudi v mestih in na drugih območjih, ki trenutno niso primerna za kmetijstvo, in celo zagotavljali hrano za bodoče raziskovalce vesolja.

»Uporaba pristopov umetne fotosinteze za proizvodnjo hrane bi lahko bila paradigma shift za to, kako hranimo ljudi. S povečanjem učinkovitosti pridelave hrane je potrebno manj zemlje, s čimer se zmanjša vpliv kmetijstva na okolje. In za kmetijstvo v netradicionalnih okoljih, kot je vesolje, bi povečana energetska učinkovitost lahko pomagala nahraniti več članov posadke z manj vložki,« je dejal Jinkerson.

Ta pristop k proizvodnji hrane je bil predložen NASA-inemu izzivu Deep Space Food Challenge, kjer je bil zmagovalec prve faze. Deep Space Food Challenge je mednarodno tekmovanje, kjer se nagrade podeljujejo ekipam za ustvarjanje novih in spreminjajočih se prehrambenih tehnologij, ki zahtevajo minimalne vložke in povečajo varno, hranljivo in okusno hrano za dolgotrajne vesoljske misije.

"Predstavljajte si, da bodo nekega dne velikanska plovila gojila paradižnik v temi in na Marsu – koliko lažje bi bilo to za prihodnje Marsovce?" je dejala soavtorica Martha Orozco-Cardenas, direktorica raziskovalnega centra za transformacijo rastlin UC Riverside.