การสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์ที่พัฒนาขึ้นเพื่อช่วยให้การผลิตอาหารมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้น

นักวิจัยได้ค้นพบวิธีหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพ และสร้างอาหารที่ไม่ขึ้นกับแสงแดดโดยใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงสังเคราะห์ การศึกษาถูกตีพิมพ์ในวารสาร อาหารธรรมชาติ.

นักวิจัยใช้กระบวนการอิเล็กโทรแคตาไลติกสองขั้นตอนในการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ ไฟฟ้า และน้ำให้เป็นอะซิเตท ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของน้ำส้มสายชู สิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารจะใช้อะซิเตทในความมืดเพื่อเติบโต

เมื่อรวมกับแผงโซลาร์เซลล์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อใช้เป็นพลังงานในการเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า ระบบอินทรีย์-อนินทรีย์แบบไฮบริดนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงแสงแดดเป็นอาหารได้ มีประสิทธิภาพมากขึ้นถึง 18 เท่าสำหรับอาหารบางชนิด

“ด้วยแนวทางของเรา เราพยายามค้นหาวิธีใหม่ในการผลิตอาหารที่สามารถทะลุขีดจำกัดที่ปกติกำหนดโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพ” กล่าวว่า ผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง Robert Jinkerson ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและสิ่งแวดล้อมของ UC Riverside

เพื่อรวมส่วนประกอบทั้งหมดของระบบเข้าด้วยกัน เอาต์พุตของอิเล็กโทรไลเซอร์ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อรองรับการเติบโตของสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหาร อิเล็กโทรไลเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้าในการแปลงวัตถุดิบ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ให้เป็นโมเลกุลและผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ ปริมาณอะซิเตทที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นในขณะที่ปริมาณเกลือที่ใช้ลดลง ส่งผลให้มีอะซิเตตในระดับสูงสุดเท่าที่เคยผลิตในอิเล็กโทรไลเซอร์จนถึงปัจจุบัน

Feng Jiao ผู้เขียนที่เกี่ยวข้องกล่าวว่า "การใช้การตั้งค่าอิเล็กโทรลิซิส CO2 ควบคู่สองขั้นตอนที่ทันสมัยซึ่งพัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการของเรา ทำให้เราสามารถเลือกใช้อะซิเตทในระดับสูง ซึ่งไม่สามารถเข้าถึงได้ผ่านเส้นทางอิเล็กโทรลิซิส CO2 แบบเดิม" มหาวิทยาลัยเดลาแวร์.

การทดลองแสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารได้หลายชนิดสามารถเจริญเติบโตได้โดยตรงในที่มืดด้วยอิเล็กโทรไลเซอร์ที่อุดมด้วยอะซิเตท รวมถึงสาหร่ายสีเขียว ยีสต์ และไมซีเลียมจากเชื้อราที่ผลิตเห็ด การผลิตสาหร่ายด้วยเทคโนโลยีนี้ประหยัดพลังงานมากกว่าการสังเคราะห์แสงประมาณสี่เท่า การผลิตยีสต์ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการปลูกโดยใช้น้ำตาลที่สกัดจากข้าวโพดประมาณ 18 เท่า

“เราสามารถเติบโตสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารได้โดยไม่ต้องใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพ โดยปกติ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ได้รับการปลูกฝังจากน้ำตาลที่ได้จากพืชหรือปัจจัยการผลิตที่ได้จากปิโตรเลียม ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพที่เกิดขึ้นเมื่อหลายล้านปีก่อน เทคโนโลยีนี้เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นอาหาร เมื่อเทียบกับการผลิตอาหารที่ต้องอาศัยการสังเคราะห์ด้วยแสงทางชีวภาพ” Elizabeth Hann ผู้สมัครระดับปริญญาเอกใน Jinkerson Lab และผู้เขียนร่วมของ ศึกษา.

นอกจากนี้ยังมีการตรวจสอบศักยภาพในการใช้เทคโนโลยีนี้ในการปลูกพืชผล ถั่วคาว มะเขือเทศ ยาสูบ ข้าว คาโนลา และถั่วลันเตา ล้วนสามารถใช้คาร์บอนจากอะซิเตทได้เมื่อปลูกในที่มืด

“เราพบว่าพืชผลหลายชนิดสามารถนำอะซิเตทที่เราจัดหาให้มาสร้างเป็นโครงสร้างโมเลกุลหลักที่สิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องเติบโตและเจริญเติบโตได้ Marcus Harland-Dunaway ผู้สมัครระดับปริญญาเอกใน Jinkerson Lab และผู้เขียนร่วมของ Jinkerson Lab กล่าวว่าด้วยการปรับปรุงพันธุ์และวิศวกรรมที่เรากำลังดำเนินการอยู่ เราอาจปลูกพืชผลโดยใช้อะซิเตทเป็นแหล่งพลังงานพิเศษเพื่อเพิ่มผลผลิตพืชผลได้ การเรียน.

โดยการปลดปล่อยการเกษตรจากการพึ่งพาอาศัยแสงแดดโดยสิ้นเชิง การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมเปิดประตูสู่ความเป็นไปได้นับไม่ถ้วนสำหรับการปลูกอาหารภายใต้สภาวะที่ยากขึ้นเรื่อยๆ ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของมนุษย์ ความแห้งแล้ง น้ำท่วม และที่ดินที่ลดลงจะเป็นภัยคุกคามต่อความมั่นคงด้านอาหารของโลกน้อยลง หากพืชผลสำหรับมนุษย์และสัตว์เติบโตในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมและใช้ทรัพยากรน้อยลง พืชผลสามารถปลูกได้ในเมืองและพื้นที่อื่น ๆ ที่ปัจจุบันไม่เหมาะสำหรับการเกษตร และยังจัดหาอาหารสำหรับนักสำรวจอวกาศในอนาคต

“การใช้วิธีการสังเคราะห์แสงเพื่อผลิตอาหารอาจเป็นกระบวนทัศน์ shift สำหรับวิธีที่เราเลี้ยงคน การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตอาหารทำให้ต้องใช้ที่ดินน้อยลง ลดผลกระทบที่การเกษตรมีต่อสิ่งแวดล้อม และสำหรับการเกษตรในสภาพแวดล้อมที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิม เช่น อวกาศ ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นสามารถช่วยเลี้ยงลูกเรือได้มากขึ้นด้วยปัจจัยการผลิตน้อยลง” จินเคอร์สันกล่าว

แนวทางการผลิตอาหารนี้ถูกส่งไปยัง Deep Space Food Challenge ของ NASA ซึ่งเป็นผู้ชนะระยะที่ XNUMX Deep Space Food Challenge เป็นการแข่งขันระดับนานาชาติที่มอบรางวัลให้กับทีมต่างๆ ในการสร้างเทคโนโลยีอาหารที่แปลกใหม่และพลิกโฉมเกม ซึ่งต้องการปัจจัยการผลิตน้อยที่สุดและเพิ่มผลผลิตอาหารที่ปลอดภัย มีคุณค่าทางโภชนาการ และน่ารับประทานสำหรับภารกิจอวกาศระยะยาว

“ลองนึกภาพว่าสักวันหนึ่งเรือขนาดยักษ์ที่ปลูกมะเขือเทศในที่มืดและบนดาวอังคาร มันจะง่ายแค่ไหนสำหรับชาวอังคารในอนาคต” ผู้ร่วมเขียน Martha Orozco-Cardenas ผู้อำนวยการศูนย์วิจัยการเปลี่ยนแปลงพืช UC Riverside กล่าว