Ang Artipisyal na Photosynthesis ay Binuo upang Tumulong na Gawing Mas Matipid sa Enerhiya ang Produksyon ng Pagkain

Ang mga mananaliksik ay nakahanap ng isang paraan upang laktawan ang pangangailangan para sa biological photosynthesis sa kabuuan at lumikha ng pagkain na hiwalay sa sikat ng araw sa pamamagitan ng paggamit ng artipisyal na photosynthesis. Ang pag-aaral ay nai-publish sa journal, Pagkain ng Kalikasan.

Gumamit ang mga mananaliksik ng dalawang-hakbang na proseso ng electrocatalytic upang i-convert ang carbon dioxide, kuryente, at tubig sa acetate, ang anyo ng pangunahing bahagi ng suka. Ang mga organismo na gumagawa ng pagkain ay kumonsumo ng acetate sa dilim upang lumaki.

Kasama ng mga solar panel upang makabuo ng kuryente para mapagana ang electrocatalysis, ang hybrid na organic-inorganic na system na ito ay maaaring pataasin ang conversion efficiency ng sikat ng araw sa pagkain, hanggang 18 beses na mas mahusay para sa ilang pagkain.

"Sa aming diskarte, hinahangad naming tukuyin ang isang bagong paraan ng paggawa ng pagkain na maaaring lumampas sa mga limitasyon na karaniwang ipinapataw ng biological photosynthesis," sinabi kaukulang may-akda na si Robert Jinkerson, isang UC Riverside assistant professor ng kemikal at environmental engineering.

Upang pagsamahin ang lahat ng mga bahagi ng system, ang output ng electrolyser ay na-optimize upang suportahan ang paglaki ng mga organismo na gumagawa ng pagkain. Ang mga electrolysers ay mga device na gumagamit ng kuryente upang i-convert ang mga hilaw na materyales tulad ng carbon dioxide sa mga kapaki-pakinabang na molekula at produkto. Ang dami ng acetate na ginawa ay nadagdagan habang ang dami ng asin na ginamit ay nabawasan, na nagreresulta sa pinakamataas na antas ng acetate na ginawa sa isang electrolyser hanggang sa kasalukuyan.

"Gamit ang isang makabagong two-step tandem CO2 electrolysis setup na binuo sa aming laboratoryo, nakamit namin ang mataas na selectivity patungo sa acetate na hindi ma-access sa pamamagitan ng conventional CO2 electrolysis route," sabi ng kaukulang may-akda na si Feng Jiao sa the Unibersidad ng Delaware.

Ipinakita ng mga eksperimento na ang isang malawak na hanay ng mga organismo na gumagawa ng pagkain ay maaaring lumaki sa dilim nang direkta sa output ng electrolyser na mayaman sa acetate, kabilang ang berdeng algae, yeast, at fungal mycelium na gumagawa ng mga mushroom. Ang paggawa ng algae gamit ang teknolohiyang ito ay humigit-kumulang apat na beses na mas matipid sa enerhiya kaysa sa pagpapalaki nito sa photosynthetically. Ang paggawa ng lebadura ay humigit-kumulang 18 beses na mas matipid sa enerhiya kaysa sa kung paano ito karaniwang nilinang gamit ang asukal na nakuha mula sa mais.

"Nagawa naming palaguin ang mga organismo na gumagawa ng pagkain nang walang anumang kontribusyon mula sa biological photosynthesis. Karaniwan, ang mga organismong ito ay nilinang sa mga asukal na nagmula sa mga halaman o mga input na nagmula sa petrolyo — na isang produkto ng biological photosynthesis na naganap milyun-milyong taon na ang nakalilipas. Ang teknolohiyang ito ay isang mas mahusay na paraan ng paggawa ng solar energy sa pagkain, kumpara sa produksyon ng pagkain na umaasa sa biological photosynthesis," sabi ni Elizabeth Hann, isang doktor na kandidato sa Jinkerson Lab at co-lead author ng pag-aralan.

Ang potensyal para sa paggamit ng teknolohiyang ito upang magtanim ng mga halaman ay sinisiyasat din. Ang cowpea, kamatis, tabako, bigas, canola, at berdeng gisantes ay lahat ay nakagamit ng carbon mula sa acetate kapag nilinang sa dilim.

"Nalaman namin na ang isang malawak na hanay ng mga pananim ay maaaring kumuha ng acetate na aming ibinigay at itayo ito sa mga pangunahing molekular na bloke ng gusali na kailangan ng isang organismo upang lumago at umunlad. Sa ilang pag-aanak at inhinyero na kasalukuyan naming pinagtatrabahuhan ay maaari kaming magtanim ng mga pananim na may acetate bilang dagdag na pinagkukunan ng enerhiya upang mapalakas ang mga ani ng pananim, "sabi ni Marcus Harland-Dunaway, isang kandidato ng doktor sa Jinkerson Lab at co-lead author ng ang pag-aaral.

Sa pamamagitan ng pagpapalaya sa agrikultura mula sa ganap na pag-asa sa araw, ang artipisyal na photosynthesis ay nagbubukas ng pinto sa hindi mabilang na mga posibilidad para sa pagpapalaki ng pagkain sa ilalim ng lalong mahirap na mga kondisyon na ipinataw ng anthropogenic na pagbabago ng klima. Ang tagtuyot, pagbaha, at pagbawas sa pagkakaroon ng lupa ay hindi gaanong banta sa pandaigdigang seguridad sa pagkain kung ang mga pananim para sa mga tao at hayop ay lumago sa hindi gaanong mapagkukunan-intensive, kontroladong mga kapaligiran. Ang mga pananim ay maaari ding palaguin sa mga lungsod at iba pang mga lugar na kasalukuyang hindi angkop para sa agrikultura, at kahit na magbigay ng pagkain para sa hinaharap na mga explorer sa kalawakan.

"Ang paggamit ng mga pamamaraang artipisyal na photosynthesis upang makagawa ng pagkain ay maaaring maging isang paradigma shift para sa kung paano namin pinapakain ang mga tao. Sa pamamagitan ng pagtaas ng kahusayan ng produksyon ng pagkain, mas kaunting lupa ang kailangan, na binabawasan ang epekto ng agrikultura sa kapaligiran. At para sa agrikultura sa mga hindi tradisyunal na kapaligiran, tulad ng outer space, ang mas mataas na kahusayan sa enerhiya ay maaaring makatulong sa pagpapakain ng higit pang mga tripulante na may mas kaunting mga input, "sabi ni Jinkerson.

Ang diskarte na ito sa produksyon ng pagkain ay isinumite sa Deep Space Food Challenge ng NASA kung saan ito ay nagwagi sa Phase I. Ang Deep Space Food Challenge ay isang internasyonal na kumpetisyon kung saan ang mga premyo ay iginagawad sa mga koponan upang lumikha ng nobela at mga teknolohiya sa pagkain na nagbabago ng laro na nangangailangan ng kaunting input at i-maximize ang ligtas, masustansya, at masarap na pagkain na output para sa pangmatagalang misyon sa kalawakan.

"Isipin balang araw ang mga higanteng sasakyang-dagat na nagtatanim ng mga halaman ng kamatis sa dilim at sa Mars—gaano ito magiging madali para sa hinaharap na mga Martian?" sabi ng co-author na si Martha Orozco-Cardenas, direktor ng UC Riverside Plant Transformation Research Center.