Naukowcy znaleźli sposób na całkowite ominięcie potrzeby fotosyntezy biologicznej i stworzenie pożywienia niezależnego od światła słonecznego za pomocą sztucznej fotosyntezy. Technologia wykorzystuje dwuetapowy proces elektrokatalityczny do konwersji dwutlenku węgla, energii elektrycznej i wody w octan. Organizmy produkujące żywność następnie zużywają octan w ciemności, aby rosnąć. Hybrydowy system organiczno-nieorganiczny może zwiększyć wydajność konwersji światła słonecznego w żywność, nawet 18-krotnie bardziej wydajną w przypadku niektórych produktów spożywczych.
Fotosynteza ewoluowała w roślinach przez miliony lat, przekształcając wodę, dwutlenek węgla i energię ze światła słonecznego w biomasę roślinną i żywność, którą spożywamy. Proces ten jest jednak bardzo nieefektywny, ponieważ tylko około 1% energii znajdującej się w świetle słonecznym trafia do rośliny. Naukowcy z UC Riverside i University of Delaware znaleźli sposób na całkowite ominięcie potrzeby fotosyntezy biologicznej i stworzenie żywności niezależnej od światła słonecznego za pomocą sztucznej fotosyntezy.
Badania, opublikowane w Nature Food, wykorzystują dwuetapowy proces elektrokatalityczny do przekształcania dwutlenku węgla, elektryczności i wody w octan, który jest głównym składnikiem octu. Organizmy produkujące żywność następnie zużywają octan w ciemności, aby rosnąć. W połączeniu z panelami słonecznymi generującymi energię elektryczną do zasilania elektrokatalizy, ten hybrydowy system organiczno-nieorganiczny może zwiększyć wydajność konwersji światła słonecznego w żywność, nawet 18-krotnie bardziej wydajną w przypadku niektórych rodzajów żywności.
„Dzięki naszemu podejściu staraliśmy się zidentyfikować nowy sposób produkcji żywności, który mógłby przełamać ograniczenia normalnie nakładane przez biologiczną fotosyntezę” – powiedział autor korespondent Robert Jinkerson, adiunkt inżynierii chemicznej i środowiskowej na UC Riverside.
Aby zintegrować wszystkie komponenty systemu razem, wydajność elektrolizera została zoptymalizowana pod kątem wspomagania wzrostu organizmów produkujących żywność. Elektrolizery to urządzenia wykorzystujące energię elektryczną do przekształcania surowców, takich jak dwutlenek węgla, w użyteczne cząsteczki i produkty. Ilość wytworzonego octanu wzrosła, podczas gdy ilość użytej soli została zmniejszona, co skutkuje najwyższymi poziomami octanu, jakie kiedykolwiek wytworzono w elektrolizerze.
„Korzystając z najnowocześniejszej dwuetapowej tandemowej instalacji elektrolizy CO2 opracowanej w naszym laboratorium, byliśmy w stanie osiągnąć wysoką selektywność w stosunku do octanu, do którego nie można uzyskać dostępu za pomocą konwencjonalnych dróg elektrolizy CO2” – powiedział autor korespondent Feng Jiao z Uniwersytetu. z Delaware.
Eksperymenty wykazały, że szeroki zakres organizmów produkujących żywność można hodować w ciemności bezpośrednio na wyjściu elektrolizera bogatego w octan, w tym zielone algi, drożdże i grzybnię grzybów, które wytwarzają grzyby. Produkcja glonów za pomocą tej technologii jest około czterokrotnie bardziej energooszczędna niż ich uprawa fotosyntetyczna. Produkcja drożdży jest około 18-krotnie bardziej efektywna energetycznie niż typowa uprawa przy użyciu cukru pozyskiwanego z kukurydzy.
„Byliśmy w stanie wyhodować organizmy produkujące żywność bez udziału fotosyntezy biologicznej. Zazwyczaj organizmy te są hodowane na cukrach pochodzących z roślin lub wsadach pochodzących z ropy naftowej – która jest produktem fotosyntezy biologicznej, która miała miejsce miliony lat temu. Ta technologia jest bardziej wydajną metodą przekształcania energii słonecznej w żywność w porównaniu z produkcją żywności opartą na biologicznej fotosyntezie” – powiedziała Elizabeth Hann, doktorantka w Jinkerson Lab i współautorka badania.
Zbadano również możliwość zastosowania tej technologii do uprawy roślin uprawnych. Groszek zwyczajny, pomidor, tytoń, ryż, rzepak i zielony groszek były w stanie wykorzystać węgiel z octanu, gdy były hodowane w ciemności.
„Odkryliśmy, że szeroka gama upraw może wziąć dostarczony przez nas octan i wbudować go w główne molekularne bloki budulcowe, których organizm potrzebuje do wzrostu i rozwoju. Dzięki pewnej hodowli i inżynierii, nad którą obecnie pracujemy, możemy być w stanie uprawiać rośliny z octanem jako dodatkowym źródłem energii w celu zwiększenia plonów” – powiedział Marcus Harland-Dunaway, doktorant w Jinkerson Lab i współautor badania.
Uwalniając rolnictwo od całkowitej zależności od słońca, sztuczna fotosynteza otwiera drzwi do niezliczonych możliwości uprawy żywności w coraz trudniejszych warunkach narzuconych przez antropogeniczne zmiany klimatyczne. Susza, powodzie i ograniczona dostępność gruntów byłyby mniejszym zagrożeniem dla globalnego bezpieczeństwa żywnościowego, gdyby uprawy dla ludzi i zwierząt rosły w mniej zasobożernych, kontrolowanych środowiskach. Rośliny można również uprawiać w miastach i innych obszarach, które obecnie nie nadają się do uprawy, a nawet dostarczać pożywienia przyszłym badaczom kosmosu.
„Wykorzystywanie podejść do sztucznej fotosyntezy do produkcji żywności może być zmianą paradygmatu dotyczącą tego, jak żywimy ludzi. Zwiększając wydajność produkcji żywności, potrzeba mniej ziemi, zmniejszając wpływ rolnictwa na środowisko. A w przypadku rolnictwa w nietradycyjnych środowiskach, podobnie jak przestrzeń kosmiczna, zwiększona efektywność energetyczna może pomóc wyżywić większą liczbę członków załogi przy mniejszych nakładach” – powiedział Jinkerson.
Takie podejście do produkcji żywności zostało zgłoszone do konkursu Deep Space Food Challenge NASA, gdzie zwyciężyło w fazie I. Deep Space Food Challenge to międzynarodowy konkurs, w którym nagrody są przyznawane zespołom za tworzenie nowatorskich i zmieniających zasady gry technologii żywnościowych, które wymagają minimalnych nakładów i maksymalizują bezpieczną, pożywną i smaczną żywność podczas długotrwałych misji kosmicznych.
„Wyobraź sobie pewnego dnia gigantyczne naczynia, w których rosną pomidory w ciemności i na Marsie – o ile łatwiejsze będzie to dla przyszłych Marsjan?” powiedziała współautorka Martha Orozco-Cárdenas, dyrektor UC Riverside Plant Transformation Research Center.
Andres Narvaez, Dang Le i Sean Overa również przyczynili się do badań.
Badania były wspierane przez Translational Research Institute for Space Health (TRISH) za pośrednictwem NASA (NNX16AO69A), Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR), Link Foundation, US National Science Foundation oraz Departament Energii USA. Za treść tej publikacji odpowiadają wyłącznie autorzy i niekoniecznie reprezentują one oficjalne poglądy Fundacji Badań nad Żywnością i Rolnictwem.