Ученые нашли способ обойти необходимость биологического фотосинтеза и создавать пищу независимо от солнечного света с помощью искусственного фотосинтеза. Технология использует двухэтапный электрокаталитический процесс для преобразования углекислого газа, электричества и воды в ацетат. Затем организмы, производящие пищу, потребляют ацетат в темноте для роста. Гибридная органическо-неорганическая система может повысить эффективность преобразования солнечного света в пищу, до 18 раз для некоторых продуктов.
Фотосинтез развивался в растениях на протяжении миллионов лет, превращая воду, углекислый газ и энергию солнечного света в биомассу растений и продукты, которые мы едим. Однако этот процесс очень неэффективен: только около 1% энергии, содержащейся в солнечном свете, попадает в растение. Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета Делавэра нашли способ обойти необходимость биологического фотосинтеза и создавать пищу независимо от солнечного света с помощью искусственного фотосинтеза.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Food, использует двухэтапный электрокаталитический процесс для преобразования углекислого газа, электричества и воды в ацетат — основной компонент уксуса. Затем организмы, производящие пищу, потребляют ацетат в темноте для роста. В сочетании с солнечными батареями для выработки электроэнергии, необходимой для электрокатализа, эта гибридная органическо-неорганическая система может повысить эффективность преобразования солнечного света в продукты питания, до 18 раз для некоторых продуктов.
«С помощью нашего подхода мы стремились найти новый способ производства продуктов питания, который мог бы преодолеть ограничения, обычно налагаемые биологическим фотосинтезом», — говорит автор работы Роберт Джинкерсон, доцент кафедры химической и экологической инженерии Калифорнийского университета в Риверсайде.
Для того чтобы объединить все компоненты системы, выход электролизера был оптимизирован для поддержания роста организмов, производящих пищу. Электролизеры — это устройства, использующие электричество для преобразования сырья, такого как углекислый газ, в полезные молекулы и продукты. Количество производимого ацетата было увеличено, в то время как количество используемой соли было уменьшено, что привело к самым высоким уровням ацетата, когда-либо производимого в электролизере на сегодняшний день.
«Используя современную двухступенчатую тандемную установку для электролиза CO2, разработанную в нашей лаборатории, мы смогли добиться высокой селективности по отношению к ацетату, которая недоступна при использовании обычных способов электролиза CO2», — сказал автор работы Фэн Цзяо из Университета Делавэра.
Эксперименты показали, что в темноте непосредственно на выходе электролизера, богатом ацетатом, можно выращивать широкий спектр пищевых организмов, включая зеленые водоросли, дрожжи и грибковой мицелий, из которого получаются грибы. Производство водорослей с помощью этой технологии примерно в четыре раза более энергоэффективно, чем их фотосинтетическое выращивание. Производство дрожжей примерно в 18 раз более энергоэффективно, чем их выращивание с использованием сахара, добываемого из кукурузы.
«Мы смогли вырастить организмы, производящие пищу, без какого-либо вклада со стороны биологического фотосинтеза. Обычно эти организмы выращиваются на сахаре, получаемом из растений, или на сырье, получаемом из нефти — которое является продуктом биологического фотосинтеза, происходившего миллионы лет назад. Эта технология является более эффективным методом превращения солнечной энергии в пищу, по сравнению с производством продуктов питания, основанных на биологическом фотосинтезе», — говорит Элизабет Ханн, докторант лаборатории Джинкерсона и один из ведущих авторов исследования.
Также был изучен потенциал использования этой технологии для выращивания культурных растений. Капуста, томаты, табак, рис, канола и зеленый горошек были способны использовать углерод из ацетата при выращивании в темноте.
«Мы обнаружили, что широкий спектр сельскохозяйственных культур может использовать предоставленный нами ацетат и превращать его в основные молекулярные строительные блоки, необходимые организму для роста и процветания. С помощью селекции и инженерных разработок, над которыми мы сейчас работаем, мы сможем выращивать культуры с ацетатом в качестве дополнительного источника энергии для повышения урожайности», — сказал Маркус Харланд-Дунавей, докторант лаборатории Джинкерсона и один из ведущих авторов исследования.
Освобождая сельское хозяйство от полной зависимости от солнца, искусственный фотосинтез открывает бесчисленные возможности для выращивания продуктов питания в условиях все более сложных, навязанных антропогенным изменением климата. Засуха, наводнения и сокращение доступности земли будут представлять меньшую угрозу для глобальной продовольственной безопасности, если культуры для людей и животных будут выращиваться в менее ресурсоемких, контролируемых условиях. Культуры также можно выращивать в городах и других районах, которые в настоящее время не пригодны для сельского хозяйства, и даже обеспечить пищей будущих исследователей космоса.
«Использование подходов искусственного фотосинтеза для производства продуктов питания может стать сменой парадигмы в том, как мы кормим людей. Благодаря повышению эффективности производства продуктов питания потребуется меньше земли, что уменьшит воздействие сельского хозяйства на окружающую среду. А для сельского хозяйства в нетрадиционных условиях, например, в космосе, повышение энергоэффективности может помочь прокормить больше членов экипажа при меньших затратах», — сказал Джинкерсон.
Этот подход к производству продуктов питания был представлен на конкурс NASA Deep Space Food Challenge, где он стал победителем первой фазы. Deep Space Food Challenge — это международное соревнование, в котором призы присуждаются командам, создающим новые и меняющие игру пищевые технологии, требующие минимальных затрат и обеспечивающие максимальную безопасность, питательность и вкусовые качества продуктов для длительных космических миссий.
«Представьте себе, что когда-нибудь гигантские сосуды будут выращивать томатные растения в темноте и на Марсе — насколько легче это будет для будущих марсиан?» — сказала соавтор исследования Марта Орозко-Карденас, директор Исследовательского центра трансформации растений Калифорнийского университета в Риверсайде.