Οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να παρακάμπτουν εντελώς την ανάγκη για βιολογική φωτοσύνθεση και να δημιουργούν τροφή ανεξάρτητα από το φως του ήλιου, χρησιμοποιώντας τεχνητή φωτοσύνθεση. Η τεχνολογία χρησιμοποιεί μια ηλεκτροκαταλυτική διαδικασία δύο σταδίων για τη μετατροπή διοξειδίου του άνθρακα, ηλεκτρικής ενέργειας και νερού σε οξικό άλας. Στη συνέχεια, οι οργανισμοί που παράγουν τροφή καταναλώνουν οξικό άλας στο σκοτάδι για να αναπτυχθούν. Το υβριδικό οργανικό-ανόργανο σύστημα θα μπορούσε να αυξήσει την αποτελεσματικότητα της μετατροπής του ηλιακού φωτός σε τρόφιμα, έως και 18 φορές πιο αποτελεσματικά για ορισμένα τρόφιμα.
Η φωτοσύνθεση έχει εξελιχθεί στα φυτά εδώ και εκατομμύρια χρόνια για να μετατρέψει το νερό, το διοξείδιο του άνθρακα και την ενέργεια του ηλιακού φωτός σε φυτική βιομάζα και τα τρόφιμα που τρώμε. Η διαδικασία αυτή, ωστόσο, είναι πολύ αναποτελεσματική, καθώς μόνο το 1% περίπου της ενέργειας που βρίσκεται στο ηλιακό φως καταλήγει στο φυτό. Επιστήμονες του UC Riverside και του Πανεπιστημίου του Delaware βρήκαν έναν τρόπο να παρακάμψουν εντελώς την ανάγκη για βιολογική φωτοσύνθεση και να δημιουργήσουν τροφή ανεξάρτητα από το ηλιακό φως, χρησιμοποιώντας τεχνητή φωτοσύνθεση.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Food, χρησιμοποιεί μια ηλεκτροκαταλυτική διαδικασία δύο σταδίων για τη μετατροπή διοξειδίου του άνθρακα, ηλεκτρισμού και νερού σε οξικό άλας, τη μορφή του κύριου συστατικού του ξυδιού. Οι οργανισμοί που παράγουν τρόφιμα καταναλώνουν στη συνέχεια οξικό οξύ στο σκοτάδι για να αναπτυχθούν. Σε συνδυασμό με ηλιακούς συλλέκτες για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που τροφοδοτεί την ηλεκτροκατάλυση, αυτό το υβριδικό οργανικό-ανόργανο σύστημα θα μπορούσε να αυξήσει την αποτελεσματικότητα της μετατροπής του ηλιακού φωτός σε τρόφιμα, έως και 18 φορές πιο αποτελεσματικά για ορισμένα τρόφιμα.
"Με την προσέγγισή μας επιδιώξαμε να εντοπίσουμε έναν νέο τρόπο παραγωγής τροφίμων που θα μπορούσε να ξεπεράσει τα όρια που συνήθως θέτει η βιολογική φωτοσύνθεση", δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας Robert Jinkerson, επίκουρος καθηγητής χημικής και περιβαλλοντικής μηχανικής του UC Riverside.
Προκειμένου να ενσωματωθούν όλα τα στοιχεία του συστήματος μαζί, η έξοδος του ηλεκτρολύτη βελτιστοποιήθηκε ώστε να υποστηρίζει την ανάπτυξη οργανισμών που παράγουν τρόφιμα. Οι ηλεκτρολύτες είναι συσκευές που χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για να μετατρέψουν πρώτες ύλες όπως το διοξείδιο του άνθρακα σε χρήσιμα μόρια και προϊόντα. Η ποσότητα του παραγόμενου οξικού άλατος αυξήθηκε, ενώ η ποσότητα του χρησιμοποιούμενου αλατιού μειώθηκε, με αποτέλεσμα τα υψηλότερα επίπεδα οξικού άλατος που έχουν παραχθεί ποτέ μέχρι σήμερα σε ηλεκτρολύτη.
"Χρησιμοποιώντας μια υπερσύγχρονη διάταξη ηλεκτρόλυσης δύο βημάτων tandem CO2 που αναπτύχθηκε στο εργαστήριό μας, καταφέραμε να επιτύχουμε υψηλή εκλεκτικότητα προς το οξικό άλας, η οποία δεν είναι προσβάσιμη μέσω συμβατικών οδών ηλεκτρόλυσης CO2", δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας Feng Jiao του Πανεπιστημίου του Delaware.
Τα πειράματα έδειξαν ότι ένα ευρύ φάσμα οργανισμών που παράγουν τρόφιμα μπορεί να αναπτυχθεί στο σκοτάδι απευθείας στην έξοδο του ηλεκτρολύτη που είναι πλούσια σε οξικό άλας, συμπεριλαμβανομένων των πράσινων φυκών, της ζύμης και του μυκηλιακού μυκηλίου που παράγει μανιτάρια. Η παραγωγή φυκιών με αυτή την τεχνολογία είναι περίπου τετραπλάσια ενεργειακά αποδοτική από τη φωτοσυνθετική καλλιέργειά τους. Η παραγωγή ζύμης είναι περίπου 18 φορές πιο ενεργειακά αποδοτική από τον τρόπο με τον οποίο συνήθως καλλιεργείται χρησιμοποιώντας ζάχαρη που εξάγεται από το καλαμπόκι.
"Καταφέραμε να καλλιεργήσουμε οργανισμούς που παράγουν τρόφιμα χωρίς καμία συμβολή από τη βιολογική φωτοσύνθεση. Συνήθως, αυτοί οι οργανισμοί καλλιεργούνται με σάκχαρα που προέρχονται από φυτά ή εισροές που προέρχονται από πετρέλαιο - το οποίο είναι προϊόν βιολογικής φωτοσύνθεσης που έλαβε χώρα εκατομμύρια χρόνια πριν. Αυτή η τεχνολογία είναι μια πιο αποτελεσματική μέθοδος μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε τρόφιμα, σε σύγκριση με την παραγωγή τροφίμων που βασίζεται στη βιολογική φωτοσύνθεση", δήλωσε η Elizabeth Hann, υποψήφια διδάκτωρ στο εργαστήριο Jinkerson και συν-επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
Διερευνήθηκε επίσης η δυνατότητα χρησιμοποίησης αυτής της τεχνολογίας για την καλλιέργεια καλλιεργούμενων φυτών. Το αγριοκάρπιο, η ντομάτα, ο καπνός, το ρύζι, η κανόλα και το πράσινο μπιζέλι ήταν όλα σε θέση να αξιοποιήσουν τον άνθρακα από το οξικό οξύ όταν καλλιεργούνταν στο σκοτάδι.
"Διαπιστώσαμε ότι ένα ευρύ φάσμα καλλιεργειών μπορούσε να λάβει το οξικό άλας που παρέχουμε και να το μετατρέψει στα κύρια μοριακά δομικά στοιχεία που χρειάζεται ένας οργανισμός για να αναπτυχθεί και να ευδοκιμήσει. Με κάποια αναπαραγωγή και μηχανική, πάνω στην οποία εργαζόμαστε επί του παρόντος, ίσως μπορέσουμε να καλλιεργήσουμε καλλιέργειες με οξικό άλας ως επιπλέον πηγή ενέργειας για να αυξήσουμε τις αποδόσεις των καλλιεργειών", δήλωσε ο Marcus Harland-Dunaway, υποψήφιος διδάκτορας στο εργαστήριο Jinkerson και συν-επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
Απελευθερώνοντας τη γεωργία από την πλήρη εξάρτηση από τον ήλιο, η τεχνητή φωτοσύνθεση ανοίγει την πόρτα σε αμέτρητες δυνατότητες για την καλλιέργεια τροφίμων υπό τις ολοένα και πιο δύσκολες συνθήκες που επιβάλλει η ανθρωπογενής κλιματική αλλαγή. Η ξηρασία, οι πλημμύρες και η μειωμένη διαθεσιμότητα γης θα αποτελούσαν μικρότερη απειλή για την παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια εάν οι καλλιέργειες για τον άνθρωπο και τα ζώα αναπτύσσονταν σε λιγότερο απαιτητικά σε πόρους, ελεγχόμενα περιβάλλοντα. Οι καλλιέργειες θα μπορούσαν επίσης να καλλιεργούνται σε πόλεις και άλλες περιοχές που σήμερα είναι ακατάλληλες για γεωργία, και ακόμη και να παρέχουν τροφή για τους μελλοντικούς εξερευνητές του διαστήματος.
"Η χρήση προσεγγίσεων τεχνητής φωτοσύνθεσης για την παραγωγή τροφίμων θα μπορούσε να αποτελέσει αλλαγή παραδείγματος για τον τρόπο με τον οποίο τρέφουμε τους ανθρώπους. Με την αύξηση της αποδοτικότητας της παραγωγής τροφίμων, απαιτείται λιγότερη γη, μειώνοντας τον αντίκτυπο της γεωργίας στο περιβάλλον. Και για τη γεωργία σε μη παραδοσιακά περιβάλλοντα, όπως το διάστημα, η αυξημένη ενεργειακή αποδοτικότητα θα μπορούσε να βοηθήσει στη σίτιση περισσότερων μελών του πληρώματος με λιγότερες εισροές", δήλωσε ο Jinkerson.
Ημ/νία καταχώρησης: 4/8/2022
[GR] Greek
[EN] English