В конце этого очень неэффективного процесса к растению переходит только 1% энергии солнечного света. Ученые Калифорнийского университета в Риверсайде и Делавэрского университета нашли способ полностью устранить необходимость в биологическом фотосинтезе и создать независимую от солнечного света пищу с помощью искусственного фотосинтеза.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Food, используется 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. Эта гибридная органо-неорганическая система в сочетании с солнечными панелями для выработки электроэнергии для питания электрокатализа может повысить эффективность преобразования солнечного света в пищу до 18 раз для некоторых продуктов.
«С нашим подходом мы стремились определить новый способ производства продуктов питания, который мог бы выйти за пределы, обычно налагаемые биологическим фотосинтезом», — сказал Роберт Джинкерсон, доцент кафедры химической и экологической инженерии в Калифорнийском университете в Риверсайде.
Чтобы объединить все компоненты системы, производительность электролизера была оптимизирована для поддержки роста организмов, производящих пищу. Электролизеры — это устройства, которые используют электричество для преобразования сырья, такого как углекислый газ, в полезные молекулы и продукты. Количество производимого ацетата было увеличено, а количество используемой соли уменьшено, что позволило достичь самого высокого уровня ацетата, когда-либо производимого в электролизере.
«Используя современную двухступенчатую тандемную установку для электролиза CO2, разработанную в нашей лаборатории, мы смогли добиться высокой селективности по отношению к ацетату, которая была недоступна при использовании обычных путей электролиза CO2», — сказал соавтор Фэн Цзяо из Делавэрский университет. Эксперименты показали, что самые разнообразные пищевые организмы, в том числе зеленые водоросли, дрожжи и грибковый мицелий, продуцирующий грибы, можно выращивать непосредственно в темноте на выходе электролизеров с высоким содержанием ацетата. Выращивание водорослей по этой технологии экономит примерно в четыре раза больше энергии, чем выращивание водорослей фотосинтезом. Производство дрожжей примерно в 18 раз более энергоэффективно, чем при выращивании с использованием сахара, обычно извлекаемого из кукурузы.
Элизабет Ханн, кандидат наук в Jinkerson Labs и соавтор исследования; "Нам удалось выращивать организмы, производящие пищу, без участия биологического фотосинтеза. Как правило, эти организмы выращивают на растительных сахарах или на нефтяном сырье, продукте биологического фотосинтеза, который происходил миллионы лет назад. Эта технология преобразует солнечную энергию в энергии в пищу по сравнению с производством продуктов питания на основе биологического фотосинтеза. Это более эффективный метод преобразования». говорит.
Похожие товары
Когда исследуется потенциал этой технологии в растениеводстве; Было обнаружено, что вигна, помидоры, табак, рис, рапс и зеленый горошек способны использовать углерод из ацетата при выращивании в темноте.
Маркус Харланд-Дунауэй, кандидат наук в Jinkerson Labs и соавтор исследования, сказал: «Мы обнаружили, что широкий спектр сельскохозяйственных культур может принимать ацетат, который мы предоставляем, и превращать его в основные молекулярные строительные блоки, в которых нуждается организм. для роста и развития. Сейчас мы работаем над повышением урожайности с помощью некоторых селекционных и инженерных работ». Мы можем выращивать сельскохозяйственные культуры с ацетатом в качестве дополнительного источника энергии». говорит.
Искусственный фотосинтез освобождает сельское хозяйство от полной зависимости от солнца, открывая бесчисленные возможности выращивания продуктов питания во все более сложных условиях, вызванных антропогенным изменением климата. Засухи, наводнения и уменьшение доступности земли будут представлять меньшую угрозу для глобальной продовольственной безопасности, поскольку сельскохозяйственные культуры для людей и животных выращиваются в контролируемой среде с использованием меньшего количества ресурсов. В настоящее время сельскохозяйственные культуры выращивают в городах и районах, непригодных для сельского хозяйства, и они могут даже стать пищей для будущих исследователей космоса.
По словам Джинкерсона; "Использование подходов искусственного фотосинтеза для производства продуктов питания может привести к изменению парадигмы в том, как мы кормим людей. За счет повышения эффективности производства продуктов питания требуется меньше земли и снижается воздействие сельского хозяйства на окружающую среду. Повышение энергоэффективности сельского хозяйства в нетрадиционных условиях например, пространство означает больше энергии при меньших затратах. Это может помочь накормить больше членов экипажа».
Этот подход к производству продуктов питания был представлен на конкурсе NASA Deep Space Food Challenge, где он выиграл первый этап. Deep Space Food Challenge — это международное соревнование, в рамках которого награждаются команды за создание новых революционных пищевых технологий, позволяющих максимально увеличить производство безопасной, питательной и вкусной пищи, требующей минимальных затрат для длительных космических миссий.
Соавтор Марта Ороско-Карденас, директор Исследовательского центра трансформации растений Калифорнийского университета в Риверсайде; «Представьте себе гигантские корабли, выращивающие помидоры в темноте и однажды на Марсе — насколько легко это будет для будущих марсиан?» говорит.