فتوسنتز مصنوعی می تواند غذا را بدون نور خورشید تولید کند

23 ژوئن 2022 – توسط هالی اوبر، دانشگاه کالیفرنیا – ریورساید -گیاهان در تاریکی کامل در محیطی استات رشد می کنند که جایگزین فتوسنتز بیولوژیکی می شود. اعتبار: مارکوس هارلند-داناوی/UCR

فتوسنتز میلیون ها سال است که در گیاهان تکامل یافته است تا آب، دی اکسید کربن و انرژی نور خورشید را به زیست توده گیاهی و غذاهایی که می خوریم تبدیل کند. با این حال، این فرآیند بسیار ناکارآمد است و تنها حدود 1٪ از انرژی موجود در نور خورشید به گیاه ختم می شود. دانشمندان دانشگاه UC Riverside و دانشگاه Delaware راهی برای دور زدن نیاز به فتوسنتز بیولوژیکی و ایجاد غذای مستقل از نور خورشید با استفاده از فتوسنتز مصنوعی یافته اند.

این تحقیق که در Nature Food منتشر شده است، از یک فرآیند الکتروکاتالیستی دو مرحله ای برای تبدیل دی اکسید کربن، الکتریسیته و آب به استات، شکل جزء اصلی سرکه، استفاده می کند. سپس ارگانیسم های تولید کننده غذا برای رشد استات را در تاریکی مصرف می کنند. این سیستم ترکیبی آلی- معدنی ترکیبی با پنل های خورشیدی برای تولید الکتریسیته برای تامین انرژی الکتروکاتالیزور می تواند بازده تبدیل نور خورشید به غذا را افزایش دهد که برای برخی غذاها تا 18 برابر کارآمدتر است.

رابرت جینکرسون، نویسنده مقاله، استادیار مهندسی شیمی و محیط زیست دانشگاه ریورساید، می‌گوید: «با رویکرد خود ما به دنبال شناسایی روش جدیدی برای تولید مواد غذایی بودیم که می‌تواند از محدودیت‌های معمول فتوسنتز بیولوژیکی عبور کند.»

به منظور ادغام تمام اجزای سیستم با هم، خروجی الکترولیز برای حمایت از رشد ارگانیسم های تولید کننده غذا بهینه شد. الکترولیزها دستگاه هایی هستند که از الکتریسیته برای تبدیل مواد خام مانند دی اکسید کربن به مولکول ها و محصولات مفید استفاده می کنند. مقدار استات تولید شده افزایش یافته در حالی که میزان نمک مصرفی کاهش یافته است، در نتیجه بالاترین سطح استات تولید شده در الکترولیز تا به امروز بوده است.

Feng Jiao نویسنده مسئول در دانشگاه گفت: “با استفاده از پیشرفته‌ترین راه‌اندازی الکترولیز CO2 دو مرحله‌ای که در آزمایشگاه ما ایجاد شد، ما توانستیم به انتخاب بالایی نسبت به استات دست پیدا کنیم که از طریق مسیرهای معمولی الکترولیز CO2 قابل دسترسی نیست.”

آزمایش‌ها نشان داد که طیف وسیعی از ارگانیسم‌های تولیدکننده غذا را می‌توان در تاریکی مستقیماً بر روی خروجی الکترولیز غنی از استات، از جمله جلبک‌های سبز، مخمرها و میسلیوم‌های قارچی که قارچ تولید می‌کنند، رشد داد. تولید جلبک با این فناوری تقریباً چهار برابر بیشتر از رشد آن به روش فتوسنتزی انرژی کارآمدتر است. تولید مخمر تقریباً 18 برابر بیشتر از روشی که به طور معمول با استفاده از شکر استخراج شده از ذرت کشت می شود، کارآمدتر از انرژی است.

“ما توانستیم ارگانیسم های تولید کننده غذا را بدون هیچ کمکی از فتوسنتز بیولوژیکی رشد دهیم. به طور معمول، این موجودات بر روی قندهای مشتق شده از گیاهان یا مواد نفتی – که محصولی از فتوسنتز بیولوژیکی است که میلیون ها سال پیش انجام شده است) کشت می شوند. الیزابت هان، کاندیدای دکترا در آزمایشگاه جینکرسون و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: فناوری در مقایسه با تولید مواد غذایی که به فتوسنتز بیولوژیکی متکی است، روش کارآمدتری برای تبدیل انرژی خورشیدی به غذا است.

پتانسیل استفاده از این فناوری برای رشد گیاهان زراعی نیز مورد بررسی قرار گرفت. لوبیا چشم بلبلی، گوجه فرنگی، تنباکو، برنج، کلزا و نخود سبز همگی قادر به استفاده از کربن استات در هنگام کشت در تاریکی بودند.

“ما دریافتیم که طیف وسیعی از محصولات می‌توانند استاتی را که ما تهیه کرده‌ایم مصرف کنند و آن را در بلوک‌های ساختمانی مولکولی اصلی یک ارگانیسم برای رشد و شکوفایی بسازند. با اصلاح و مهندسی که در حال حاضر روی آن کار می‌کنیم، ممکن است بتوانیم محصولاتی را پرورش دهیم. مارکوس هارلند داناوی، کاندیدای دکترا در آزمایشگاه جینکرسون و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، گفت: با استات به عنوان یک منبع انرژی اضافی برای افزایش عملکرد محصولات زراعی اینکار عملی می شود.