La fotosíntesis artificial puede producir alimentos sin sol

La fotosíntesis artificial puede producir alimentos sin sol

Las plantas crecen en completa oscuridad en un medio de acetato que reemplaza la fotosíntesis biológica. Crédito: Marcus Harland-Dunaway/UCR

La fotosíntesis ha evolucionado en las plantas durante millones de años para convertir el agua, el dióxido de carbono y la energía de la luz solar en biomasa vegetal y los alimentos que comemos. Sin embargo, este proceso es muy ineficiente, ya que solo alrededor del 1% de la energía que se encuentra en la luz solar termina en la planta. Los científicos de UC Riverside y la Universidad de Delaware han encontrado una manera de evitar por completo la necesidad de la fotosíntesis biológica y crear alimentos independientes de la luz solar mediante el uso de fotosíntesis artificial.

La investigación, publicada en Alimentos naturales, utiliza un proceso electrocatalítico de dos pasos para convertir el dióxido de carbono, la electricidad y el agua en acetato, la forma del componente principal del vinagre. Los organismos productores de alimentos luego consumen acetato en la oscuridad para crecer. Combinado con paneles solares para generar electricidad para alimentar la electrocatálisis, este sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar la eficiencia de conversión de la luz solar en alimentos, hasta 18 veces más eficiente para algunos alimentos.

“Con nuestro enfoque, buscamos identificar una nueva forma de producir alimentos que pudiera romper los límites normalmente impuestos por la fotosíntesis biológica”, dijo el autor correspondiente Robert Jinkerson, profesor asistente de ingeniería química y ambiental de UC Riverside.

Para integrar todos los componentes del sistema, se optimizó la salida del electrolizador para apoyar el crecimiento de organismos productores de alimentos. Los electrolizadores son dispositivos que usan electricidad para convertir materias primas como el dióxido de carbono en moléculas y productos útiles. La cantidad de acetato producido aumentó mientras que la cantidad de sal utilizada disminuyó, lo que resultó en los niveles más altos de acetato jamás producidos en un electrolizador hasta la fecha.

“Usando un tándem CO de dos pasos de última generación2 Con la configuración de electrólisis desarrollada en nuestro laboratorio, pudimos lograr una alta selectividad hacia el acetato al que no se puede acceder a través del CO convencional.2 rutas de electrólisis”, dijo el autor correspondiente Feng Jiao de la Universidad de Delaware.

Los experimentos demostraron que una amplia gama de organismos productores de alimentos se pueden cultivar en la oscuridad directamente en la salida del electrolizador rico en acetato, incluidas las algas verdes, la levadura y el micelio fúngico que produce hongos. Producir algas con esta tecnología es aproximadamente cuatro veces más eficiente energéticamente que cultivarlas fotosintéticamente. La producción de levadura es aproximadamente 18 veces más eficiente energéticamente que la forma en que se cultiva típicamente con azúcar extraída del maíz.

La fotosíntesis artificial puede producir alimentos sin sol

Un sistema combinado electroquímico-biológico para la producción de alimentos a partir de CO2. aCO2 la electrólisis utiliza electricidad (generada por energía fotovoltaica) para convertir CO2 y H2O en O2 y acetato. Este proceso se optimizó para producir una salida de efluentes ideal para apoyar el crecimiento de organismos productores de alimentos. b, clamidomonas, SaccharomycesSe cultivaron hongos productores de hongos y una variedad de plantas de cultivo vascular utilizando el efluente producido por electrolizadores. C, Los organismos cultivados usando el efluente producido por electrolizador sirven como alimento o productos alimenticios. Este sistema es capaz de hacer alimento independiente de la fotosíntesis, utilizando CO2h2O y energía solar. Crédito: Alimentos naturales (2022). DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x

“Pudimos cultivar organismos productores de alimentos sin ninguna contribución de la fotosíntesis biológica. Por lo general, estos organismos se cultivan con azúcares derivados de plantas o insumos derivados del petróleo, que es un producto de la fotosíntesis biológica que tuvo lugar hace millones de años. Esto La tecnología es un método más eficiente para convertir la energía solar en alimentos, en comparación con la producción de alimentos que se basa en la fotosíntesis biológica”, dijo Elizabeth Hann, candidata a doctorado en el Laboratorio Jinkerson y coautora principal del estudio.

También se investigó el potencial de emplear esta tecnología para cultivar plantas de cultivo. El caupí, el tomate, el tabaco, el arroz, la canola y el guisante verde pudieron utilizar el carbono del acetato cuando se cultivaron en la oscuridad.

“Descubrimos que una amplia gama de cultivos podría tomar el acetato que proporcionamos y convertirlo en los principales bloques de construcción moleculares que un organismo necesita para crecer y prosperar. Con algo de mejoramiento e ingeniería en los que estamos trabajando actualmente, podríamos ser capaces de producir cultivos con acetato como fuente de energía adicional para aumentar el rendimiento de los cultivos”, dijo Marcus Harland-Dunaway, candidato a doctorado en el Laboratorio Jinkerson y coautor principal del estudio.

Al liberar a la agricultura de la dependencia total del sol, la fotosíntesis artificial abre la puerta a innumerables posibilidades para cultivar alimentos en las condiciones cada vez más difíciles impuestas por el cambio climático antropogénico. Las sequías, las inundaciones y la disponibilidad reducida de tierras serían una amenaza menor para la seguridad alimentaria mundial si los cultivos para humanos y animales crecieran en entornos controlados que requieren menos recursos. Los cultivos también podrían cultivarse en ciudades y otras áreas que actualmente no son aptas para la agricultura, e incluso proporcionar alimentos para futuros exploradores espaciales.

“El uso de enfoques de fotosíntesis artificial para producir alimentos podría ser un cambio de paradigma en la forma en que alimentamos a las personas. Al aumentar la eficiencia de la producción de alimentos, se necesita menos tierra, lo que reduce el impacto que tiene la agricultura en el medio ambiente. Y para la agricultura en entornos no tradicionales, al igual que el espacio exterior, la mayor eficiencia energética podría ayudar a alimentar a más miembros de la tripulación con menos insumos”, dijo Jinkerson.

Este enfoque de la producción de alimentos se presentó al Deep Space Food Challenge de la NASA, donde resultó ganador de la Fase I. Deep Space Food Challenge es una competencia internacional en la que se otorgan premios a los equipos para crear tecnologías alimentarias novedosas y revolucionarias que requieren insumos mínimos y maximizan la producción de alimentos seguros, nutritivos y sabrosos para misiones espaciales de larga duración.

“Imagine algún día naves gigantes cultivando plantas de tomate en la oscuridad y en Marte, ¿cuánto más fácil sería eso para los futuros marcianos?” dijo la coautora Martha Orozco-Cárdenas, directora del Centro de Investigación de Transformación de Plantas de UC Riverside.


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Más información:
Elizabeth C. Hann et al, Un sistema de fotosíntesis artificial híbrido inorgánico-biológico para la producción de alimentos energéticamente eficiente, Alimentos naturales (2022). DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x

Proporcionado por la Universidad de California – Riverside

Citación: La fotosíntesis artificial puede producir alimentos sin luz solar (23 de junio de 2022) consultado el 24 de junio de 2022 en https://phys.org/news/2022-06-artificial-photolysis-food-sunshine.html

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