يمكن أن ينتج التمثيل الضوئي الاصطناعي الطعام في الظلام التام

يمكن أن ينتج التمثيل الضوئي الاصطناعي الطعام في الظلام التام

تنمو النباتات في ظلام دامس في وسط خلات يحل محل التمثيل الضوئي البيولوجي.

يتم تطوير التمثيل الضوئي الاصطناعي من قبل الباحثين للمساعدة في جعل إنتاج الغذاء أكثر كفاءة في استخدام الطاقة على الأرض ، وربما يوما ما على المريخ .

لملايين السنين ، تطورت عملية التمثيل الضوئي في النباتات لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة من ضوء الشمس إلى الكتلة الحيوية النباتية والأطعمة التي نتناولها. ومع ذلك ، فإن هذه العملية غير فعالة للغاية ، حيث ينتهي المطاف بحوالي 1٪ فقط من الطاقة الموجودة في ضوء الشمس في النبات. وجد باحثون في جامعة كاليفورنيا وريفرسايد وجامعة ديلاوير طريقة لتجاوز الحاجة إلى التمثيل الضوئي البيولوجي تماما وإنشاء طعام مستقل عن ضوء الشمس باستخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي.

يستخدم البحث الجديد ، الذي نشر في 23 يونيو 2022 ، في مجلة Nature Food ، عملية تحفيز كهربائي من خطوتين لتحويل ثاني أكسيد الكربون والكهرباء والماء إلى أسيتات ، وهو شكل المكون الرئيسي للخل. ثم تستهلك الكائنات الحية المنتجة للغذاء الأسيتات في الظلام لتنمو. إلى جانب الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء لتشغيل التحفيز الكهربائي ، يمكن لهذا النظام الهجين العضوي غير العضوي أن يزيد من كفاءة تحويل ضوء الشمس إلى طعام ، بما يصل إلى 18 مرة أكثر كفاءة لبعض الأطعمة.

قال المؤلف المقابل روبرت جينكرسون ، وهو أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيئية في جامعة كاليفورنيا ، ريفرسايد: سعينا من خلال نهجنا إلى تحديد طريقة جديدة لإنتاج الطعام يمكن أن تتخطى الحدود التي تفرضها عادة عملية التمثيل الضوئي البيولوجي.

من أجل دمج جميع مكونات النظام معًا ، تم تحسين إخراج المحلل الكهربائي لدعم نمو الكائنات المنتجة للغذاء. المحلل الكهربائي عبارة عن أجهزة تستخدم الكهرباء لتحويل المواد الخام مثل ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات ومنتجات مفيدة. تمت زيادة كمية الأسيتات المنتجة بينما انخفضت كمية الملح المستخدمة ، مما أدى إلى أعلى مستويات الأسيتات التي تم إنتاجها على الإطلاق في المحلل الكهربائي حتى الآن.

قال المؤلف المقابل فنغ جياو: باستخدام أحدث تجهيزات التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون من خطوتين والتي تم تطويرها في مختبرنا ، تمكنا من تحقيق انتقائية عالية تجاه الأسيتات التي لا يمكن الوصول إليها من خلال طرق التحليل الكهربائي التقليدية لثاني أكسيد الكربون . في جامعة ديلاوير.

أظهرت التجارب أن مجموعة كبيرة من الكائنات الحية المنتجة للغذاء يمكن زراعتها في الظلام مباشرة على ناتج المحلل الكهربائي الغني بالأسيتات ، بما في ذلك الطحالب الخضراء والخميرة والفطريات الفطرية التي تنتج الفطر. إن إنتاج الطحالب بهذه التقنية هو أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بأربعة أضعاف من زراعته بطريقة التمثيل الضوئي. يعتبر إنتاج الخميرة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بحوالي 18 ضعفًا من الطريقة التي يتم بها زراعتها عادةً باستخدام السكر المستخرج من الذرة.

كنا قادرين على زراعة الكائنات الحية المنتجة للغذاء دون أي مساهمات من التمثيل الضوئي البيولوجي. عادة ما تزرع هذه الكائنات على السكريات المشتقة من النباتات أو المدخلات المشتقة من البترول - وهو نتاج عملية التمثيل الضوئي البيولوجي التي حدثت منذ ملايين السنين. قالت إليزابيث هان ، مرشحة الدكتوراه في مختبر جينكرسون والمؤلفة الرئيسية المشاركة للدراسة ، إن هذه التكنولوجيا هي طريقة أكثر كفاءة لتحويل الطاقة الشمسية إلى طعام ، مقارنة بإنتاج الغذاء الذي يعتمد على التمثيل الضوئي البيولوجي.

كما تم التحقيق في إمكانية استخدام هذه التكنولوجيا لزراعة نباتات المحاصيل. كانت اللوبيا ، والطماطم ، والتبغ ، والأرز ، والكانولا ، والبازلاء الخضراء قادرة على الاستفادة من الكربون من الأسيتات عند زراعتها في الظلام.

وجدنا أن مجموعة كبيرة من المحاصيل يمكن أن تأخذ الأسيتات التي قدمناها وتبنيها في اللبنات الجزيئية الرئيسية التي يحتاجها الكائن الحي للنمو والازدهار. قال ماركوس هارلاند-دوناواي ، مرشح الدكتوراه في مختبر جينكرسون والمؤلف الرئيسي المشارك لـ الدراسة.

من خلال تحرير الزراعة من الاعتماد الكامل على الشمس ، يفتح التمثيل الضوئي الاصطناعي الباب أمام إمكانيات لا حصر لها لزراعة الغذاء في ظل الظروف الصعبة المتزايدة التي يفرضها تغير المناخ البشري المنشأ. سيكون الجفاف والفيضانات وقلة توافر الأراضي أقل تهديدًا للأمن الغذائي العالمي إذا نمت محاصيل البشر والحيوانات في بيئات أقل كثافة في استخدام الموارد وخاضعة للرقابة. يمكن أيضا زراعة المحاصيل في المدن ومناطق أخرى غير مناسبة حاليا للزراعة ، وحتى توفير الغذاء لمستكشفي الفضاء في المستقبل.

يمكن أن يكون استخدام مناهج التمثيل الضوئي الاصطناعي لإنتاج الغذاء نقلة نوعية لكيفية إطعام الناس. من خلال زيادة كفاءة إنتاج الغذاء ، هناك حاجة إلى مساحة أقل من الأراضي ، وتقليل تأثير الزراعة على البيئة. وبالنسبة للزراعة في البيئات غير التقليدية ، مثل الفضاء الخارجي ، فإن زيادة كفاءة الطاقة يمكن أن تساعد في إطعام المزيد من أفراد الطاقم بمدخلات أقل ، قال جينكرسون.

تم تقديم هذا النهج لإنتاج الغذاء إلى مسابقة Deep Space Food Challenge التابعة لوكالة ناسا حيث كان الفائز في المرحلة الأولى. مسابقة Deep Space Food Challenge هي مسابقة دولية تمنح فيها الجوائز للفرق لابتكار تقنيات طعام جديدة ومغيرة للعبة تتطلب الحد الأدنى من المدخلات وتعظيم مخرجات الطعام الآمنة والمغذية والمقبولة للمهام الفضائية طويلة الأمد.

تخيل يوما ما سفنا عملاقة تزرع نباتات الطماطم في الظلام وعلى سطح المريخ - ما مدى سهولة ذلك على المريخ في المستقبل؟ قالت الكاتبة المشاركة مارثا أوروزكو كارديناس ، مديرة مركز أبحاث تحويل النباتات في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد.