Разработана технология искусственного фотосинтеза для производства пищи без использования солнечного света

С точки зрения человека, процесс фотосинтеза неэффективен: большинство сельскохозяйственных культур способны преобразовывать солнечную энергию в биомассу с эффективностью не более процента. Американские исследователи нашли способ обойтись вообще без биологического фотосинтеза и разработали систему для производства продуктов питания, не использующую (по крайней мере, напрямую) солнечный свет. В перспективе технология позволит производить продовольствие во время длительных космических миссий, например на Луну или Марс.

Растения, выращенные в полной темноте на ацетатной среде, полученной в процессе искусственного фотосинтеза / © Marcus Harland-Dunaway/UCR

Фотосинтез наземных растений эволюционировал на протяжении миллионов лет, превращая воду, углекислый газ и энергию солнечного света в растительную биомассу, которую люди и животные потребляют в пищу. С ростом населения Земли увеличивается и спрос на продовольствие, производство которого в итоге ограничивается эффективностью преобразования энергии в процессе фотосинтеза. Поскольку эта величина в большинстве сельскохозяйственных культур не превосходит 1%, для их выращивания требуются обширные земельные участки, чтобы улавливать достаточное количество солнечной энергии и производить требуемое количество биомассы.

Усилия ученых в области селекции и генной инженерии, направленные на повышение эффективности фотосинтеза растений, дают лишь незначительные преимущества для ограниченного числа сельскохозяйственных культур. Исследователи из Калифорнийского и Делаверского университетов (США) решили пойти другим путем и разработали гибридную электрохимико-биологическую систему для производства продуктов питания на основе процесса искусственного фотосинтеза. Статья с подробным описанием разработки опубликована в журнале Nature Food.

В системе используется двустадийный электрохимический процесс, превращающий углекислый газ и воду в кислород и ацетат (из-за чего его и называют искусственным фотосинтезом). Ацетат может служить источником углерода и энергии для различного рода водорослей, дрожжей, грибов и высших растений. Причем конструкция электролизера — устройства, преобразующего углекислый газ в ацетат с использованием электричества — была оптимизирована авторами работы так, что позволила получить наибольший выход продукта на сегодня.

Общая схема электрохимико-биологической системы для производства продуктов питания из СО2 на основе искусственного фотосинтеза / © Hann E.C. et al, Nature Food, 2022

Сочетание разработанной системы фиксации углерода с солнечными панелями для получения электричества предлагает альтернативный, более энергоэффективный подход к производству продуктов питания. Так, эффективность производства биомассы микроорганизмов (зеленых водорослей) при культивировании в темноте на богатой ацетатом воде, прошедшей через электролизер, была в четыре раза выше в сравнении с обычным культивированием с доступом к солнечному свету. В то же время производство дрожжей получилось в 18 раз более энергоэффективным, чем при обычном выращивании с использованием сахара, получаемого из кукурузы.

«Мы смогли вырастить организмы, производящие пищу, без какого-либо участия биологического фотосинтеза. Обычно эти организмы выращивают на сахаре, полученном из растений, или на сырье, полученном из нефти, которая тоже продукт биологического фотосинтеза, происходившего миллионы лет назад. Наша технология — более эффективный метод превращения солнечной энергии в пищу», — объяснил соавтор исследования Элизабет Ханн (Elizabeth Hann), докторант кафедры химической и экологической инженерии Калифорнийского университета в Риверсайде.

Диаграммы использования солнечной энергии для производства продуктов питания на основе растений и водорослей сравнивают эффективность искусственного и биологического фотосинтеза. Потери при преобразовании энергии солнечного света в пищу показаны стрелками с указанием процента общей энергии, потерянной на каждом шаге / © Hann E.C. et al, Nature Food, 2022

Кроме того, ученые обнаружили, что ряд сельскохозяйственных культур (например, салат, рис, томаты, перец, табак, зеленый горошек) тоже могут использовать ацетат, получаемый на установке, в качестве дополнительного источника энергии для повышения урожайности. Таким образом, освобождая сельское хозяйство от полной зависимости от солнечного освещения, искусственный фотосинтез позволит выращивать микроорганизмы и растения во все более сложных условиях, включая изменения климата, отсутствие пахотных земель, и даже в долгосрочных космических миссиях, в том числе на Марс.

Предложенный метод производства продуктов питания признали победителем первой фазы конкурса NASA Deep Space Food Challenge — международного соревнования по созданию новых и революционных пищевых технологий, требующих минимальных затрат и обеспечивающих максимально безопасные, питательные и вкусные продукты для длительных космических миссий.

Источник: naked-science.ru