فتوسنتز مصنوعی با کارایی ۱۸ برابری نسبت به فتوسنتز طبیعی انجام شد

فتوسنتز در طول میلیون‌ها سال 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 رشد گیاه می شود. دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا و دانشگاه دلوار راهی برای دور زدن نیاز به فتوسنتز طبیعی و ایجاد فرآیندی مستقل از نور خورشید با استفاده از فتوسنتز مصنوعی یافته‌اند.

این تحقیق که نتایج آن در Nature Food منتشر شده است، از یک فرآیند الکتروکاتالیستی دو مرحله‌ای برای تبدیل دی اکسید کربن، الکتریسیته و آب به استات، استفاده می کند. سپس ارگانیسم های تولید کننده غذا برای رشد استات را در تاریکی مصرف می‌کنند. 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 کالیفرنیا، می‌گوید: « ما به دنبال شناسایی روش جدیدی برای تولید مواد غذایی بودیم که می‌تواند از محدودیت‌های معمول فتوسنتز زیستی عبور کند.»

به منظور ادغام تمام اجزای سیستم با هم، خروجی الکترولیز برای حمایت از رشد ارگانیسم های تولید کننده غذا بهینه شد. الکترولیزها دستگاه‌هایی هستند که از الکتریسیته برای تبدیل مواد خام مانند دی اکسید کربن به مولکول ها و محصولات مفید استفاده می کنند. در این فناوری، 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.

فنگ جیو از محققان این پروژه گفت: «با استفاده از پیشرفته‌ترین سیستم 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.»

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

الیزابت هان می‌گوید: «ما توانستیم ارگانیسم‌های تولید کننده غذا را بدون هیچ کمکی از فتوسنتز زیستی رشد دهیم. به طور معمول، این موجودات بر روی قندهای مشتق شده از گیاهان یا مواد نفتی - که محصولی از فتوسنتز زیستی است که میلیون ها سال پیش انجام شده است، کشت می شوند. این فناوری در مقایسه با تولید مواد غذایی که به فتوسنتز زیستی 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 استات در هنگام کشت در تاریکی بودند.

با رهایی کشاورزی از وابستگی کامل به خورشید، فتوسنتز مصنوعی در را به روی امکانات بی‌شماری برای رشد مواد غذایی تحت شرایط سخت‌تر تحمیل‌شده توسط تغییرات آب و هوایی انسانی باز می‌کند. خشکسالی، سیل، و کاهش دسترسی به زمین، تهدید کمتری برای امنیت غذایی جهانی خواهند بود، اگر محصولات برای انسان و حیوانات در محیط‌هایی با منابع کمتر و کنترل‌شده رشد کنند. همچنین می‌توان محصولات کشاورزی را در شهرها و سایر مناطقی که در حال حاضر برای کشاورزی نامناسب است، کشت کرد و حتی برای کاوشگران فضایی آینده غذا فراهم کرد.