میلیون‌ها سال است که فتوسنتز در گیاهان تکامل یافته است تا آب، دی‌اکسید کربن و انرژی نوری خورشید را به زیست‌توده گیاهی و غذاهایی که می‌خوریم تبدیل کند. بااین‌حال، این فرآیند بازدهی بسیار کمی دارد به‌طوری‌که تنها حدود یک درصد از انرژی موجود در نور خورشید به گیاه ختم می‌شود. به گزارش زیستنا به نقل از UC Riverside News، پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید (University of California, Riverside) و دانشگاه دلاور (University of Delaware) راهی را یافته‌اند که بتوان نیاز به فتوسنتز زیستی را به‌طور کامل دور زد و مستقل از نور خورشید و با استفاده از فتوسنتز مصنوعی غذا تولید کرد.
این پژوهش جدید در ۲۳ ژوئن ۲۰۲۲ در ژورنال Nature Food منتشر شده است. در این تحقیق از فرآیند الکتروکاتالیزوری (Electrocatalytic) دو مرحله‌ای برای تبدیل دی‌اکسید کربن، الکتریسیته و آب به استات (Acetate) استفاده شده است. استات جزء اصلی سرکه است. سپس موجودات تولیدکننده غذا، در تاریکی استات را مصرف می‌کنند تا رشد کنند. این سامانه به همراه صفحات خورشیدی جهت تولید برق برای تأمین انرژی الکتروکاتالیزور (Electrocatalysis)، مجموعه‌ای ترکیبی آلی-معدنی را ایجاد می‌کند که می‌تواند بازده تبدیل نور خورشید به غذا را افزایش دهد. افزایش بازدهی برای تولید برخی از غذاها به ۱۸ برابر می‌رسد.
رابرت جینکرسون (Robert Jinkerson)، استادیار مهندسی شیمی و محیط زیست دانشگاه ریورساید و نویسنده مسئول این مقاله است. وی گفت: «ما با رویکردمان در تلاش برای شناسایی روش جدیدی برای تولید مواد غذایی بودیم که می‌تواند از محدودیت‌های معمول تحمیل‌شده به‌وسیله فتوسنتز زیستی عبور کند.»
به‌منظور تلفیق تمامی اجزای سامانه با هم، خروجی الکترولایزز (Electrolyzer) برای پشتیبانی از رشد موجودات زنده تولیدکننده غذا بهینه شد. الکترولایززها دستگاه‌هایی هستند که از الکتریسیته برای تبدیل مواد خام مانند دی‌اکسید کربن به مولکول‌ها و محصولات مفید استفاده می‌کنند. زمانی که میزان نمک مصرفی کاهش یافت، میزان استات تولیدشده افزایش یافت و سبب شد تا بیشترین میزان استات تولیدشده در یک الکترولایزر تا به امروز به دست آید.
فنگ جیائو (Feng Jiao)، نویسنده مسئول دیگر این مقاله از دانشگاه دلاور گفت: «ما با استفاده از پیشرفته‌ترین سیستم دو مرحله‌ای پیاپی الکترولیز CO۲ که در آزمایشگاه ما توسعه داده شد، توانستیم به گزینشگری بالایی نسبت به استات دست‌یابیم که از طریق روش‌ها متداول الکترولیز CO۲ قابل دسترسی نیست.»
آزمایش‌ها نشان داد که دامنه گسترده‌ای از موجودات زنده تولیدکننده غذا از جمله جلبک‌های سبز، مخمر و میسلیوم قارچی که قارچ تولید می‌کنند را می‌توان در تاریکی به‌طور مستقیم روی خروجی الکترولایزر که غنی از استات است رشد داد. تولید جلبک با این فناوری نزدیک به ۴ برابر بازدهی انرژی بیشتری نسبت به رشد آن به روش فتوسنتزی دارد. تولید مخمر با این روش در مقایسه با کشت با استفاده از شکر استخراج‌شده از ذرت تقریباً ۱۸ برابر بازدهی بیشتری دارد.
الیزابت هان (Elizabeth Hann) دانشجوی دکترا در آزمایشگاه جینکرسون و یکی از نویسندگان نخست مشترک این مطالعه گفت: «ما توانستیم موجودات زنده تولیدکننده غذا را بدون هیچ کمکی از فتوسنتز زیستی رشد دهیم. به‌طورمعمول، این موجودات روی قندهای مشتق شده از گیاهان یا نهاده‌های مشتق از نفت – که محصول فتوسنتز زیستی انجام شده در میلیون‌ها سال پیش هستند – کشت داده می‌شوند. این فناوری در مقایسه با تولید مواد غذایی وابسته به فتوسنتز زیستی، روش کارآمدتری برای تبدیل انرژی خورشیدی به غذا است.»
قابلیت به‌کارگیری این فناوری برای رشد گیاهان زراعی نیز مورد بررسی قرار گرفت. لوبیا چشم‌بلبلی، گوجه‌فرنگی، تنباکو، برنج، کانولا و نخود سبز همگی توانستند از کربن استات در هنگام کشت در تاریکی استفاده کنند.
مارکوس هارلند داناوی (Marcus Harland-Dunaway) دانشجوی دکتری آزمایشگاه جینکرسون و یکی دیگر از نویسندگان نخست این مطالعه گفت: «ما دریافتیم دامنه گسترده‌ای از محصولات می‌توانند استاتی را که ما تهیه کرده‌ایم جذب کنند و آن را در پیش‌سازهای مولکولی اصلی مورد نیاز برای رشد و نمو بگنجانند. با برخی اصلاحات و مهندسی که هم‌اکنون روی آن کار می‌کنیم، ممکن است بتوانیم محصولاتی را با استات به‌عنوان منبع انرژی اضافی برای افزایش عملکرد محصول پرورش دهیم.»
فتوسنتز مصنوعی با آزاد کردن کشاورزی از وابستگی کامل به خورشید، راه را بر روی امکانات بی‌شماری برای رشد مواد غذایی در شرایطی باز می‌کند که وضعیت با تغییرات آب و هوایی ایجاد شده به‌وسیله انسان به‌طور فزاینده سخت می‌شود. اگر محصولات مورد نیاز انسان و حیوانات در محیط‌هایی با منابع کمتر و کنترل‌شده رشد کنند، دیگر خشکسالی، سیل و کاهش دسترسی به زمین، تهدیدی کمتری برای امنیت غذایی جهانی خواهد بود. همچنین می‌توان محصولات کشاورزی را در شهرها و مناطق دیگری کشت داد که در حال حاضر برای کشاورزی نامناسب است و حتی برای کاوشگران فضایی آینده غذا فراهم کرد.
جینکرسون گفت: «استفاده از رویکردهای فتوسنتز مصنوعی برای تولید غذا می‌تواند تغییری اساسی برای چگونگی تغذیه مردم باشد. با افزایش کارایی تولید مواد غذایی، زمین کمتری مورد نیاز است که این امر تأثیر کشاورزی بر محیط زیست را کاهش می‌دهد و برای کشاورزی در محیط‌های غیر سنتی، مانند فضای خارج از جو، افزایش بازدهی انرژی می‌تواند به تغذیه افراد بیشتر با نهاده‌های کمتر کمک کند.»
این رویکرد تولید غذا به چالش غذا در عمق فضا مربوط به ناسا (NASA’s Deep Space Food Challenge) ارائه شد که در آنجا در مرحله نخست برنده شد. چالش غذا در عمق فضا مسابقه‌ای بین‌المللی است که در آن جوایزی به گروه‌هایی تعلق می‌گیرد تا فناوری‌های غذایی جدید و تحول‌آفرینی را ایجاد کنند. فناوری‌هایی که به کمترین میزان از نهاده‌ها نیاز دارند و بیشترین مقدار از محصولات غذایی ایمن، مغذی و خوش‌طعم را برای مأموریت‌های فضایی دراز‌مدت تأمین می‌کنند.
مارتا اوروزکو-کاردناس (Martha Orozco-Cárdenas) از نویسندگان مقاله و مدیر مرکز تحقیقات تحول گیاهان در دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید گفت: «تصور کنید روزی کشتی‌های فضایی غول‌پیکر گیاه گوجه‌فرنگی را در تاریکی و روی مریخ رشد می‌دهند. چقدر برای مریخی‌های آینده این وضعیت ساده‌تر خواهد بود؟»
منبع: UC Riverside News
Journal Reference:
Hann, Elizabeth C., Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas, Feng Jiao, and Robert E. Jinkerson. “A Hybrid Inorganic–Biological Artificial Photosynthesis System for Energy-Efficient Food Production.” Nature Food ۳, no. 6 (2022): 461–۷۱. https://doi.org/10.1038/s43016-022-00530-x.