کشاورزی بدون نیاز به نور خورشید ممکن شد

دانشمندان راهی برای دور زدن نیاز گیاهان به فتوسنتز زیستی و تولید غذا مستقل از نور خورشید با استفاده از فتوسنتز مصنوعی ایجاد کرده‌اند.

به گزارش ایسنا و به نقل از ساینس‌دیلی، در این فناوری از یک فرآیند الکتروکاتالیستی دو مرحله‌ای برای تبدیل دی اکسید کربن، الکتریسیته و آب به اَسِتات استفاده می‌شود. سپس ارگانیسم‌های تولید کننده غذا برای رشد در تاریکی می‌توانند اَسِتات به دست آمده را مصرف کنند. علاوه بر آن، این سیستم ترکیبی آلی- معدنی می‌تواند بازدهی نور خورشید را افزایش دهد که در برخی از غذاها تا ۱۸ برابر کارآمدتر خواهد بود.

میلیون‌ها سال است که فتوسنتز در گیاهان تکامل یافته تا آب، دی اکسید کربن و انرژی نور خورشید را به زیست‌توده گیاهی و غذاهایی که می‌خوریم تبدیل کند. با این حال، این فرآیند بسیار ناکارآمد است و تنها حدود یک درصد از انرژی موجود در نور خورشید به گیاهان می‌رسد. دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا ریورساید(UC Riverside) و دانشگاه دلاور(Delaware) راهی برای دور زدن نیاز به فتوسنتز زیستی و ایجاد غذا مستقل از نور خورشید با استفاده از فتوسنتز مصنوعی یافته‌اند.

در این مطالعه که در مجله‌ی Nature Food منتشر شده است، از یک فرآیند الکتروکاتالیستی دو مرحله‌ای برای تبدیل دی اکسید کربن، الکتریسیته و آب به اَسِتات، استفاده می‌شود. سپس ارگانیسم‌های تولید کننده غذا برای رشد در تاریکی، این ماده را مصرف می‌کنند.

رابرت جینکرسون(Robert Jinkerson)، از نویسندگان این مقاله و استادیار مهندسی شیمی و محیط زیست دانشگاه ریورساید، می‌گوید: ما با این رویکرد به دنبال شناسایی روش جدیدی برای تولید مواد غذایی بودیم که از محدودیت‌های معمول که در نتیجه‌ نیاز به فتوسنتز ایجاد می‌شود، عبور کند.

به منظور ادغام تمام اجزای سیستم با یکدیگر، خروجی الکترولیزگر(electrolyzer) برای حمایت از رشد ارگانیسم‌های تولید کننده غذا، بهینه‌سازی شد. الکترولیزگرها، دستگاه‌هایی هستند که از الکتریسیته برای تبدیل مواد خام مانند دی اکسید کربن به مولکول‌ها و محصولات مفید استفاده می‌کنند. در این فرآیند مقدار اَسِتات تولید شده افزایش یافت در حالی که میزان نمک مصرفی کاهش یافت و در نتیجه بالاترین سطح اَسِتات تولید شده در یک الکترولیزگر تا به امروز تولید شد.

آزمایش‌ها نشان داد که طیف وسیعی از ارگانیسم‌های تولیدکننده غذا از جمله جلبک‌های سبز، مخمرها و میسلیوم‌های قارچ را می‌توان در تاریکی، مستقیماً بر روی الکترولیزگر غنی از اَسِتات، رشد داد. تولید جلبک با این فناوری تقریباً چهار برابر کارآمدتر از تولید آن به صورت سنتی با فتوسنتز است. تولید مخمر با این روش نیز تقریباً ۱۸ برابر از نظر انرژی، کارایی بیشتری نسبت به روش‌های دیگر دارد.

الیزابت هان(Elizabeth Hann) از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: ما توانستیم ارگانیسم‌های تولید کننده غذا را بدون فتوسنتز زیستی رشد دهیم. به طور معمول، این موجودات بر روی قندهای مشتق شده از گیاهان یا مواد اولیه حاصل از نفت که محصول فتوسنتز زیستی انجام شده در میلیون‌ها سال قبل هستند، کشت می‌شوند. این فناوری روش کارآمدتری برای تبدیل انرژی خورشیدی به غذا است.

پتانسیل استفاده از این فناوری برای کشت گیاهان زراعی نیز مورد بررسی قرار گرفت. لوبیا چشم بلبلی، گوجه فرنگی، تنباکو، برنج، کانولا و نخود سبز همگی قادر به استفاده از کربن اَسِتات و رشد در تاریکی بودند.

مارکوس هارلند داناوی(Marcus Harland-Dunaway) یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، می‌گوید: ما دریافتیم که طیف وسیعی از محصولات می‌توانند اَسِتاتی را که ما تهیه کرده‌ایم مصرف کنند.

با رهایی کشاورزی از وابستگی کامل به نور خورشید، فتوسنتز مصنوعی درب را به روی امکانات بی‌شماری برای کشت مواد غذایی تحت شرایط سخت‌تر باز می‌کند. اگر محصولات برای انسان و حیوانات در محیط‌هایی با منابع کمتر و کنترل‌شده رشد کنند، دیگر خشکسالی، سیل، و کاهش دسترسی به خاک، تهدیدی برای امنیت غذایی جهانی نخواهد بود. همچنین می‌توان محصولات کشاورزی را در شهرها و سایر مناطقی که در حال حاضر برای کشاورزی نامناسب هستند، کشت داد و حتی برای کاوشگران فضایی در آینده نیز غذا فراهم کرد.

این رویکرد به چالش غذایی فضای عمیق ناسا(NASA's Deep Space Food Challenge) نیز ارائه شد و از مرحله اول این چالش عبور کرد. چالش غذایی فضای عمیق فضایی یک مسابقه بین‌المللی است که در آن جوایزی به تیم‌های‌ برنده اهدا می‌شود. این تیم‌ها باید فناوری‌های غذایی جدید و متحول کننده‌ای ارائه کنند که در آن‌ها با حداقل مواد اولیه می‌توان غذایی سالم، مغذی و خوش‌خوراک برای ماموریت‌های فضایی طولانی مدت تهیه کرد.