La fotosíntesis ha evolucionado en las plantas durante millones de años para transformar el agua, el dióxido de carbono y la energía de la luz solar en biomasa vegetal y los alimentos que comemos.
Sin embargo, este proceso es muy ineficiente, ya que solo alrededor del 1% de la energía que se encuentra en la luz solar termina en la planta.
Científicos de UC Riverside y la Universidad de Delaware han encontrado una manera de evitar por completo la necesidad de la fotosíntesis biológica y crear alimentos independientes de la luz solar mediante la fotosíntesis artificial.
Plantas que crecen en un medio electrolizado que contiene acetato que reemplaza la fotosíntesis natural
La investigación utiliza un proceso electrocatalítico de dos pasos para convertir el dióxido de carbono, la electricidad y el agua en acetato, el componente principal del vinagre. Los organismos productores de alimentos luego consumen acetato en la oscuridad para crecer.
Combinado con paneles solares para generar electricidad para impulsar la electrocatálisis, este sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar la eficiencia de convertir la luz solar en alimentos, hasta 18 veces más eficiente para algunos alimentos.
“Con nuestro enfoque, buscamos identificar una nueva forma de producir alimentos que pudiera superar los límites normalmente impuestos por la fotosíntesis biológica”, dijo el autor correspondiente Robert Jinkerson, profesor asistente de ingeniería química y ambiental en UC Riverside.
Para integrar todos los componentes del sistema, la salida del electrolizador se ha optimizado para apoyar el crecimiento de organismos para la producción de alimentos. Los electrolizadores son dispositivos que usan electricidad para convertir materias primas como el dióxido de carbono en moléculas y productos útiles. La cantidad de acetato producido aumentó mientras que la cantidad de sal utilizada se redujo, lo que dio como resultado los niveles de acetato más altos jamás producidos en un electrolizador hasta la fecha.
“Usando una configuración de electrólisis de CO2 en tándem de última generación desarrollada en nuestro laboratorio, pudimos lograr una alta selectividad hacia el acetato al que no se puede acceder a través de las vías convencionales de electrólisis de CO2”, dijo el autor corresponsal Feng Jiao de la Universidad de Delaware.
Los experimentos han demostrado que una amplia gama de organismos productores de alimentos se pueden cultivar en la oscuridad directamente a la salida del electrolizador rico en acetato, incluidas las algas verdes, la levadura y el micelio fúngico que produce hongos. La producción de algas con esta tecnología es aproximadamente cuatro veces más eficiente energéticamente que el cultivo fotosintético. La producción de levadura es aproximadamente 18 veces más eficiente desde el punto de vista energético que la forma típica en que se cultiva utilizando azúcar extraída del maíz.
“Pudimos cultivar organismos para la producción de alimentos sin ninguna contribución de la fotosíntesis biológica. Por lo general, estos organismos se cultivan con azúcares derivados de plantas o insumos derivados del petróleo, que es un producto de la fotosíntesis biológica que ocurrió hace millones de años. Esta tecnología es un método más eficiente para convertir la energía solar en alimentos que la producción de alimentos que se basa en la fotosíntesis biológica”, dijo Elizabeth Hann, estudiante de doctorado en Jinkerson Lab y coautora principal del estudio.
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También se investigó el potencial del uso de esta tecnología para cultivar plantas. El caupí, el tomate, el tabaco, el arroz, la canola y el guisante pudieron utilizar el carbono del acetato cuando se cultivaron en la oscuridad.
“Descubrimos que una amplia gama de cultivos podría tomar el acetato que proporcionamos y convertirlo en los principales componentes moleculares que un organismo necesita para crecer y prosperar. Con un poco de mejoramiento e ingeniería en los que estamos trabajando actualmente, podríamos ser capaces de cultivar con acetato como fuente de energía adicional para aumentar los rendimientos “, dijo Marcus Harland-Dunaway, candidato a doctorado en Jinkerson Lab y coautor principal del estudio.
Al liberar a la agricultura de la dependencia total del sol, la fotosíntesis artificial abre la puerta a innumerables posibilidades para cultivar alimentos en las condiciones cada vez más difíciles que impone el cambio climático antropogénico. Las sequías, las inundaciones y la disponibilidad reducida de tierras representarían una amenaza menor para la seguridad alimentaria mundial si los cultivos para humanos y animales se cultivaran en entornos controlados y con menos recursos. Los cultivos también podrían cultivarse en ciudades y otras áreas que actualmente no son aptas para la agricultura e incluso proporcionar alimentos para futuros exploradores espaciales.
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“El uso de enfoques de fotosíntesis artificial para producir alimentos podría ser un cambio de paradigma en la forma en que alimentamos a las personas. Al aumentar la eficiencia de la producción de alimentos, se necesita menos tierra, lo que disminuye el impacto de la agricultura en el medio ambiente. Y para la agricultura en entornos no tradicionales, como el espacio, una mayor eficiencia energética podría ayudar a alimentar a más miembros de la tripulación con menos insumos”, dijo Jinkerson.
Este enfoque de la producción de alimentos se presentó en el Desafío de Alimentos en el Espacio Profundo de la NASA, donde ganó la Fase I. El Desafío de Alimentos en el Espacio Profundo es una competencia internacional en la que se otorgan premios a los equipos que crean tecnologías alimentarias innovadoras y revolucionarias que requieren un aporte mínimo y maximizan la producción de alimentos seguros, nutritivos y sabrosos para misiones espaciales de larga duración.
“Imagínese un día macetas gigantes cultivando plantas de tomate en la oscuridad y en Marte, ¿cuánto más fácil sería para los futuros marcianos?” dijo la coautora Martha Orozco-Cárdenas, directora del Centro de Investigación de Transformación de Plantas Riverside de la UC.
Esta investigación fue publicada en Comida natural.
Fuente: Universidad de California, Riverside
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