Выращивание растений без солнечного света поможет справится с продовольственным кризисом и обеспечит продуктами питания будущих колонистов на других планетах, например, на Марсе.
Процесс фотосинтеза развивался на протяжении миллионов лет. В результате вода, углекислый газ и энергия солнечного света превращалась в растительную биомассу, то есть продукты, которые мы едим. Однако этот процесс по своим затратам очень неэффективен, поскольку только около 1% энергии, содержащегося в солнечном свете, попадает в растение.
Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета Делавэра нашли способ выращивать растения в темноте с помощью искусственного фотосинтеза.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Food, используется двухэтапный электрокаталитический процесс для преобразования углекислого газа, электричества и воды в ацетат — химическое соединение, основной компонент уксуса. Именно ацетат позволяет растениям хорошо расти и плодоносить без солнечного света.
Эксперименты показали, что в темноте можно выращивать широкий спектр живых организмов, включая зеленые водоросли, дрожжи и грибной мицелий. Производство водорослей с помощью этой технологии примерно в четыре раза более энергоэффективно, чем выращивание их фотосинтетическим способом. Производство дрожжей примерно в 18 раз более экономично, чем при обычном выращивании с использованием сахаров, извлеченных из кукурузы.
— Мы смогли выращивать организмы, производящие пищу, без какого-либо участия биологического фотосинтеза. Эта технология является более эффективным методом превращения солнечной энергии в пищу по сравнению с производством продуктов питания, основанным на биологическом фотосинтезе, — говорит Элизабет Ханн, соавтор исследования.
Ученые исследовали потенциал использования этой технологии для выращивания культурных растений. Томаты, табак, рис, рапс и зеленый горошек — все они были способны утилизировать углерод из ацетата при выращивании в темноте.
— Мы обнаружили, что многие сельскохозяйственные культуры способны усваивать ацетат и превращать его в основные молекулярные строительные блоки, необходимые живому растению для роста и развития. С помощью селекции и генной инженерии человек в дальнейшем мог бы выращивать сельхозкультуры с использованием ацетата в качестве дополнительного источника энергии для повышения урожайности, — считает Маркус Харланд-Данауэй, соавтор исследования.
Искусственный фотосинтез открывает возможность для производства продуктов питания в суровых климатических условиях. Засуха, наводнения и сокращение плодородных земель представляли бы меньшую угрозу для глобальной продовольственной безопасности, если бы сельскохозяйственные культуры для людей и животных выращивались в менее ресурсоемких условиях. Зерновые культуры также можно было бы выращивать в городах и других районах, в настоящее время непригодных для сельского хозяйства, и даже обеспечивать продовольствием будущих исследователей космоса.
— Использование методов искусственного фотосинтеза для производства продуктов питания может полностью изменить представление о том, как можно обеспечить людей продовольствием. За счет повышения эффективности производства потребуется меньше земли, что снижает негативное воздействие сельского хозяйства на окружающую среду, — отмечает Маркус Харланд-Данауэй.
Этот подход к производству продуктов питания был представлен на конкурсе NASA Deep Space Food Challenge, где он стал победителем первого этапа. Deep Space Food Challenge — это международное соревнование, в котором призы присуждаются исследователям, создающим новые способы производства продуктов питания, требующих минимальных затрат.
— Представьте себе, что когда-нибудь на космических кораблях будут выращивать томаты в темноте или на Марсе — насколько это будет проще для будущих землян, покоряющих далекий космос? — задается вопросом соавтор исследования Марта Ороско-Карденас, директор Исследовательского центра трансформации растений Калифорнийского университета в Риверсайде.