Fotosintesis Buatan Boleh Menghasilkan Makanan dalam Kegelapan Sepenuhnya

Tumbuhan tumbuh dalam kegelapan sepenuhnya dalam medium asetat yang menggantikan fotosintesis biologi. Kredit: Marcus Harland-Dunaway/UCR

Fotosintesis buatan sedang dibangunkan oleh penyelidik untuk membantu menjadikan pengeluaran makanan lebih cekap tenaga di Bumi, dan mungkin suatu hari nanti Marikh.

Selama berjuta-juta tahun, fotosintesis telah berkembang dalam tumbuhan untuk menukar air, karbon dioksida, dan tenaga daripada cahaya matahari kepada biojisim tumbuhan dan makanan yang kita makan. Walau bagaimanapun, proses ini sangat tidak cekap, dengan hanya sekitar 1% daripada tenaga yang terdapat dalam cahaya matahari berakhir di loji. Penyelidik di University of California, Riverside dan University of Delaware telah menemui cara untuk memintas keperluan untuk fotosintesis biologi sama sekali dan mencipta makanan bebas daripada cahaya matahari dengan menggunakan fotosintesis buatan.

Penyelidikan baru, yang diterbitkan pada 23 Jun 2022, dalam jurnal Makanan Alam Semulajadi, menggunakan proses elektrokatalitik dua langkah untuk menukar karbon dioksida, elektrik, dan air kepada asetat, bentuk komponen utama cuka. Organisma penghasil makanan kemudian mengambil asetat dalam gelap untuk membesar. Digabungkan dengan panel solar untuk menjana tenaga elektrik untuk menjana kuasa elektrokatalisis, sistem organik-tak organik hibrid ini boleh meningkatkan kecekapan penukaran cahaya matahari kepada makanan, sehingga 18 kali lebih cekap untuk sesetengah makanan.

“Dengan pendekatan kami, kami berusaha untuk mengenal pasti cara baharu menghasilkan makanan yang boleh menembusi had yang biasanya dikenakan oleh fotosintesis biologi,” kata penulis yang sepadan Robert Jinkerson, penolong profesor kejuruteraan kimia dan alam sekitar UC Riverside.

Untuk mengintegrasikan semua komponen sistem bersama-sama, output elektrolisis telah dioptimumkan untuk menyokong pertumbuhan organisma penghasil makanan. Elektroliser ialah peranti yang menggunakan elektrik untuk menukar bahan mentah seperti karbon dioksida kepada molekul dan produk yang berguna. Jumlah asetat yang dihasilkan telah meningkat manakala jumlah garam yang digunakan telah dikurangkan, menyebabkan paras asetat tertinggi pernah dihasilkan dalam elektrolisis setakat ini.

“Menggunakan tandem dua langkah terkini CO2 persediaan elektrolisis yang dibangunkan di makmal kami, kami dapat mencapai selektiviti tinggi terhadap asetat yang tidak boleh diakses melalui CO konvensional2 laluan elektrolisis,” kata pengarang yang sepadan Feng Jiao di Universiti Delaware.

Eksperimen menunjukkan bahawa pelbagai jenis organisma penghasil makanan boleh ditanam dalam gelap terus pada keluaran elektrolisis yang kaya dengan asetat, termasuk alga hijau, yis dan miselium kulat yang menghasilkan cendawan. Menghasilkan alga dengan teknologi ini adalah kira-kira empat kali ganda lebih cekap tenaga daripada menanamnya secara fotosintesis. Pengeluaran yis adalah kira-kira 18 kali ganda lebih cekap tenaga daripada cara ia biasanya ditanam menggunakan gula yang diekstrak daripada jagung.

“Kami dapat mengembangkan organisma penghasil makanan tanpa sebarang sumbangan daripada fotosintesis biologi. Lazimnya, organisma ini ditanam pada gula yang diperoleh daripada tumbuhan atau input yang diperoleh daripada petroleum—yang merupakan hasil fotosintesis biologi yang berlaku berjuta-juta tahun dahulu. Teknologi ini adalah kaedah yang lebih cekap untuk menukar tenaga suria kepada makanan, berbanding pengeluaran makanan yang bergantung kepada fotosintesis biologi,” kata Elizabeth Hann, calon kedoktoran dalam Makmal Jinkerson dan pengarang utama kajian itu.

Potensi untuk menggunakan teknologi ini untuk menanam tanaman juga disiasat. Kacang lembu, tomato, tembakau, beras, kanola, dan kacang hijau semuanya dapat menggunakan karbon daripada asetat apabila ditanam dalam gelap.

“Kami mendapati bahawa pelbagai jenis tanaman boleh mengambil asetat yang kami sediakan dan membinanya menjadi blok bangunan molekul utama yang diperlukan oleh organisma untuk berkembang dan berkembang. Dengan beberapa pembiakan dan kejuruteraan yang sedang kami usahakan, kami mungkin dapat menanam tanaman dengan asetat sebagai sumber tenaga tambahan untuk meningkatkan hasil tanaman, “kata Marcus Harland-Dunaway, calon kedoktoran di Makmal Jinkerson dan pengarang utama bersama kajian tersebut.

Dengan membebaskan pertanian daripada pergantungan sepenuhnya kepada matahari, fotosintesis buatan membuka pintu kepada banyak kemungkinan untuk menanam makanan di bawah keadaan yang semakin sukar yang dikenakan oleh perubahan iklim antropogenik. Kemarau, banjir dan ketersediaan tanah yang berkurangan akan menjadi kurang ancaman kepada keselamatan makanan global jika tanaman untuk manusia dan haiwan berkembang dalam persekitaran yang kurang intensif sumber dan terkawal. Tanaman juga boleh ditanam di bandar dan kawasan lain yang pada masa ini tidak sesuai untuk pertanian, malah menyediakan makanan untuk peneroka angkasa lepas.

“Menggunakan pendekatan fotosintesis buatan untuk menghasilkan makanan boleh menjadi anjakan paradigma untuk cara kita memberi makan kepada orang ramai. Dengan meningkatkan kecekapan pengeluaran makanan, kurang tanah diperlukan, mengurangkan kesan pertanian terhadap alam sekitar. Dan untuk pertanian dalam persekitaran bukan tradisional, seperti angkasa lepas, peningkatan kecekapan tenaga boleh membantu memberi makan kepada lebih ramai anak kapal dengan input yang kurang,” kata Jinkerson.

Pendekatan pengeluaran makanan ini telah dikemukakan kepada NASACabaran Makanan Angkasa Dalam di mana ia merupakan pemenang Fasa I. Cabaran Makanan Angkasa Dalam ialah pertandingan antarabangsa di mana hadiah diberikan kepada pasukan untuk mencipta teknologi makanan baru dan mengubah permainan yang memerlukan input minimum dan memaksimumkan keluaran makanan yang selamat, berkhasiat dan sedap untuk misi angkasa lepas jangka panjang.

“Bayangkan suatu hari nanti kapal gergasi menanam pokok tomato dalam gelap dan di Marikh-berapa mudahkah itu untuk orang Marikh masa depan?” kata pengarang bersama Martha Orozco-Cárdenas, pengarah Pusat Penyelidikan Transformasi Loji Tepi Sungai UC.

Rujukan: “Sistem fotosintesis tiruan bukan organik-biologi hibrid untuk pengeluaran makanan cekap tenaga” oleh Elizabeth C. Hann, Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas, Feng Jiao dan Robert E. Jinkerson, 23 Jun 2022, Makanan Alam Semulajadi.
DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x

Andres Narvaez, Dang Le, dan Sean Overa juga menyumbang kepada penyelidikan. Kertas akses terbuka bertajuk “Sistem fotosintesis tiruan bukan organik-biologi hibrid untuk pengeluaran makanan yang cekap tenaga.”

Penyelidikan itu disokong oleh Institut Penyelidikan Terjemahan untuk Kesihatan Angkasa (TRISH) melalui NASA (NNX16AO69A), Yayasan Penyelidikan Makanan dan Pertanian (FFAR), Yayasan Pautan, Yayasan Sains Kebangsaan AS dan Jabatan Tenaga AS. Kandungan penerbitan ini adalah tanggungjawab pengarang semata-mata dan tidak semestinya mewakili pandangan rasmi Yayasan Penyelidikan Makanan dan Pertanian.

We want to thank the author of this article for this remarkable content

Fotosintesis Buatan Boleh Menghasilkan Makanan dalam Kegelapan Sepenuhnya


Take a look at our social media profiles and also other related pageshttps://paw6.info/related-pages/