التمثيل الضوئي الاصطناعي في الظلام التام

التمثيل الضوئي الاصطناعي في الظلام التام
التمثيل الضوئي الاصطناعي في الظلام التام

يعمل الباحثون على إنشاء التمثيل الضوئي الاصطناعي للمساعدة في تحسين كفاءة الطاقة لإنتاج الغذاء على الأرض وربما يومًا ما على المريخ. منذ ملايين السنين ، تطورت عملية التمثيل الضوئي في النباتات لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة الشمسية إلى كتلة حيوية نباتية وطعام نستهلكه.

ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة غير فعالة بشكل لا يصدق لأن 1٪ فقط من الطاقة من ضوء الشمس تصل فعليًا إلى النبات. تم تطوير التمثيل الضوئي الاصطناعي من قبل باحثين من جامعات ديلاوير وكاليفورنيا ريفرسايد ليحلوا تمامًا محل الحاجة إلى التمثيل الضوئي البيولوجي وتمكين إنتاج الغذاء دون استخدام ضوء الشمس.

النباتات تنمو في الظلام الدامس x
تنمو النباتات في ظلام دامس في وسط خلات يحل محل التمثيل الضوئي البيولوجي. الائتمان: Marcus Harland-Dunaway / UCR

تستخدم الدراسة الجديدة ، التي نُشرت في 23 يونيو 2022 في مجلة Nature Food ، طريقة تحفيز كهربائي من خطوتين لتحويل ثاني أكسيد الكربون والكهرباء والماء ، وهو الشكل الكيميائي للمكون الرئيسي للخل ، إلى أسيتات.

في الظلام ، تستخدم الكائنات الحية المنتجة للغذاء مادة الأسيتات. يمكن لهذا النظام الهجين العضوي غير العضوي ، عند دمجه مع الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء لتشغيل التحفيز الكهربائي ، أن يزيد من كفاءة تحويل ضوء الشمس إلى طعام ، وهو ما يصل إلى 18 مرة أكثر كفاءة لبعض الأطعمة.

وفقًا للمؤلف المقابل روبرت جينكرسون ، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الكيميائية والبيئية بجامعة كاليفورنيا في ريفرسايد ، "من خلال نهجنا ، كنا نأمل في الكشف عن طريقة جديدة لإنتاج الطعام يمكنها التغلب على القيود التي تفرضها عملية التمثيل الضوئي البيولوجي".

تم تعديل ناتج المحلل الكهربائي للمساعدة في نمو الكائنات الحية المنتجة للغذاء لتجميع جميع أجزاء النظام.

المحلل الكهربائي عبارة عن آلات تستخدم الكهرباء لتحويل المواد الكيميائية والمنتجات غير القابلة للاستخدام مثل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد أساسية.

تم تحقيق أعلى مستويات الأسيتات التي تم إنتاجها في المحلل الكهربائي عن طريق زيادة كمية الأسيتات المنتجة مع تقليل كمية الملح المستخدمة.

يوضح Feng Jiao من جامعة ديلاوير قائلاً: "أكثر ثاني أكسيد الكربون ترادفيًا تقدمًا على مرحلتين في مختبرنا".2  CO التقليدي باستخدام إعداد التحليل الكهربائي2 تمكنا من تحقيق انتقائية عالية تجاه الأسيتات ، والتي لا يمكن الوصول إليها بوسائل التحليل الكهربائي ".

كشفت التجارب أن الأنواع المختلفة المنتجة للغذاء ، بما في ذلك الطحالب الخضراء والخمائر والفطريات الفطرية المنتجة للفطريات ، يمكن زراعتها في الظلام مباشرة على ناتج المحلل الكهربائي الغني بالأسيتات.

يعتبر إنتاج الطحالب بهذه الطريقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بحوالي أربع مرات من إجراء عملية التمثيل الضوئي. يستخدم إنتاج الخميرة طاقة أقل بنحو 18 مرة من الطرق التقليدية ، التي تستخدم عادة سكر الذرة.

"لقد تمكنا من زراعة كائنات حية يمكنها إنتاج الغذاء بدون مساعدة التمثيل الضوئي البيولوجي. تزرع هذه المخلوقات عادةً على السكريات النباتية أو المدخلات القائمة على البترول ، وهي منتجات ثانوية لعملية التمثيل الضوئي البيولوجية التي حدثت منذ ملايين السنين.

مقارنة بالطعام. هذه التقنية ، القائمة على التمثيل الضوئي البيولوجي ، هي طريقة أكثر فاعلية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طعام ، وفقًا لإليزابيث هان ، مرشحة الدكتوراه في مختبرات جينكرسون والمؤلفة الرئيسية للورقة.

كما تم النظر في إمكانية استخدام هذه التقنية لزراعة المحاصيل. عندما تزرع في الظلام ، يمكن أن تستخدم اللوبيا والطماطم والتبغ والأرز والكانولا والبازلاء الخضراء الكربون من الأسيتات.

اكتشفنا أن الأسيتات التي قدمناها يمكن أن تستخدمها نباتات مختلفة لإنشاء جزيئات أساسية يحتاجها الكائن الحي للنمو والتطور. قال الباحث دونواي: "مع بعض التربية والهندسة التي نعمل عليها حاليًا ، يمكننا زراعة المحاصيل باستخدام الأسيتات كمصدر إضافي للطاقة لزيادة المحاصيل الزراعية".

يحرر التمثيل الضوئي الاصطناعي الزراعة من الاعتماد الكامل على الشمس ، ويفتح الباب أمام خيارات لا حصر لها لزراعة الغذاء في ظل الظروف الصعبة المتزايدة التي يفرضها تغير المناخ البشري المنشأ.

إذا تمت زراعة محاصيل البشر والحيوانات في ظروف منظمة أقل كثافة في استخدام الموارد ، فإن الجفاف والفيضانات وانخفاض توافر الأراضي سيشكل تهديداً أقل للأمن الغذائي العالمي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن زراعة المحاصيل في المناطق الحضرية ومناطق أخرى غير مناسبة حاليًا للزراعة ، حتى أنها توفر الغذاء لمستكشفي الفضاء في المستقبل.

قد يكون من الممكن تغيير طريقة تناول الطعام باستخدام تقنيات التمثيل الضوئي الاصطناعي. مع زيادة كفاءة إنتاج الغذاء ، تقل الحاجة إلى الأراضي ، مما يقلل من الأثر البيئي للزراعة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تساعد كفاءة الطاقة المحسنة في إطعام المزيد من أفراد الطاقم مع استخدام مدخلات أقل للزراعة في المجالات غير التقليدية مثل الفضاء ، وفقًا لجينكرسون.

تم تقديم هذا النهج لإنتاج الغذاء إلى Deep Space Food Challenge ، حيث كانت ناسا هي الفائزة في المرحلة الأولى. مسابقة Deep Space Food Challenge هي مسابقة دولية تُمنح فيها الجوائز للفرق لابتكار تقنيات طعام جديدة ومغيرة للعبة تتطلب الحد الأدنى من المدخلات وتعظيم مخرجات الطعام الآمن والمغذي واللذيذ للمهام الفضائية طويلة الأمد.

فيما يلي تصريحات مارثا كارديناس ، رئيس مركز أبحاث تحويل النباتات بجامعة كاليفورنيا في ريفرسايد.

ما مدى بساطة الأمر بالنسبة لسكان المريخ في المستقبل إذا تمكنت السفن الضخمة من زراعة نباتات الطماطم في الظلام على المريخ في المستقبل؟

المرجع: "نظام التمثيل الضوئي الاصطناعي غير العضوي البيولوجي الهجين لإنتاج الغذاء بكفاءة في استخدام الطاقة" بقلم إليزابيث سي هان ، وشون أوفيرا ، وماركوس هارلاند-دوناواي ، وأندريس إف نارفايز ، ودانغ إن لو ، ومارثا إل أوروزكو-كارديناس ، وفينج Jiao and Robert E. Jinkerson ، 23 يونيو 2022 ، Nature Food.
DOI: 10.1038 / s43016-022-00530-x

Günceleme: 27/06/2022 21:12

إعلانات مماثلة

كن أول من يعلق

Yorumunuz