Kunstig fotosyntese giver vækst i mørke

Forskere er ved hjælp af to-trins elektrokatalytisk proces lykkedes med at omdanne kuldioxid, elektricitet og vand til acetat. Organismerne optager derefter acetat i mørke for at vokse. Det hybride organisk-uorganiske system kunne øge omdannelseseffektiviteten af sollys til plantemasse, op til 18 gange mere effektivt end almindelig fotosyntese i nogle tilfælde.

Fotosyntese har udviklet sig i planter i millioner af år for at omdanne vand, kuldioxid og energien fra sollys til plantebiomasse og de fødevarer, vi spiser. Denne proces er imidlertid meget ineffektiv, idet kun cirka en procent af energien, der findes i sollys, ender i planten.

Omdanne kuldioxid, elektricitet og vand

Forskere ved University of California - Riverside og University of Delaware har fundet en måde at omgå behovet for biologisk fotosyntese helt og få plantevækst uafhængigt af sollys ved at bruge kunstig fotosyntese.

Forskningen, der er offentliggjort i Nature Food, bruger en to-trins elektrokatalytisk proces til at omdanne kuldioxid, elektricitet og vand til acetat, der er hovedkomponenten i eddike.

Organismen optager derefter acetat i mørke for at vokse. Kombineret med solpaneler til at generere elektricitet til at drive elektrokatalysen, kan dette hybride organisk-uorganiske system øge omdannelseseffektiviteten af sollys til fødevarer, op til 18 gange mere effektivt for nogle typer planter.

- Med vores tilgang ville vi finde en ny måde at producere mad på, som kunne bryde med de grænser, der normalt er for biologisk fotosyntese, siger medforfatter Robert Jinkerson, der er assisterende professor i kemi- og miljøteknik ved University of California - Riverside.

For at integrere alle komponenter i systemet, blev elektrolysatorens output optimeret til at understøtte væksten af fødevareproducerende organismer. Elektrolysatorer er enheder, der bruger elektricitet til at omdanne råmaterialer som kuldioxid til nyttige molekyler for planten.

- Ved at bruge et avanceret to-trins tandem CO2-elektrolyse-opsætning udviklet i vores laboratorium, var vi i stand til at opnå en høj selektivitet over for acetat, siger medforfatter Feng Jiao fra University of Delaware.

Eksperimenter viste, at en lang række fødevareproducerende organismer kan dyrkes i mørke direkte på det acetat-rige elektrolysator-output, herunder grønne alger, gær og svampemycelium, der producerer svampe.

At producere alger med denne teknologi er cirka fire gange mere energieffektivt end at dyrke det fotosyntetisk. Gærproduktionen er omkring 18 gange mere energieffektiv end den, den typisk dyrkes ved hjælp af sukker udvundet af majs.

Flere afgrøder kan udnytte kulstof fra acetat

Potentialet for at anvende denne teknologi til at dyrke afgrødeplanter blev også undersøgt. Vignabønner, tomat, tobak, ris, raps og grønne ærter var alle i stand til at udnytte kulstof fra acetat, når de blev dyrket i mørke.

- Vi fandt ud af, at en bred vifte af afgrøder kunne bruge det acetat, vi leverede som vigtigste molekylære byggesten, organismen har brug for. Med noget forædling og teknik, som vi i øjeblikket arbejder på, vil vi muligvis være i stand til at dyrke afgrøder med acetat som en ekstra energikilde til at øge afgrødeudbyttet, siger Marcus Harland-Dunaway, fra Jinkerson Lab, som er medforfatter til undersøgelsen.

Ved at fjerne afhængighed af solen, åbner kunstig fotosyntese døren til utallige muligheder for at dyrke fødevarer uanset vejrforhold og klimaforandringer. Tørke, oversvømmelser og reduceret jordtilgængelighed vil dermed være en mindre trussel mod den globale fødevaresikkerhed.

- At bruge kunstige fotosyntese til at producere fødevarer kan være et paradigmeskifte for, hvordan vi laver fødevarer. Ved at øge effektiviteten af fødevareproduktionen er der behov for mindre jord, hvilket mindsker den indvirkning, landbruget har på miljøet, siger Marcus Harland-Dunaway.