Los científicos han desarrollado la fotosíntesis artificial como medio para producir alimentos sin necesidad de la fotosíntesis orgánica.
Fotosíntesis artificial
El proceso convierte el agua, la energía y el dióxido de carbono en acetato a lo largo de dos pasos electrocatalíticos.
Después, en la oscuridad, los organismos que producen alimentos utilizan el acetato. La conversión de la luz solar en alimento podría ser hasta 18 veces más eficiente con el sistema híbrido orgánico-inorgánico.
Durante millones de años, la fotosíntesis se ha desarrollado en las plantas para convertir el agua, el dióxido de carbono y la energía solar en biomasa vegetal y en los alimentos que consumen los humanos.
Sin embargo, este mecanismo es increíblemente ineficiente, ya que sólo el 1% de la energía de la luz solar llega realmente a la planta.
Al adoptar la fotosíntesis artificial, los investigadores de las universidades de Delaware y Riverside han descubierto un medio para producir alimentos sin el requisito de la fotosíntesis biológica.
El estudio utilizó un proceso electrocatalítico de dos pasos para transformar el CO2, la energía y el agua en acetato, que es la forma química del ingrediente principal del vinagre.
Luego, en la oscuridad, los organismos que producen alimentos utilizan el acetato. Este sistema híbrido orgánico-inorgánico podría mejorar la eficiencia de la conversión de la luz solar en alimentos, hasta 18 veces más eficiente para algunos cultivos, cuando se combina con paneles solares para crear la electricidad que alimenta la electrocatálisis.
Con nuestro enfoque esperábamos descubrir un medio novedoso de fabricar alimentos que pudiera romper las restricciones impuestas por la fotosíntesis biológica, Robert Jinkerson, profesor adjunto de Ingeniería Química y Medioambiental de la Universidad de California en Riverside.
La salida del electrolizador se ajustó para ayudar al crecimiento de los organismos productores de alimentos con el fin de unir todas las partes del sistema.
Los electrolizadores son máquinas que utilizan la electricidad para transformar sustancias químicas y productos inutilizables, como el CO2, en recursos básicos. Las mayores cantidades de acetato generadas en un electrolizador hasta la fecha se consiguieron aumentando la cantidad de acetato producido y reduciendo la cantidad de sal utilizada.
Fuimos capaces de obtener una alta selectividad hacia el acetato que no se puede alcanzar con las vías tradicionales de electrólisis de CO2 utilizando un montaje de electrólisis de CO2 en tándem de última generación construido en nuestro laboratorio, Feng Jiao, Universidad de Delaware.
Los experimentos revelaron que una variedad de especies productoras de alimentos, incluidas las algas verdes, la levadura y el micelio de hongos que produce setas, pueden cultivarse en la oscuridad directamente en la salida del electrolizador rica en acetato.
Con este método, la producción de algas es unas cuatro veces más eficiente desde el punto de vista energético que su cultivo por fotosíntesis. Cuando se utiliza el azúcar del maíz en lugar de los métodos de cultivo tradicionales, la producción de levadura es unas 18 veces más eficiente desde el punto de vista energético.
Sin ninguna ayuda de la fotosíntesis biológica, hemos sido capaces de desarrollar criaturas que producen alimentos. Estas criaturas suelen crecer con azúcares vegetales o ingredientes derivados del petróleo, que son subproductos de la fotosíntesis biológica que se produjo hace millones de años.
En comparación con la producción de alimentos que depende de la fotosíntesis biológica, esta técnica es una forma más eficaz de convertir la energía solar en alimentos, Elizabeth Hann, estudiante de doctorado del laboratorio Jinkerson.
También se estudió si esta técnica podría utilizarse para cultivar. Cuando se cultivaron en la oscuridad, el caupí, el tomate, el tabaco, el arroz; la colza y el guisante verde fueron capaces de utilizar el carbono del acetato.
Descubrimos que diversos cultivos eran capaces de convertir el acetato que les dábamos en los componentes moleculares esenciales que un organismo necesita para desarrollarse y prosperar. Ahora estamos trabajando en técnicas de cultivo e ingeniería que podrían permitirnos cultivar con acetato como fuente de energía adicional para aumentar el rendimiento agrícola, Marcus Harland-Dunaway, estudiante de doctorado en el laboratorio Jinkerson.
La fotosíntesis artificial permite cultivar alimentos en las condiciones más complicadas; que ha traído el cambio climático humano al liberar a la agricultura de su total dependencia de la luz.
Si los cultivos para las personas y los animales crecieran en condiciones reguladas y menos intensivas en recursos, la sequía; las inundaciones y la menor disponibilidad de tierras serían un peligro menor para la seguridad alimentaria mundial.
Además, se podrían cultivar en zonas urbanas y otras regiones que ahora no son aptas para la agricultura; e incluso alimentar a los futuros viajeros espaciales.
El uso de técnicas de fotosíntesis artificial podría suponer un cambio de paradigma en la forma de alimentar a la población. A medida que la producción de alimentos sea más eficiente, se necesitará menos tierra, lo que reducirá el efecto medioambiental de la agricultura.
Además, la mejora de la eficiencia energética podría ayudar a alimentar a más miembros de la tripulación; al tiempo que se utilizan menos recursos para la agricultura en zonas no tradicionales, como el espacio, Robert Jinkerson.
Este método de producción de alimentos se presentó al Deep Space Food Challenge de la NASA y ganó la fase I.
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