Bioinżynierowie proponują „elektrorolnictwo”, metodę, która zastępuje fotosynteza z reakcją zasilaną energią słoneczną, przekształcającą CO2 w octan, co potencjalnie zmniejsza zapotrzebowanie na grunty rolne w USA o 94% i wspiera kontrolowane rolnictwo w pomieszczeniach zamkniętych.
Wstępne eksperymenty skupiają się na genetycznie zmodyfikowanych roślinach zużywających octan, takich jak pomidory i sałata, z potencjalnymi przyszłymi zastosowaniami w rolnictwie kosmicznym.
Rewolucyjne elektrorolnictwo
Fotosynteza, naturalny proces, który napędza większość życia na Ziemi, jest zaskakująco nieefektywny — rośliny przekształcają jedynie około 1% pochłanianego światła w użyteczną energię chemiczną. Teraz bioinżynierowie zaproponowali przełomową alternatywną metodę produkcji żywności, którą nazywają „elektrorolnictwem”.
Opublikowano w czasopiśmie Dżul 23 października ich badania sugerują metodę zasilaną energią słoneczną, która całkowicie pomija fotosyntezę. Zamiast tego bezpośrednio przekształca CO₂ w bogatą w składniki odżywcze cząsteczkę organiczną, którą genetycznie zmodyfikowane rośliny mogłyby „konsumować” jako żywność. Zdaniem naukowców, gdyby w Stanach Zjednoczonych do uprawy całej żywności w Stanach Zjednoczonych wykorzystano elektrorolnictwo, mogłoby to zmniejszyć powierzchnię gruntów potrzebnych do uprawy aż o niezwykłe 94%. Technologia ta może nawet umożliwić produkcję żywności w kosmosie.
Hodowla w pomieszczeniach zamkniętych: przyszłość rolnictwa
„Jeśli nie musimy już uprawiać roślin przy świetle słonecznym, możemy oddzielić rolnictwo od środowiska i uprawiać żywność w kontrolowanych pomieszczeniach” – wyjaśnia autor korespondujący i inżynier biologiczny Robert Jinkerson z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside. „Myślę, że musimy przenieść rolnictwo na kolejną fazę technologiczną, a kolejnym krokiem musi być jego produkcja w kontrolowany sposób, oddzielony od natury”.
Elektrorolnictwo oznaczałoby zastąpienie pól uprawnych wielopiętrowymi budynkami. Panele słoneczne umieszczone na budynkach lub w ich pobliżu pochłaniałyby promieniowanie słoneczne, a energia ta napędzałaby reakcję chemiczną między CO2 i wodę, w wyniku czego powstaje octan – cząsteczka podobna do octu kwasgłówny składnik octu. Octan można następnie wykorzystać do zasilania roślin uprawianych hydroponicznie. Metodę tę można również zastosować do hodowli innych organizmów służących do produkcji żywności, ponieważ octan jest naturalnie wykorzystywany przez grzyby, drożdże i algi.
Inżynieria instalacji zjadających octany
„Celem tego nowego procesu jest zwiększenie wydajności fotosyntezy” – mówi starszy autor Feng Jiao, elektrochemik z Washington University w St. Louis. „W tej chwili mamy około 4% wydajności, czyli już czterokrotnie wyższą niż w przypadku fotosyntezy, a ponieważ dzięki tej metodzie wszystko jest bardziej wydajne, CO2 ślad związany z produkcją żywności staje się znacznie mniejszy.”
Aby zmodyfikować genetycznie rośliny żywiące się octanami, naukowcy wykorzystują szlak metaboliczny wykorzystywany przez kiełkujące rośliny do rozkładania żywności przechowywanej w nasionach. Szlak ten zostaje wyłączony, gdy rośliny stają się zdolne do fotosyntezy, ale ponowne jego włączenie umożliwiłoby im wykorzystanie octanu jako źródła energii i węgla.
Rozszerzanie zastosowań poza tradycyjne uprawy
„Próbujemy ponownie włączyć ten szlak u dorosłych roślin i obudzić ich wrodzoną zdolność do wykorzystywania octanu” – mówi Jinkerson. „Jest to analogiczne do nietolerancji laktozy u ludzi – jako dzieci możemy trawić laktozę z mleka, ale u wielu osób ta droga przemiany zostaje wyłączona, gdy dorosną. To właściwie ten sam pomysł, tylko w przypadku roślin.
Zespół koncentruje swoje początkowe badania na pomidorach i sałacie, ale w przyszłości planuje zająć się wysokokalorycznymi podstawowymi uprawami, takimi jak maniok, słodkie ziemniaki i rośliny zbożowe. Obecnie udało im się zaprojektować rośliny, które oprócz fotosyntezy mogą wykorzystywać octan, ale ostatecznie ich celem jest zaprojektowanie roślin, które mogą uzyskać całą niezbędną energię z octanu, co oznacza, że same nie potrzebowałyby żadnego światła.
„W przypadku roślin wciąż jesteśmy na etapie badań i rozwoju, próbując nakłonić je do wykorzystania octanu jako źródła węgla, ponieważ rośliny nie ewoluowały, aby rosnąć w ten sposób, ale czynimy postępy” – mówi Jinkerson. „Jednak grzyby, drożdże i algi można dziś uprawiać w ten sposób, więc myślę, że te zastosowania można najpierw wprowadzić na rynek, a rośliny pojawią się później”.
Zwiększanie wydajności na rzecz przyszłego zrównoważonego rozwoju
Naukowcy planują także dalsze udoskonalanie metody produkcji octanu, aby uczynić system wiązania węgla jeszcze bardziej wydajnym.
„To dopiero pierwszy krok w tych badaniach i myślę, że istnieje nadzieja, że w najbliższej przyszłości ich wydajność i koszty ulegną znacznej poprawie” – mówi Jiao.
Odniesienie: „Elektrorolnictwo: rewolucjonizacja rolnictwa na rzecz zrównoważonej przyszłości”, Bradie S. Crandall, Marcus Harland-Dunaway, Robert E. Jinkerson i Feng Jiao, 23 października 2024 r., Dżul.
DOI: 10.1016/j.dżul.2024.09.011
