Yapay fotosentez ile bitkilerin tamamen karanlıkta yiyecek üretebileceği keşfedildi
Fotosentez, milyonlarca yıldır bitkilerde su, karbondioksit ve güneş ışığından gelen enerji bitki biyo-kütlesine ve yediğimiz gıdalara dönüştürülebilmesi için gelişti. Öte yandan bu süreç çok verimsizdir ve güneş ışığında bulunan enerjinin sadece yüzde 1'i bitkide kullanılır. California Üniversitesi, Riverside ve Delaware Üniversitesi'nden araştırmacılar, biyolojik fotosentez ihtiyacını tamamen ortadan kaldırmanın ve yapay fotosentez kullanarak güneş ışığından bağımsız gıda oluşturmanın bir yolunu buldular.
Nature Food dergisinde 23 Haziran 2022 tarihinde yayınlanan yeni araştırmada karbondioksiti, elektriği ve suyu sirkenin ana bileşeni olan asetata dönüştürmek için iki aşamalı bir elektrokatalitik süreç kullanılıyor. Daha sonra ise gıda üreten organizmalar büyümek için karanlıkta asetat tüketirler. Elektrokatalize güç sağlamak için güneş panelleriyle elektrik üretilmesiyle birlikte bu hibrit organik-inorganik sistem, güneş ışığının gıdaya dönüşüm verimliliğini bazı gıdalar için 18 kata kadar daha verimli hale getirebilir.
Araştırmanın yazarlarından Doç. Robert Jinkerson, "Yaklaşımımızla, normalde biyolojik fotosentezin dayattığı sınırları aşabilecek yeni bir gıda üretme yolu belirlemeye çalıştık" dedi.
Sistemin tüm bileşenlerini bir araya getirmek için elektrolizörün çıktısı, gıda üreten organizmaların büyümesini desteklemek için optimize edildi. Elektrolizörler, karbondioksit gibi ham maddeleri faydalı moleküllere ve ürünlere dönüştürmek için elektrik kullanan cihazlardır. Kullanılan tuz miktarı azaltılırken üretilen asetat miktarı artırıldı, bu da bugüne kadar bir elektrolizörde üretilen en yüksek asetat seviyelerine yol açtı.
Deneyler yeşil algler, maya ve mantar üreten mantar miselyumu da dahil olmak üzere, çok çeşitli gıda üreten organizmaların, karanlıkta doğrudan asetat bakımından zengin elektrolizör çıktısında yetiştirilebileceğini gösterdi. Bu teknoloji ile enerji harcama konusunda alg üretmek, fotosentetik olarak yetiştirmekten yaklaşık dört kat daha verimli. Maya üretimi, tipik olarak mısırdan çıkartılan şeker kullanılarak yetiştirildiğinden yaklaşık 18 kat daha fazla enerji verimlidir.
Ekin bitkileri yetiştirmek için bu teknolojiyi kullanma potansiyeli de araştırıldı. Börülce, domates, tütün, pirinç, kanola ve yeşil bezelye karanlıkta yetiştirildiklerinde asetattan karbon kullanabildiler.
Araştırmayı yöneten doktora adayı Marcus Harland-Dunaway, “Geniş bir ürün yelpazesinin sağladığımız asetatı alabileceğini ve onu bir organizmanın büyümesi ve gelişmesi için ihtiyaç duyduğu başlıca moleküler yapı taşlarına dönüştürebileceğini bulduk. Şu anda üzerinde çalıştığımız bazı ıslah ve mühendislik çalışmalarıyla, mahsul verimini artırmak için ekstra bir enerji kaynağı olarak asetat ile mahsul yetiştirebiliriz” dedi.
Yapay fotosentez tarımı güneşe tamamen bağımlı olmaktan kurtararak antropojenik iklim değişikliğinin dayattığı giderek zorlaşan koşullar altında gıda yetiştirmek için sayısız olasılığa kapı açıyor. Kuraklık, sel ve azalan arazi mevcudiyeti, kaynakların ne insanlara ne de hayvanlara yetiyor olması gibi sorunlar küresel gıda güvenliği için daha az tehdit oluşturacaktır. Mahsuller ayrıca şehirlerde ve şu anda tarım için uygun olmayan diğer alanlarda yetiştirilebilir ve hatta gelecekteki uzay kâşifleri için yiyecek sağlayabilir.
Gıda üretimine yönelik bu yaklaşım, NASA'nın Deep Space Food Challenge’a sunuldu ve yarışmanın kazananı oldu. Deep Space Food Challenge, uzun süreli uzay görevleri için minimum girdi gerektiren güvenli, besleyici ve lezzetli gıda çıktılarını maksimuma çıkaran yeni ve oyunun kurallarını değiştiren gıda teknolojileri yapmak için takımlara ödüllerin verildiği uluslararası bir yarışmadır.
Makale: “A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production” by Elizabeth C. Hann, Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas, Feng Jiao and Robert E. Jinkerson, 23 June 2022, Nature Food.
DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x