Ciencia
¿Adiós a la fotosíntesis biológica?: estudian cómo producir alimentos sin luz solar
El sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar hasta en 18 veces la eficiencia de conversión de la luz solar en alimentos, algo clave para misiones a la Luna o Marte
Científicos han encontrado una manera de evitar por completo la necesidad de la fotosíntesis biológica y crear alimentos independientes de la luz solar mediante el uso de la fotosíntesis artificial, algo que podría ser utilizado en futuras misiones espaciales en la Luna o Marte.
La demanda de alimentos está creciendo a nivel mundial, pero su producción se ve limitada en última instancia por la eficiencia de conversión de energía de la fotosíntesis. Se requieren grandes extensiones de tierra para capturar la energía solar necesaria para proporcionar alimentos a la humanidad.
El aumento de la eficiencia energética de la producción de alimentos (conversión de energía solar en biomasa) permitiría producir más alimentos utilizando menos recursos. La tecnología utiliza un proceso electrocatalítico de dos pasos para convertir dióxido de carbono, electricidad y agua en acetato. Los organismos productores de alimentos luego consumen acetato en la oscuridad para crecer. El sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar la eficiencia de conversión de la luz solar en alimentos, convirtiéndola en hasta 18 veces más eficiente.
La fotosíntesis ha evolucionado en las plantas durante millones de años para convertir el agua, el dióxido de carbono y la energía de la luz solar en biomasa vegetal y los alimentos que comemos. Sin embargo, este proceso es muy ineficiente, ya que solo alrededor del 1% de la energía que se encuentra en la luz solar termina en la planta. Los científicos de UC Riverside y la Universidad de Delaware han encontrado una manera de evitar por completo la necesidad de la fotosíntesis biológica y crear alimentos independientes de la luz solar mediante el uso de fotosíntesis artificial. La investigación, publicada en Nature Food, utiliza un proceso electrocatalítico de dos pasos, combinado con paneles solares que generan electricidad para alimentar la electrocatálisis.
“Con nuestro enfoque, buscamos identificar una nueva forma de producir alimentos que pudiera romper los límites normalmente impuestos por la fotosíntesis biológica”, explicó el autor Robert Jinkerson, profesor asistente de ingeniería química y ambiental de UC Riverside. Para integrar todos los componentes del sistema, se optimizó la salida del electrolizador para apoyar el crecimiento de organismos productores de alimentos. Los electrolizadores son dispositivos que usan electricidad para convertir materias primas como el dióxido de carbono en moléculas y productos útiles. La cantidad de acetato producido aumentó mientras que la cantidad de sal utilizada disminuyó, lo que resultó en los niveles más altos de acetato jamás producidos en un electrolizador hasta la fecha.
Los experimentos demostraron que una amplia gama de organismos productores de alimentos se pueden cultivar en la oscuridad directamente en la salida del electrolizador rico en acetato, incluidas las algas verdes, la levadura y el micelio fúngico que produce hongos. Producir algas con esta tecnología es aproximadamente cuatro veces más eficiente energéticamente que cultivarlas fotosintéticamente. La producción de levadura es aproximadamente 18 veces más eficiente energéticamente que la forma en que se cultiva típicamente con azúcar extraída del maíz.
“Pudimos cultivar organismos productores de alimentos sin ninguna contribución de la fotosíntesis biológica. Por lo general, estos organismos se cultivan con azúcares derivados de plantas o insumos derivados del petróleo, que es un producto de la fotosíntesis biológica que tuvo lugar hace millones de años. Esta tecnología es un método más eficiente para convertir la energía solar en alimentos, en comparación con la producción de alimentos que se basa en la fotosíntesis biológica”, añadió Elizabeth Hann, estudiante de doctorado en el Laboratorio Jinkerson y coautora principal del estudio. También se investigó el potencial de emplear esta tecnología para cultivar plantas.
El caupí, el tomate, el tabaco, el arroz, la canola y las arvejas pudieron utilizar el carbono del acetato cuando se cultivaron en la oscuridad. “Descubrimos que una amplia gama de cultivos podría tomar el acetato que proporcionamos y convertirlo en los principales bloques de construcción moleculares que un organismo necesita para crecer y prosperar. Con algo de mejoramiento e ingeniería en los que estamos trabajando actualmente, podríamos ser capaces de producir cultivos con acetato como fuente de energía adicional para aumentar el rendimiento de los cultivos”, afirmó Marcus Harland-Dunaway, estudiante de doctorado en el Laboratorio Jinkerson y coautor principal del estudio.
Al liberar a la agricultura de la dependencia total del sol, la fotosíntesis artificial abre la puerta a innumerables posibilidades para cultivar alimentos en las condiciones cada vez más difíciles impuestas por el cambio climático antropogénico. Las sequías, las inundaciones y la disponibilidad reducida de tierras serían una amenaza menor para la seguridad alimentaria mundial si los cultivos para humanos y animales crecieran en entornos controlados que requieren menos recursos. Los cultivos también podrían hacerse en ciudades y otras áreas que actualmente no son aptas para la agricultura, e incluso proporcionar alimentos para futuros exploradores espaciales.
“El uso de enfoques de fotosíntesis artificial para producir alimentos podría ser un cambio de paradigma en la forma en que alimentamos a las personas. Al aumentar la eficiencia de la producción de alimentos, se necesita menos tierra, lo que reduce el impacto que tiene la agricultura en el medio ambiente. Y para la agricultura en entornos no tradicionales, al igual que el espacio exterior, la mayor eficiencia energética podría ayudar a alimentar a más miembros de la tripulación con menos insumos”, completó Jinkerson. Este enfoque de la producción de alimentos se presentó al Deep Space Food Challenge de la NASA, donde resultó ganador de la Fase I.
Esta es una competencia internacional en la que se otorgan premios a los equipos para crear tecnologías alimentarias novedosas y revolucionarias que requieren insumos mínimos y maximizan la producción de alimentos seguros, nutritivos y sabrosos para misiones espaciales de larga duración. “Imagine algún día naves gigantes cultivando plantas de tomate en la oscuridad y en Marte”, concluyó dijo la coautora Martha Orozco-Cárdenas, directora del Centro de Investigación de Transformación de Plantas de UC Riverside.