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| Las plantas crecen en completa oscuridad en un medio de acetato que sustituye la fotosíntesis biológica. Crédito: Marcus Harland-Dunaway/UCR |
La creciente demanda mundial de alimentos se enfrenta actualmente a una importante limitación de la conversión eficiente de energía mediante la fotosíntesis. 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 en los alimentos que consumimos.
La mayoría de las plantas de cultivo pueden convertir la luz solar y el CO2 en biomasa vegetal con una eficiencia de conversión de energía de sólo ~1% o menos. Por tanto, se necesitan grandes extensiones de tierra para cultivar y capturar la energía solar necesaria para proporcionar alimentos a la humanidad.
Los recientes esfuerzos de mejora y de ingeniería genética para aumentar la eficiencia fotosintética sólo han dado resultados en un número limitado de cultivos alimentarios.
Ahora, científicos de la Universidad de California en Riverside y de la Universidad de Delaware han encontrado una forma de evitar la necesidad de la fotosíntesis biológica y crear alimentos independientemente de la luz solar mediante la fotosíntesis artificial.
La investigación, publicada en Nature Food, utiliza un proceso electrocatalítico de dos pasos para convertir el dióxido de carbono, la electricidad y el agua en acetato, la forma del componente principal del vinagre.
"Aquí describimos el desarrollo de un sistema híbrido inorgánico-biológico para la producción de alimentos. Un proceso electroquímico de dos pasos convierte el CO2 en acetato, que sirve como fuente de carbono y energía para las algas, la levadura, los hongos productores de setas, la lechuga, el arroz, el caupí, el guisante verde, la canola, el tomate, el pimiento, el tabaco y la Arabidopsis. Acoplar este sistema de fijación de carbono a la energía fotovoltaica ofrece un enfoque alternativo y más eficiente energéticamente para la producción de alimentos". Menciones del estudio.
Los organismos productores de alimentos consumen acetato en la oscuridad para crecer. Combinado con paneles solares para generar electricidad que alimente la electrocatálisis, este sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar la eficiencia de conversión de la luz solar en alimentos, que es casi hasta 18 veces más eficiente para algunos alimentos.
"Con nuestro enfoque, buscamos una nueva forma de producir alimentos que pudiera superar los límites que normalmente impone la fotosíntesis biológica", dijo el autor correspondiente, Robert Jinkerson, profesor asistente de ingeniería química y ambiental de la UC Riverside.
Para integrar todos los componentes del sistema, se optimizó la salida del electrolizador para favorecer el crecimiento de los organismos productores de alimentos.
Los electrolizadores son dispositivos que utilizan la electricidad para convertir materias primas como el dióxido de carbono en moléculas y productos útiles. Se aumentó la cantidad de acetato producida y se redujo la cantidad de sal utilizada, lo que dio como resultado los niveles más altos de acetato producidos en un electrolizador hasta la fecha.
"Utilizando una configuración de electrólisis de CO2 en tándem de última generación desarrollada en nuestro laboratorio, pudimos lograr una alta selectividad hacia el acetato a la que no se puede acceder a través de las rutas convencionales de electrólisis de CO2", dijo el autor correspondiente Feng Jiao de la Universidad de Delaware.
"Pudimos cultivar organismos productores de alimentos sin ninguna contribución de la fotosíntesis biológica. Normalmente, estos organismos se cultivan con azúcares derivados de las 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 depende de la fotosíntesis biológica", dijo Elizabeth Hann, candidata al doctorado en el laboratorio Jinkerson y coautora del estudio.
"Descubrimos que una amplia gama de cultivos podía tomar el acetato que proporcionamos y convertirlo en los principales componentes moleculares que un organismo necesita para crecer y prosperar. Con algunas técnicas de mejora e ingeniería en las que estamos trabajando actualmente, podríamos cultivar con acetato como fuente de energía adicional para aumentar el rendimiento de los cultivos", dijo Marcus Harland-Dunaway, candidato al doctorado en el laboratorio Jinkerson y coautor del estudio.
Fuentes, créditos y referencias:
Elizabeth C. Hann, Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas, Feng Jiao & Robert E. Jinkerson; A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production. Nature Food, 3, 461–471 (2022) DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x