لمواجهة أزمة الغذاء العالمية.. طعام بدون ضوء الشمس.. تمثيل ضوئي اصطناعي وثاني أكسيد الكربون

البحث يفتح الباب أمام إمكانيات لا حصر لها لزراعة الغذاء

وجد العلماء طريقة لتجاوز الحاجة إلى التمثيل الضوئي البيولوجي تمامًا، وإنشاء طعام مستقل عن ضوء الشمس باستخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي. تستخدم هذه التقنية عملية تحفيز كهربائي من خطوتين لتحويل ثاني أكسيد الكربون والكهرباء والماء إلى أسيتات، ثم تستهلك الكائنات الحية المنتجة للغذاء الأسيتات في الظلام لتنمو.

يمكن للنظام الهجين العضوي غير العضوي أن يزيد من كفاءة تحويل ضوء الشمس إلى طعام، بما يصل إلى 18 مرة أكثر كفاءة لبعض الأطعمة.
تطور التمثيل الضوئي في النباتات لملايين السنين لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة من ضوء الشمس إلى الكتلة الحيوية النباتية والأطعمة التي نتناولها.

ومع ذلك، فإن هذه العملية غير فعالة للغاية، حيث ينتهي المطاف بحوالي 1% فقط من الطاقة الموجودة في ضوء الشمس في النبات، وجد العلماء في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد وجامعة ديلاوير طريقة لتجاوز الحاجة إلى التمثيل الضوئي البيولوجي تمامًا وإنشاء طعام مستقل عن ضوء الشمس باستخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي.

تحفيز كهربائي

يستخدم البحث، الذي نُشر في مجلة Nature Food ، عملية تحفيز كهربائي من خطوتين لتحويل ثاني أكسيد الكربون والكهرباء والماء إلى أسيتات، وهو شكل المكون الرئيسي للخل. ثم تستهلك الكائنات الحية المنتجة للغذاء الأسيتات في الظلام لتنمو، إلى جانب الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء لتشغيل التحفيز الكهربائي، يمكن لهذا النظام الهجين العضوي غير العضوي أن يزيد من كفاءة تحويل ضوء الشمس إلى طعام، بما يصل إلى 18 مرة أكثر كفاءة لبعض الأطعمة.

قال المؤلف روبرت جينكرسون ، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيئية بجامعة كاليفورنيا في ريفرسايد: “سعينا من خلال نهجنا إلى تحديد طريقة جديدة لإنتاج الطعام يمكن أن تتخطى الحدود التي تفرضها عادةً عملية التمثيل الضوئي البيولوجي”.

من أجل دمج جميع مكونات النظام معًا، تم تحسين إخراج المحلل الكهربائي لدعم نمو الكائنات المنتجة للغذاء. المحلل الكهربائي عبارة عن أجهزة تستخدم الكهرباء لتحويل المواد الخام مثل ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات ومنتجات مفيدة.

تمت زيادة كمية الأسيتات المنتجة بينما تم تقليل كمية الملح المستخدمة، مما أدى إلى أعلى مستويات الأسيتات التي تم إنتاجها على الإطلاق في المحلل الكهربائي حتى الآن.

ومن جانبه قال المؤلف فنج جياو: “باستخدام أحدث تجهيزات التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون من خطوتين والتي تم تطويرها في مختبرنا، تمكنا من تحقيق انتقائية عالية تجاه الأسيتات التي لا يمكن الوصول إليها من خلال طرق التحليل الكهربائي التقليدية لثاني أكسيد الكربون”.

أظهرت التجارب أن مجموعة واسعة من الكائنات الحية المنتجة للغذاء يمكن زراعتها في الظلام مباشرة على ناتج المحلل الكهربائي الغني بالأسيتات، بما في ذلك الطحالب الخضراء والخميرة والفطريات الفطرية التي تنتج الفطر، إنتاج الطحالب بهذه التقنية هو أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بأربعة أضعاف من زراعته بطريقة التمثيل الضوئي، يعتبر إنتاج الخميرة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بحوالي 18 ضعفًا من الطريقة التي يتم بها زراعتها عادةً باستخدام السكر المستخرج من الذرة.

قالت إليزابيث هان، طالبة الدكتوراه في مختبر جينكرسون والمؤلفة الرئيسية المشاركة للدراسة،”لقد تمكنا من زراعة الكائنات الحية المنتجة للغذاء دون أي مساهمات من عملية التمثيل الضوئي البيولوجية، وعادة ما تتم زراعة هذه الكائنات على السكريات المشتقة من النباتات أو المدخلات المشتقة من البترول – وهو نتاج عملية التمثيل الضوئي البيولوجي التي حدثت منذ ملايين السنين.

وأضافت، أن هذه التقنية هي طريقة أكثر فاعلية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طعام، مقارنة بإنتاج الغذاء الذي يعتمد على التمثيل الضوئي البيولوجي “.

تم دعم البحث من عدة مؤسسات، وتم تقديم هذا النهج لإنتاج الغذاء إلى مسابقة Deep Space Food Challenge، التابعة لناسا، حيث كان الفائز في المرحلة الأولى، هي مسابقة دولية تُمنح فيها الجوائز للفرق لابتكار تقنيات طعام جديدة وتغير قواعد اللعبة وتتطلب الحد الأدنى من المدخلات وتعظيم مخرجات الطعام الآمنة والمغذية والمقبولة للمهام الفضائية طويلة الأمد.

كما تم التحقيق في إمكانية استخدام هذه التكنولوجيا لزراعة نباتات المحاصيل، كانت اللوبيا، والطماطم، والتبغ، والأرز، والكانولا، والبازلاء الخضراء قادرة على الاستفادة من الكربون من الأسيتات عند زراعتها في الظلام.

قال ماركوس هارلاند دونواي، مرشح الدكتوراه في مختبر جينكرسون والمؤلف الرئيسي المشارك للدراسة، “وجدنا أن مجموعة كبيرة من المحاصيل يمكن أن تأخذ الأسيتات التي قدمناها وتبنيها في اللبنات الجزيئية الرئيسية التي يحتاجها الكائن الحي للنمو والازدهار، مع بعض التكاثر والهندسة التي نعمل عليها حاليًا، قد نتمكن من زراعة المحاصيل مع الأسيتات كمصدر إضافي للطاقة لتعزيز غلة المحاصيل.

من خلال تحرير الزراعة من الاعتماد الكامل على الشمس، يفتح التمثيل الضوئي الاصطناعي الباب أمام إمكانيات لا حصر لها لزراعة الغذاء في ظل الظروف الصعبة المتزايدة التي يفرضها تغير المناخ، سيكون الجفاف والفيضانات وقلة توافر الأراضي أقل تهديدًا للأمن الغذائي العالمي إذا نمت محاصيل البشر والحيوانات في بيئات أقل كثافة في استخدام الموارد وخاضعة للرقابة. يمكن أيضًا زراعة المحاصيل في المدن ومناطق أخرى غير مناسبة حاليًا للزراعة، وحتى توفير الغذاء لمستكشفي الفضاء في المستقبل.

“استخدام نهج التمثيل الضوئي الاصطناعي لإنتاج الغذاء يمكن أن يكون نقلة نوعية لكيفية إطعام الناس. من خلال زيادة كفاءة إنتاج الغذاء، هناك حاجة إلى مساحة أقل من الأراضي، وتقليل تأثير الزراعة على البيئة. وبالنسبة للزراعة في البيئات غير التقليدية، مثل الفضاء الخارجي، يمكن أن تساعد زيادة كفاءة الطاقة في إطعام المزيد من أفراد الطاقم بمدخلات أقل “.

قالت الكاتبة المشاركة مارثا أوروزكو كارديناس، مديرة مركز أبحاث تحويل النباتات في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد، “تخيل يومًا ما سفنًا عملاقة تزرع نباتات الطماطم في الظلام وعلى سطح المريخ – ما مدى سهولة ذلك على المريخ في المستقبل؟”