Des chercheurs ont trouvé un moyen de contourner la photosynthèse biologique et de créer de la nourriture indépendamment de la lumière du soleil en utilisant la photosynthèse artificielle. L’étude a été publiée dans le journal,
Les chercheurs ont utilisé un processus électrocatalytique en deux étapes pour convertir le dioxyde de carbone, l’électricité et l’eau en acétate, la forme du principal composant du vinaigre. Les organismes producteurs de nourriture consomment ensuite l’acétate dans l’obscurité pour se développer.
Combiné à des panneaux solaires pour générer l’électricité nécessaire à l’électrocatalyse, ce système hybride organique-inorganique pourrait augmenter l’efficacité de la conversion de la lumière du soleil en nourriture, jusqu’à 18 fois plus efficace pour certains aliments.
“Avec notre approche, nous avons cherché à identifier une nouvelle façon de produire des aliments qui pourrait dépasser les limites normalement imposées par la photosynthèse biologique”, a déclaré l’auteur correspondant, Robert Jinkerson, professeur adjoint d’ingénierie chimique et environnementale à l’UC Riverside.
Afin d’intégrer tous les composants du système, la sortie de l’électrolyseur a été optimisée pour favoriser la croissance des organismes producteurs d’aliments. Les électrolyseurs sont des dispositifs qui utilisent l’électricité pour convertir des matières premières comme le dioxyde de carbone en molécules et produits utiles. La quantité d’acétate produite a été augmentée tandis que la quantité de sel utilisée a été diminuée, ce qui a permis d’obtenir les plus hauts niveaux d’acétate jamais produits à ce jour dans un électrolyseur.
“En utilisant une installation de pointe d’électrolyse du CO2 en tandem en deux étapes, développée dans notre laboratoire, nous avons pu obtenir une sélectivité élevée pour l’acétate qui n’est pas accessible par les voies conventionnelles d’électrolyse du CO2”, a déclaré l’auteur correspondant Feng Jiao de l’Université du Delaware.
Les expériences ont montré qu’il est possible de cultiver dans l’obscurité un large éventail d’organismes alimentaires directement sur la sortie de l’électrolyseur riche en acétate, notamment des algues vertes, des levures et du mycélium de champignons. La production d’algues avec cette technologie est environ quatre fois plus efficace sur le plan énergétique que la culture photosynthétique. La production de levure est environ 18 fois plus efficace sur le plan énergétique que la façon dont elle est généralement cultivée en utilisant le sucre extrait du maïs.
“Nous avons pu cultiver des organismes producteurs de nourriture sans aucune contribution de la photosynthèse biologique. En général, ces organismes sont cultivés avec des sucres dérivés de plantes ou des intrants dérivés du pétrole – qui est un produit de la photosynthèse biologique qui a eu lieu il y a des millions d’années. Cette technologie est une méthode plus efficace pour transformer l’énergie solaire en nourriture, par rapport à la production alimentaire qui repose sur la photosynthèse biologique”, a déclaré Elizabeth Hann, doctorante au laboratoire Jinkerson et co-auteur principal de l’étude.
Le potentiel d’utilisation de cette technologie pour la culture de plantes a également été étudié. Le niébé, la tomate, le tabac, le riz, le canola et le pois vert ont tous été capables d’utiliser le carbone de l’acétate lorsqu’ils étaient cultivés dans l’obscurité.
“Nous avons constaté qu’un large éventail de cultures pouvaient utiliser l’acétate que nous leur fournissions et le transformer en éléments de base moléculaires essentiels dont un organisme a besoin pour se développer et prospérer. Avec un peu de sélection et d’ingénierie sur lesquelles nous travaillons actuellement, nous pourrions être en mesure de cultiver des plantes avec de l’acétate comme source d’énergie supplémentaire pour augmenter le rendement des cultures”, a déclaré Marcus Harland-Dunaway, un candidat au doctorat dans le laboratoire Jinkerson et co-auteur principal de l’étude.
En libérant l’agriculture d’une dépendance totale à l’égard du soleil, la photosynthèse artificielle ouvre la porte à d’innombrables possibilités pour cultiver des aliments dans les conditions de plus en plus difficiles imposées par le changement climatique anthropique. La sécheresse, les inondations et la réduction de la disponibilité des terres seraient moins menaçantes pour la sécurité alimentaire mondiale si les cultures destinées aux humains et aux animaux poussaient dans des environnements contrôlés moins gourmands en ressources. On pourrait également cultiver des plantes dans les villes et dans d’autres zones actuellement impropres à l’agriculture, et même fournir de la nourriture aux futurs explorateurs de l’espace.
“L’utilisation d’approches de photosynthèse artificielle pour produire des aliments pourrait constituer un changement de paradigme dans la façon dont nous nourrissons les gens. En augmentant l’efficacité de la production alimentaire, moins de terres sont nécessaires, ce qui réduit l’impact de l’agriculture sur l’environnement. Et pour l’agriculture dans des environnements non traditionnels, comme l’espace, l’efficacité énergétique accrue pourrait aider à nourrir plus de membres d’équipage avec moins d’intrants”, a déclaré Jinkerson.
Cette approche de la production alimentaire a été soumise au Deep Space Food Challenge de la NASA, où elle a remporté la première phase. Le Deep Space Food Challenge est une compétition internationale où des prix sont attribués aux équipes qui créent des technologies alimentaires nouvelles et révolutionnaires nécessitant un minimum d’intrants et maximisant la sécurité, la nutrition et la qualité de l’alimentation.des sorties alimentaires appétissantes pour les missions spatiales de longue durée.
“Imaginez qu’un jour, des vaisseaux géants fassent pousser des plants de tomates dans l’obscurité et sur Mars – à quel point cela serait plus facile pour les futurs martiens ?” a déclaré la co-auteure Martha Orozco-Cardenas, directrice du centre de recherche sur la transformation des plantes de l’UC Riverside.
