Hoy en día, la producción global de alimentos es responsable de aproximadamente un tercio de todas las emisiones de gases de efecto invernadero generadas por actividades humanas, y utiliza casi la mitad de la superficie terrestre apta para la vida en el planeta. Con el continuo crecimiento de la población mundial y la adopción de dietas occidentales por parte de los países en desarrollo, se anticipa un incremento en el impacto ambiental de estos procesos. Ante este panorama, el desafío de descarbonizar la agricultura se torna aún más crítico si se pretende alcanzar las metas de emisiones netas cero establecidas para el año 2050 en el Acuerdo de París. Por lo tanto, es imperativo redefinir el sistema alimentario global para asegurar la sostenibilidad de nuestro planeta.

Una de las apuestas actuales que más interés ha suscitado en la agricultura vertical como una posible solución a los temas anteriormente expuestos. Sin embargo, estos sistemas tienen la desventaja de que necesitan utilizar una gran cantidad de energía para iluminar los cultivos, lo que dificulta su practicidad. Los avances recientes en ingeniería genética y mejoras en la electrólisis de CO2 están marcando el comienzo de una alternativa realmente  revolucionaria en el campo agrícola: la electro-agricultura. Esta innovadora técnica se aparta de los métodos convencionales de producción que dependen de la fotosíntesis, ofreciendo la posibilidad de cultivar alimentos sin dependencia de la luz solar.

En un reciente paper publicado en la revista Cell Press Joule, se analiza en detalle este nuevo método radical de producción de alimentos, el cual, reemplaza la fotosíntesis en un reacción química alimentada por energía solar que convierte más eficientemente el CO2 en una molécula orgánica que las plantas estarían genéticamente diseñadas para asimilar.

Los investigadores estiman que si todos los alimentos en los Estados Unidos se produjeran utilizando electroagricultura, reduciría la cantidad de tierra necesaria para la agricultura en un 94 %. Además, el método también podría usarse para cultivar alimentos en el espacio.

“Si ya no necesitamos cultivar plantas con luz solar, entonces podemos desacoplar la agricultura del medio ambiente y cultivar alimentos en entornos interiores y controlados. Creo que necesitamos mover la agricultura a la siguiente fase de la tecnología, y producirla de una manera controlada que se desvincule de la naturaleza tiene que ser el siguiente paso”, detalla uno de los autores del estudio, el ingeniero biológico Robert Jinkerson de la Universidad de California, Riverside.

Transformando el cultivo global de alimentos

La electroagricultura transformaría los tradicionales campos agrícolas en edificaciones de múltiples niveles. Equipados con paneles solares instalados en o cerca de estos complejos, se capturaría la energía solar necesaria para impulsar una reacción química entre el CO2 y el agua, resultando en la producción de acetato, una molécula parecida al ácido acético, que es el principal componente del vinagre. Este acetato serviría como nutriente para las plantas cultivadas mediante técnicas hidropónicas. Además, este método también podría aplicarse al cultivo de otros organismos que producen alimentos, como hongos, levaduras y algas, que naturalmente utilizan el acetato.

“El objetivo de este nuevo proceso es tratar de aumentar la eficiencia de la fotosíntesis. En este momento, estamos en alrededor del 4% de eficiencia, que ya es cuatro veces mayor que para la fotosíntesis, y debido a que todo es más eficiente con este método, la huella de CO2 asociada con la producción de los alimentos se vuelve mucho más pequeña”, explica el también autor de la investigación Feng Jiao, un electroquímico de la Universidad de Washington en St. Luis.

Para diseñar genéticamente las plantas que se alimentan de ‘acetato’, los investigadores están aprovechando una vía metabólica que las plantas en germinación utilizan para descomponer el alimento almacenado en las semillas. Esta vía se desactiva una vez que las plantas son capaces de realizar la fotosíntesis, pero volver a activarla les permitiría utilizar el acetato como fuente de energía y carbono.

“Estamos tratando de reactivar este camino en las plantas adultas y despertar su capacidad nativa de utilizar el acetato. Es análogo a la intolerancia a la lactosa en los seres humanos: como bebés podemos digerir la lactosa en la leche, pero para muchas personas esa vía se apaga cuando crecen. Es más o menos la misma idea, solo que para las plantas”, detalla Jinkerson. 

Un proceso de cultivo en tres pasos

La electroagricultura es, por tanto, un enfoque innovador que integra la ingeniería de plantas para crecer con acetato y un sistema combinado de tres capas, optimizando el uso del espacio mediante la integración vertical. La primera capa del sistema consiste en un techo equipado con paneles solares que proporcionan energía renovable para el proceso de electrólisis.

La segunda capa alberga un sistema de electrólisis de CO2 en tándem que transforma el CO2 capturado primero en monóxido de carbono (CO) y luego en acetato, evitando la formación de bicarbonatos para mejorar la eficacia y estabilidad del proceso.

La tercera y última capa es donde se cultivan las plantas, utilizando el acetato producido como fuente de energía y carbono, lo que permite el crecimiento de los cultivos en ausencia de luz. Este sistema vertical puede variar entre 3 a 7 pisos, dependiendo del tipo de cultivo, con posibilidad de apilar algunos cultivos como la lechuga en múltiples niveles dentro de una misma estructura. Hasta ahora,y según  detallan los investigadores en el paper, la implementación de la electroagricultura ha mostrado una mejora cuádruple en la eficiencia energética en la producción de biomasa en comparación con los métodos convencionales de cultivo fotosintético, con importantes posibilidades de mejora en el futuro. 

Direcciones y perspectivas de futuro 

El equipo está centrando su investigación inicial en los tomates y la lechuga, pero planea pasar a cultivos básicos altos en calorías como la yuca, las batatas y los cultivos de granos en el futuro. Actualmente, han logrado diseñar plantas que pueden usar acetato además de la fotosíntesis, pero en última instancia tienen como objetivo diseñar plantas que puedan obtener toda su energía necesaria del acetato, lo que significa que ellos mismos no necesitarían ninguna luz.

“Para las plantas, todavía estamos en la fase de investigación y desarrollo de intentar que utilicen el acetato como su fuente de carbono, porque las plantas no han evolucionado para crecer de esta manera, pero estamos progresando. Los hongos, la levadura y las algas, sin embargo, se pueden cultivar así hoy en día, así que creo que esas aplicaciones podrían comercializarse primero, y las plantas vendrán más adelante”, dice Jinkerson. 

Los investigadores también planean continuar refinando su método de producción de acetato para que el sistema de fijación de carbono sea aún más eficiente. “Este es solo el primer paso para esta investigación, y creo que hay esperanza de que su eficiencia y costo mejoren significativamente en un futuro próximo”, concluye Jiao.

Puede acceder al paper completo de la investigación a través del siguiente enlace:

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(24)00429-X

Imagen de portada: Freepik. Imagen de catálogo no perteneciente a la investigación