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 en biomasa vegetal y finalmente, en los alimentos que comemos. Este proceso, sin embargo, es muy ineficiente, ya que sólo un 1% de la energía de la luz solar acaba en la planta.
Científicos de la Universidad de California en Riverside, junto con colegas de la Universidad de Delaware han encontrado una forma de ‘puentear’ la necesidad de la fotosíntesis biológica y crear alimentos independientemente de la luz solar mediante una 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. A continuación, los organismos productores de alimento consumen el acetato en la oscuridad para crecer. Combinado con paneles solares para generar la electricidad que alimenta la electrocatálisis, este sistema híbrido orgánico-inorgánico podría aumentar la eficiencia de la conversión de la luz solar en alimentos, hasta 18 veces más eficiente para algunos alimentos.
“Con nuestro enfoque pretendíamos identificar una nueva forma de producir alimentos que pudiera superar los límites que normalmente impone la fotosíntesis biológica”, explica Robert Jinkerson, profesor adjunto de Ingeniería Química y Medioambiental de la UC Riverside.
En busca de la fotosíntesis artificial
La demanda de alimentos está creciendo a nivel mundial, siendo un límite natural para la mayor producción de estos la baja eficiencia de la fotosíntesis. Como hemos dicho, 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 solo un 1%. Por lo tanto, se necesitan grandes extensiones de tierras para que los cultivos capturen la energía solar necesaria para satisfacer la necesidad de alimentos de la humanidad. Los recientes esfuerzos de intentar mejorar la eficiencia de la fotosíntesis mediante la ingeniería genética sólo ha logrado generar ganancias seleccionadas en un número limitado de cultivos alimentarios.
La fotosíntesis artificial busca superar las limitaciones de la fotosíntesis biológica, incluida la baja eficiencia de la captura de energía solar y la escasa reducción del dióxido de carbono, y podría proporcionar una ruta alternativa para la producción de alimentos.
En esta nueva investigación, se describe el desarrollo de un sistema inorgánico-biológico híbrido 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 algas, levadura, hongos productores de hongos, lechuga, arroz, alubia, guisante verde, canola, tomate, pimienta, tabaco y Arabidopsis.
El acoplamiento de este sistema de fijación del carbono con la energía fotovoltaica ofrece, por tanto, un enfoque alternativo y más eficiente desde el punto de vista energético para la producción de alimentos.
¿Cultivos en la oscuridad?
Para integrar todos los componentes del sistema, se optimizó la salida del electrolizador para favorecer el crecimiento de 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”, detalla Feng Jiao de la Universidad de Delaware.
Los experimentos demostraron que se puede cultivar una amplia gama de organismos productores de alimentos en la oscuridad directamente en la salida del electrolizador rica en acetato, incluyendo algas verdes, levaduras y micelio de hongos que producen setas. La producción de algas con esta tecnología es aproximadamente cuatro veces más eficiente desde el punto de vista energético que su cultivo fotosintético. La producción de levadura es aproximadamente 18 veces más eficiente desde el punto de vista energético que la forma en que se suele cultivar utilizando el azúcar extraído del maíz.
“Hemos sido capaces de 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.
También se investigó el potencial de emplear esta tecnología para cultivar plantas. El tomate, el tabaco, el arroz, la colza y el guisante verde fueron capaces de utilizar el carbono del acetato cuando se cultivaron en la oscuridad.
“Descubrimos que una amplia gama de cultivos podía tomar el acetato que proporcionamos y convertirlo en los principales bloques 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.
Al liberar a la agricultura de su total dependencia del sol, la fotosíntesis artificial abre la puerta a innumerables posibilidades de cultivar alimentos en las condiciones cada vez más difíciles impuestas por el cambio climático antropogénico. La sequía, las inundaciones y la menor disponibilidad 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. También podrían cultivarse en ciudades y otras zonas actualmente inadecuadas para la agricultura, e incluso proporcionar alimentos a los futuros exploradores espaciales.
“El uso de enfoques de fotosíntesis artificial para producir alimentos podría suponer un cambio de paradigma en la forma de alimentar a la gente. Al aumentar la eficiencia de la producción de alimentos, se necesita menos tierra, lo que reduce el impacto de la agricultura en el medio ambiente. Y en el caso de la agricultura en entornos no tradicionales, como el espacio exterior, el aumento de la eficiencia energética podría ayudar a alimentar a más miembros de la tripulación con menos insumos”, concluye Jinkerson.
Créditos imagen portada: Marcus Harland-Dunaway/UCR
