인공 광합성으로 햇빛 없이도 식량 생산 가능

인공 광합성으로 햇빛 없이도 식량 생산 가능
날짜:
2022년 6월 23일
원천:
캘리포니아 대학교 - 리버사이드
요약:
과학자들은 생물학적 광합성의 필요성을 완전히 우회하고 인공 광합성을 사용하여 햇빛과 무관한 음식을 만드는 방법을 찾았습니다. 이 기술은 2단계 전기 촉매 공정을 사용하여 이산화탄소, 전기 및 물을 아세테이트로 변환합니다. 그런 다음 식량을 생산하는 유기체는 성장을 위해 어둠 속에서 아세테이트를 소비합니다. 유기-무기 하이브리드 시스템은 햇빛을 식품으로 전환하는 효율을 높일 수 있으며 일부 식품의 경우 최대 18배 더 효율적입니다.

과학자들은 생물학적 광합성의 필요성을 완전히 우회하고 인공 광합성을 사용하여 햇빛과 무관한 음식을 만드는 방법을 찾았습니다. 이 기술은 2단계 전기 촉매 공정을 사용하여 이산화탄소, 전기 및 물을 아세테이트로 변환합니다. 그런 다음 식량을 생산하는 유기체는 성장을 위해 어둠 속에서 아세테이트를 소비합니다. 유기-무기 하이브리드 시스템은 햇빛을 식품으로 전환하는 효율을 높일 수 있으며 일부 식품의 경우 최대 18배 더 효율적입니다.

광합성은 수백만 년 동안 식물에서 진화하여 물, 이산화탄소, 햇빛의 에너지를 식물 바이오매스와 우리가 먹는 음식으로 전환했습니다. 그러나 이 과정은 태양광에서 발견되는 에너지의 약 1%만이 식물에서 끝나기 때문에 매우 비효율적입니다. UC 리버사이드(UC Riverside)와 델라웨어 대학교(University of Delaware)의 과학자들은 생물학적 광합성의 필요성을 완전히 우회하고 인공 광합성을 사용하여 햇빛과 무관한 음식을 만드는 방법을 발견했습니다.

네이처 푸드( Nature Food ) 에 발표된 이 연구 는 이산화탄소, 전기 및 물을 식초의 주성분 형태인 아세테이트로 전환하기 위해 2단계 전기 촉매 과정을 사용합니다. 그런 다음 식량을 생산하는 유기체는 성장을 위해 어둠 속에서 아세테이트를 소비합니다. 전기 촉매에 전력을 공급하기 위해 전기를 생성하는 태양 전지판과 결합된 이 유기-무기 하이브리드 시스템은 햇빛을 식품으로 변환하는 효율을 증가시킬 수 있으며 일부 식품의 경우 최대 18배 더 효율적입니다.

교신저자인 UC 리버사이드 화학 및 환경 공학 조교수인 로버트 징커슨(Robert Jinkerson)은 "우리의 접근 방식을 통해 우리는 일반적으로 생물학적 광합성에 의해 부과된 한계를 돌파할 수 있는 식품 생산의 새로운 방법을 확인하고자 했습니다."라고 말했습니다.

시스템의 모든 구성 요소를 함께 통합하기 위해 전해조의 출력은 식량 생산 유기체의 성장을 지원하도록 최적화되었습니다. 전해조는 전기를 사용하여 이산화탄소와 같은 원료를 유용한 분자 및 제품으로 변환하는 장치입니다. 생성된 아세테이트의 양은 증가된 반면 사용된 염의 양은 감소하여 지금까지 전해조에서 생성된 아세테이트의 최고 수준을 초래했습니다.

교신저자인 Feng Jiao는 " 우리 연구실에서 개발된 최첨단 2단계 탠덤 CO 2 전기분해 설정을 사용하여 기존의 CO 2 전기분해 경로를 통해 접근할 수 없는 아세테이트에 대한 높은 선택성을 달성할 수 있었습니다"라고 말했습니다. 델라웨어 대학교에서.

실험은 버섯을 생산하는 녹조류, 효모 및 곰팡이 균사체를 포함하여 아세테이트가 풍부한 전해조 출력에서 ​​직접 어둠 속에서 다양한 식품 생산 유기체를 자랄 수 있음을 보여주었습니다. 이 기술로 조류를 생산하는 것은 광합성으로 조류를 재배하는 것보다 약 4배 더 에너지 효율적입니다. 효모 생산은 옥수수에서 추출한 설탕을 사용하여 일반적으로 재배하는 방법보다 약 18배 더 에너지 효율적입니다.

"우리는 생물학적 광합성의 기여 없이 식품을 생산하는 유기체를 키울 수 있었습니다. 일반적으로 이러한 유기체는 수백만 년 전에 일어난 생물학적 광합성의 산물인 식물에서 추출한 당이나 석유에서 추출한 투입물에서 재배됩니다. 이 기술은 생물학적 광합성에 의존하는 식품 생산에 비해 태양 에너지를 식품으로 전환하는 더 효율적인 방법입니다.

작물 재배에 이 기술을 사용할 가능성도 조사되었습니다. Cowpea, 토마토, 담배, 쌀, 캐놀라 및 완두콩은 모두 어둠 속에서 재배할 때 아세테이트에서 탄소를 활용할 수 있었습니다.

"우리는 광범위한 작물이 우리가 제공한 아세테이트를 가져와 유기체가 성장하고 번성하는 데 필요한 주요 분자 빌딩 블록으로 만들 수 있다는 것을 발견했습니다. 현재 우리가 연구하고 있는 일부 육종 및 엔지니어링을 통해 작물을 재배할 수 있을 것입니다. 아세테이트를 추가 에너지원으로 사용하여 작물 수확량을 높일 수 있습니다.

태양에 대한 완전한 의존에서 농업을 해방함으로써 인공 광합성은 인위적인 기후 변화로 인해 점점 더 어려워지는 조건에서 식량을 재배할 수 있는 수많은 가능성을 열어줍니다. 인간과 동물을 위한 작물이 덜 자원 집약적이고 통제된 환경에서 재배된다면 가뭄, 홍수 및 토지 이용 가능성 감소는 세계 식량 안보에 대한 위협이 줄어들 것입니다. 작물은 또한 현재 농업에 적합하지 않은 도시 및 기타 지역에서 재배될 수 있으며 미래의 우주 탐험가를 위한 음식을 제공할 수도 있습니다.

"인공 광합성 접근법을 사용하여 식량을 생산하는 것은 우리가 사람들에게 먹이를 주는 방식에 대한 패러다임 전환이 될 수 있습니다. 식량 생산의 효율성을 높이면 필요한 토지가 줄어들고 농업이 환경에 미치는 영향이 줄어듭니다. 그리고 비전통적인 환경에서의 농업의 경우, 우주 공간과 마찬가지로 에너지 효율성이 향상되면 더 적은 투입량으로 더 많은 승무원에게 식사를 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 Jinkerson이 말했습니다.

식품 생산에 대한 이러한 접근 방식은 NASA의 Deep Space Food Challenge에 제출되어 1단계 우승을 차지했습니다. 딥 스페이스 푸드 챌린지(Deep Space Food Challenge)는 장기 우주 임무를 위해 최소한의 투입을 필요로 하고 안전하고 영양가 있고 맛있는 음식 산출을 극대화하는 새롭고 판도를 바꾸는 식품 기술을 개발한 팀에게 상이 수여되는 국제 대회입니다.

"언젠가 암흑과 화성에서 토마토 식물을 재배하는 거대한 선박을 상상해보십시오. 미래의 화성인에게는 그것이 얼마나 쉬울까요?" 공동 저자인 Martha Orozco-Cárdenas, UC Riverside Plant Transformation Research Center 소장은 말했습니다.