A fotossíntese evoluiu nas plantas por milhões de anos para transformar água, dióxido de carbono e a energia da luz solar em biomassa vegetal e nos alimentos que ingerimos. Este processo, no entanto, é muito ineficiente, com apenas cerca de 1% da energia encontrada na luz solar terminando na planta. Cientistas da UC Riverside e da Universidade de Delaware descobriram uma maneira de contornar completamente a necessidade de fotossíntese biológica e criar alimentos independentes da luz solar usando a fotossíntese artificial.
A pesquisa, publicada na Nature Food, usa um processo eletrocatalítico de duas etapas para converter dióxido de carbono, eletricidade e água em acetato, a forma do principal componente do vinagre. Os organismos produtores de alimentos consomem acetato no escuro para crescer. Combinado com painéis solares para gerar eletricidade para alimentar a eletrocatálise, esse sistema híbrido orgânico-inorgânico poderia aumentar a eficiência de conversão da luz solar em alimentos, até 18 vezes mais eficiente para alguns alimentos.
“Com nossa abordagem, procuramos identificar uma nova maneira de produzir alimentos que pudesse romper os limites normalmente impostos pela fotossíntese biológica”, disse o autor correspondente Robert Jinkerson, professor assistente de engenharia química e ambiental da UC Riverside.
A fim de integrar todos os componentes do sistema juntos, a saída do eletrolisador foi otimizada para suportar o crescimento de organismos produtores de alimentos. Os eletrolisadores são dispositivos que usam eletricidade para converter matérias-primas como dióxido de carbono em moléculas e produtos úteis. A quantidade de acetato produzida foi aumentada enquanto a quantidade de sal utilizada foi diminuída, resultando nos níveis mais altos de acetato já produzidos em um eletrolisador até hoje.
“Usando uma configuração de eletrólise de CO2 em tandem de duas etapas de última geração desenvolvida em nosso laboratório, conseguimos obter uma alta seletividade em relação ao acetato que não pode ser acessada pelas rotas convencionais de eletrólise de CO2”, disse o autor correspondente Feng Jiao na Universidade de Delaware.
Experimentos mostraram que uma ampla gama de organismos produtores de alimentos pode ser cultivada no escuro diretamente na saída do eletrolisador rico em acetato, incluindo algas verdes, leveduras e micélio fúngico que produzem cogumelos. A produção de algas com esta tecnologia é aproximadamente quatro vezes mais eficiente em termos energéticos do que cultivá-las fotossinteticamente. A produção de levedura é cerca de 18 vezes mais eficiente em termos energéticos do que normalmente é cultivada com açúcar extraído do milho.
“Conseguimos cultivar organismos produtores de alimentos sem nenhuma contribuição da fotossíntese biológica. Normalmente, esses organismos são cultivados com açúcares derivados de plantas ou insumos derivados do petróleo – que é um produto da fotossíntese biológica que ocorreu há milhões de anos. A tecnologia é um método mais eficiente de transformar a energia solar em alimento, em comparação com a produção de alimentos que depende da fotossíntese biológica”, disse Elizabeth Hann, doutoranda no Laboratório Jinkerson e co-autora principal do estudo.
O potencial de empregar esta tecnologia para cultivar plantas também foi investigado. Feijão caupi, tomate, tabaco, arroz, canola e ervilha verde foram todos capazes de utilizar o carbono do acetato quando cultivados no escuro.
“Descobrimos que uma ampla gama de culturas poderia pegar o acetato que fornecemos e transformá-lo nos principais blocos de construção molecular que um organismo precisa para crescer e prosperar. Com alguma reprodução e engenharia em que estamos trabalhando atualmente, podemos ser capazes de cultivar culturas com acetato como uma fonte extra de energia para aumentar o rendimento das colheitas”, disse Marcus Harland-Dunaway, doutorando no Laboratório Jinkerson e co-autor principal do estudo.
Ao libertar a agricultura da dependência total do sol, a fotossíntese artificial abre as portas para inúmeras possibilidades de cultivo de alimentos nas condições cada vez mais difíceis impostas pelas mudanças climáticas antropogênicas. Secas, inundações e disponibilidade de terra reduzida seriam uma ameaça menor à segurança alimentar global se as culturas para humanos e animais crescessem em ambientes controlados e com menos recursos. As colheitas também podem ser cultivadas em cidades e outras áreas atualmente inadequadas para a agricultura e até fornecer alimentos para futuros exploradores espaciais.
“O uso de abordagens de fotossíntese artificial para produzir alimentos pode ser uma mudança de paradigma na forma como alimentamos as pessoas. Ao aumentar a eficiência da produção de alimentos, menos terra é necessária, diminuindo o impacto que a agricultura tem no meio ambiente. E para a agricultura em ambientes não tradicionais, como o espaço sideral, o aumento da eficiência energética pode ajudar a alimentar mais tripulantes com menos insumos”, disse Jinkerson.
Essa abordagem à produção de alimentos foi submetida ao Deep Space Food Challenge da NASA, onde foi vencedora da Fase I. O Deep Space Food Challenge é uma competição internacional em que os prêmios são concedidos a equipes para criar tecnologias alimentares inovadoras e revolucionárias que exigem insumos mínimos e maximizam a produção de alimentos seguros, nutritivos e palatáveis para missões espaciais de longa duração.
“Imagine um dia navios gigantes cultivando tomateiros no escuro e em Marte – seria muito mais fácil para os futuros marcianos?” disse a coautora Martha Orozco-Cárdenas, diretora do UC Riverside Plant Transformation Research Center.
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