Đột phá khoa học: Tìm ra cách để thực vật phát triển trong bóng tối, không cần ánh sáng mặt trời

Quá trình này sử dụng một phương pháp quang hợp nhân tạo để cây phát triển trong bóng tối hoàn toàn.

Quá trình quang hợp đã tồn tại và phát triển trong giới thực vật hàng triệu năm để biến nước, carbon dioxide và năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành sinh khối thực vật và các loại thực phẩm chúng ta ăn hàng ngày. Tuy nhiên, quá trình này rất kém hiệu quả, với chỉ khoảng 1% năng lượng được tìm thấy trong ánh sáng mặt trời được đúc kết tại cây trồng.

Tuy nhiên, các nhà khoa học tại UC Riverside và Đại học Delaware mới đây đã tìm ra cách loại bỏ hoàn toàn nhu cầu quang hợp sinh học và có thể giúp chúng ta tạo ra thức ăn từ thực vật mà không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời. Đáp án chính là bằng cách sử dụng quang hợp nhân tạo.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Food, sử dụng quy trình điện xúc tác hai bước để chuyển đổi carbon dioxide, điện và nước thành axetat, dạng thành phần chính của giấm. Các sinh vật sản xuất thực phẩm sau đó tiêu thụ axetat trong bóng tối để phát triển. Kết hợp với các tấm pin mặt trời tạo ra điện để cung cấp năng lượng cho quá trình xúc tác điện, hệ thống vô cơ-hữu cơ lai này có thể tăng hiệu suất chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành thực phẩm với mức độ hiệu quả hơn 18 lần, đối với một số loại thực phẩm.

“Với cách tiếp cận của mình, chúng tôi đã tìm cách xác định một phương pháp sản xuất thực phẩm mới có thể vượt qua các giới hạn thường được áp đặt bởi quá trình quang hợp sinh học”, Robert Jinkerson, trợ lý giáo sư về kỹ thuật hóa học và môi trường của UC Riverside, tác giả nghiên cứu cho biết.

Quang hợp nhân tạo đã cho phép các nhà khoa học trồng cây trong bóng tối hoàn toàn.

Để tích hợp tất cả các thành phần của hệ thống với nhau, đầu ra của máy điện phân đã được tối ưu hóa để hỗ trợ sự phát triển của các sinh vật sản xuất thực phẩm. Máy điện phân là thiết bị sử dụng điện để chuyển đổi các nguyên liệu thô như carbon dioxide thành các phân tử và sản phẩm hữu ích. Lượng axetat được tạo ra đã tăng lên trong khi lượng muối sử dụng lại giảm đi, dẫn đến một tỷ lệ axetat cao nhất từng được tạo ra trong một máy điện phân cho đến nay.

“Sử dụng thiết lập điện phân CO2 song song hai bước hiện đại được phát triển trong phòng thí nghiệm, chúng tôi có thể đạt được độ chọn lọc cao đối với axetat, một tỷ lệ không thể tiếp cận thông qua các con đường điện phân CO2 thông thường”, tác giả Feng Jiao tại Đại học của Delaware chia sẻ thêm.

Các thí nghiệm cho thấy một loạt các sinh vật sản xuất thực phẩm có thể được phát triển trong bóng tối một cách trực tiếp trên đầu ra của máy điện phân giàu axetat, bao gồm tảo lục, nấm men và sợi nấm tạo ra nấm. Sản xuất tảo bằng công nghệ này tiết kiệm năng lượng hơn khoảng bốn lần so với việc trồng tảo quang hợp. Sản xuất nấm men thì tiết kiệm năng lượng hơn khoảng 18 lần so với cách trồng thông thường bằng cách sử dụng đường chiết xuất từ ngô.

“Chúng tôi đã có thể phát triển các sinh vật sản xuất thực phẩm mà không cần bất kỳ sự đóng góp nào của quá trình quang hợp sinh học. Thông thường, những sinh vật này được nuôi trồng trên đường có nguồn gốc từ thực vật hoặc nguyên liệu đầu vào có nguồn gốc từ dầu mỏ – là sản phẩm của quá trình quang hợp sinh học diễn ra hàng triệu năm trước. Công nghệ này là một phương pháp hiệu quả hơn để biến năng lượng mặt trời thành thực phẩm, so với sản xuất thực phẩm dựa vào quang hợp sinh học”, Elizabeth Hann, một ứng cử viên tiến sĩ tại Jinkerson Lab và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết.

Thực vật đang phát triển trong bóng tối hoàn toàn dựa trên môi trường axetat.

Tiềm năng sử dụng công nghệ này để trồng cây trồng cũng đã được nghiên cứu. Đậu đũa, cà chua, thuốc lá, gạo, cải dầu và đậu xanh đều có thể tận dụng cacbon từ axetat khi được trồng trong bóng tối.

“Chúng tôi phát hiện ra rằng nhiều loại cây trồng có thể lấy axetat mà chúng tôi cung cấp và xây dựng nó thành các khối xây dựng phân tử chính mà một sinh vật cần để sinh trưởng và phát triển”, Marcus Harland-Dunaway, một ứng cử viên tiến sĩ tại Jinkerson Lab và đồng tác giả của nghiên cứu chia sẻ thêm.

Bằng cách giải phóng nền nông nghiệp khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mặt trời, quang hợp nhân tạo mở ra cánh cửa cho vô số khả năng trồng thực phẩm trong điều kiện ngày càng khó khăn do biến đổi khí hậu do con người gây ra. Hạn hán, lũ lụt và diện tích đất giảm sẽ ít đe dọa đến an ninh lương thực toàn cầu hơn nếu cây trồng cho người và động vật phát triển trong môi trường ít sử dụng tài nguyên hơn. Cây trồng cũng có thể được trồng ở các thành phố và các khu vực khác hiện đang không thích hợp cho nông nghiệp, và thậm chí cung cấp thực phẩm cho các nhà thám hiểm không gian trong tương lai.

Phương pháp tiếp cận sản xuất lương thực này đã được đệ trình cho chương trình Thử thách thực phẩm trong không gian sâu (Deep Space Food Challenge) của NASA, nơi nó là dự án chiến thắng Giai đoạn I. Đây là một cuộc thi quốc tế, nơi các giải thưởng được trao cho các đội tạo ra các công nghệ thực phẩm mới và thay đổi cuộc chơi, khi yêu cầu đầu vào tối thiểu và tối đa hóa đầu ra thực phẩm an toàn, bổ dưỡng và ngon miệng cho các nhiệm vụ không gian dài hạn.

“Hãy tưởng tượng một ngày nào đó những con tàu khổng lồ trồng cây cà chua trong bóng tối và trên sao Hỏa – điều đó sẽ dễ dàng hơn bao nhiêu đối với những người Sao Hỏa trong tương lai?”, đồng tác giả Martha Orozco-Cárdenas, Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Chuyển đổi Thực vật UC Riverside cho biết.