Les plantes poussent dans l’obscurité totale dans un milieu acétate qui remplace la photosynthèse biologique. Crédit : Marcus Harland-Dunaway/UCR
La photosynthèse artificielle est en cours de développement par des chercheurs pour aider à rendre la production alimentaire plus économe en énergie sur Terre, et peut-être un jour plus tard.
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Mars[{“attribute=””>Mars.
Pendant des millions d’années, la photosynthèse a évolué dans les plantes pour transformer l’eau, le dioxyde de carbone et l’énergie solaire en biomasse végétale et en aliments que nous consommons. Cependant, ce processus est très inefficace, avec seulement environ 1% de l’énergie trouvée dans la lumière du soleil se retrouvant dans la plante. Des chercheurs de l’Université de Californie à Riverside et de l’Université du Delaware ont trouvé un moyen de contourner complètement le besoin de photosynthèse biologique et de créer des aliments indépendants de la lumière du soleil en utilisant la photosynthèse artificielle.
La nouvelle recherche, publiée le 23 juin 2022, dans la revue Nourriture naturelle, utilise un processus électrocatalytique en deux étapes pour convertir le dioxyde de carbone, l’électricité et l’eau en acétate, la forme du composant principal du vinaigre. Les organismes producteurs d’aliments consomment alors de l’acétate dans l’obscurité pour se développer. Combiné à des panneaux solaires pour générer de l’électricité pour alimenter l’électrocatalyse, ce système hybride organique-inorganique pourrait augmenter l’efficacité de conversion de la lumière du soleil en nourriture, jusqu’à 18 fois plus efficace pour certains aliments.
“Avec notre approche, nous avons cherché à identifier une nouvelle façon de produire des aliments qui pourraient dépasser les limites normalement imposées par la photosynthèse biologique”, a déclaré l’auteur correspondant Robert Jinkerson, professeur adjoint d’ingénierie chimique et environnementale à UC Riverside.
Afin d’intégrer tous les composants du système ensemble, la sortie de l’électrolyseur a été optimisée pour soutenir la croissance des organismes producteurs d’aliments. Les électrolyseurs sont des appareils qui utilisent l’électricité pour convertir des matières premières telles que le dioxyde de carbone en molécules et produits utiles. La quantité d’acétate produite a été augmentée tandis que la quantité de sel utilisée a été réduite, ce qui a donné les niveaux d’acétate les plus élevés jamais produits dans un électrolyseur à ce jour.
“En utilisant un CO tandem en deux étapes à la pointe de la technologie2 configuration d’électrolyse développée dans notre laboratoire, nous avons pu atteindre une sélectivité élevée vis-à-vis de l’acétate qui n’est pas accessible par le CO conventionnel2 voies d’électrolyse », a déclaré l’auteur correspondant Feng Jiao de l’Université du Delaware.
Des expériences ont montré qu’un large éventail d’organismes producteurs d’aliments peuvent être cultivés dans l’obscurité directement sur la sortie de l’électrolyseur riche en acétate, y compris les algues vertes, les levures et le mycélium fongique qui produit des champignons. Produire des algues avec cette technologie est environ quatre fois plus économe en énergie que de les cultiver par photosynthèse. La production de levure est environ 18 fois plus économe en énergie que la façon dont elle est généralement cultivée en utilisant du sucre extrait du maïs.
« Nous avons pu faire pousser des organismes producteurs d’aliments sans aucune contribution de la photosynthèse biologique. En règle générale, ces organismes sont cultivés sur des sucres dérivés de plantes ou des intrants dérivés du pétrole, qui est un produit de la photosynthèse biologique qui a eu lieu il y a des millions d’années. Cette technologie est une méthode plus efficace pour transformer l’énergie solaire en nourriture, par rapport à la production alimentaire qui repose sur la photosynthèse biologique », a déclaré Elizabeth Hann, doctorante au Jinkerson Lab et co-auteur principal de l’étude.
La possibilité d’employer cette technologie pour faire pousser des plantes cultivées a également été étudiée. Le niébé, la tomate, le tabac, le riz, le canola et le pois vert ont tous pu utiliser le carbone de l’acétate lorsqu’ils étaient cultivés dans l’obscurité.
“Nous avons découvert qu’un large éventail de cultures pouvait utiliser l’acétate que nous avons fourni et l’intégrer dans les principaux éléments moléculaires dont un organisme a besoin pour se développer et prospérer. Avec une sélection et une ingénierie sur lesquelles nous travaillons actuellement, nous pourrions être en mesure de faire pousser des cultures avec de l’acétate comme source d’énergie supplémentaire pour augmenter les rendements des cultures », a déclaré Marcus Harland-Dunaway, doctorant au Jinkerson Lab et co-auteur principal de l’étude.
En libérant l’agriculture d’une dépendance totale au soleil, la photosynthèse artificielle ouvre la porte à d’innombrables possibilités de culture alimentaire dans les conditions de plus en plus difficiles imposées par le changement climatique anthropique. La sécheresse, les inondations et la disponibilité réduite des terres seraient moins une menace pour la sécurité alimentaire mondiale si les cultures pour les humains et les animaux poussaient dans des environnements contrôlés moins gourmands en ressources. Les cultures pourraient également être cultivées dans les villes et d’autres zones actuellement impropres à l’agriculture, et même fournir de la nourriture aux futurs explorateurs de l’espace.
“L’utilisation d’approches de photosynthèse artificielle pour produire de la nourriture pourrait être un changement de paradigme dans la façon dont nous nourrissons les gens. En augmentant l’efficacité de la production alimentaire, moins de terres sont nécessaires, ce qui réduit l’impact de l’agriculture sur l’environnement. Et pour l’agriculture dans des environnements non traditionnels, comme l’espace extra-atmosphérique, l’efficacité énergétique accrue pourrait aider à nourrir plus de membres d’équipage avec moins d’intrants », a déclaré Jinkerson.
Cette approche de la production alimentaire a été soumise à
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribut=””>NASA[{“attribute=””>NASA‘s Deep Space Food Challenge où il a remporté la phase I. Le Deep Space Food Challenge est un concours international où des prix sont décernés à des équipes pour créer des technologies alimentaires nouvelles et révolutionnaires qui nécessitent un minimum d’intrants et maximisent les produits alimentaires sûrs, nutritifs et appétissants pour les missions spatiales de longue durée.
“Imaginez un jour des vaisseaux géants cultivant des plants de tomates dans l’obscurité et sur Mars – à quel point cela serait-il plus facile pour les futurs Martiens ?” a déclaré la co-auteur Martha Orozco-Cárdenas, directrice du centre de recherche sur la transformation des plantes UC Riverside.
Référence : “Un système de photosynthèse artificielle hybride inorganique-biologique pour une production alimentaire économe en énergie” par Elizabeth C. Hann, Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas, Feng Jiao et Robert E. Jinkerson, 23 juin 2022, Nourriture naturelle.
DOI : 10.1038/s43016-022-00530-x
Andres Narvaez, Dang Le et Sean Overa ont également contribué à la recherche. L’article en libre accès s’intitule “Un système de photosynthèse artificielle hybride inorganique-biologique pour une production alimentaire économe en énergie”.
La recherche a été soutenue par le Translational Research Institute for Space Health (TRISH) via la NASA (NNX16AO69A), la Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR), la Link Foundation, la US National Science Foundation et le US Department of Energy. Le contenu de cette publication relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles de la Fondation pour la recherche sur l’alimentation et l’agriculture.
