Жизнь во тьме: выращивание растений без фотосинтеза
Еще со школьной скамьи мы знаем, что многим растениям для нормального существования необходим фотосинтез — удивительный процесс преобразования солнечного света в энергию химических связей. Но, какой бы гениальной ни была природа, фотосинтез нельзя назвать сверхэффективным процессом, так как лишь 1% солнечной энергии попадает в растение. Решение этой проблемы нашли ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде (США). Они разработали метод, позволяющий выращивать растения в полной темноте, т. е. полностью без участия солнечного света. На чем основан искусственный фотосинтез, как он работает, и сможет ли он помочь с продовольственным кризисом? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Учитывая рост населения планеты, спрос на продовольствие неустанно растет, в отличие от его производства. Большинство сельскохозяйственных культур могут преобразовывать солнечный свет и CO2 в растительную биомассу с эффективностью преобразования энергии всего ~1% или меньше. Таким образом, для выращивания сельскохозяйственных культур требуются большие участки земли, чтобы улавливать необходимую солнечную энергию.
Селекция и генная инженерия уже пытались решить эту проблему путем создания культур, которые будут эффективнее перерабатывать необходимый им солнечный свет. Однако этот подход ограничен малым числом видов растений и дает достаточно слабый результат.
Важно отметить, что повышение энергоэффективности производства продуктов питания (преобразование солнечной энергии в биомассу) позволит производить больше продуктов питания с использованием меньшего количества ресурсов.
Решением данной проблемы может быть искусственный фотосинтез, направленный на преодоление ограничений биологического фотосинтеза, включая низкую эффективность улавливания солнечной энергии и плохое сокращение выбросов углекислого газа.
Недавние исследования продемонстрировали системы, которые преобразуют CO2 и H2O в восстановленные вещества, такие как CO, формиат, метанол и H2, посредством электролиза. CO2, CO и H2 могут быть преобразованы в топливо и химические вещества посредством ферментации в газовой фазе некоторыми бактериями, однако массоперенос газ-жидкость ограничивает объемную эффективность и приводит к малоэффективным системам ферментации.
Использование формиата или метанола в качестве источника углерода для ферментации ограничено, поскольку в процессе биологического метаболизма этих субстратов образуется токсичный промежуточный продукт — формальдегид.
На сегодняшний день электрохимически полученные субстраты не могут поддерживать рост большинства пищевых организмов. Однако ацетат является растворимым двухуглеродным субстратом, который может быть получен электрохимически и легче метаболизируется широким кругом организмов. Использование ацетата, полученного в результате электролиза CO2, для выращивания пищевых организмов может обеспечить производство продуктов питания независимо от биологического фотосинтеза, но это еще не было проверено на практике.
Изображение №1
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили реализовать гибридную неорганическую-биологическую систему (схема выше) для производства продуктов питания. Двухэтапный электрохимический процесс превращает CO2 в ацетат, который служит источником углерода и энергии для водорослей, дрожжей, грибов, салата, риса, вигны, зеленого горошка, канолы, помидоров, перца, табака и арабидопсиса (резуховидка Таля / Arabidopsis thaliana).
Результаты исследования
Чтобы обеспечить источник углерода и энергии, независимый от биологического фотосинтеза, который может поддерживать рост растений, ученые разработали электрокаталитический процесс для производства ацетата (в виде ацетата натрия или ацетата калия, в зависимости от соли электролита) из CO2.
Изображение №2
Ацетат, полученный непосредственно в результате электрохимического восстановления CO2 с использованием медного катализатора, имеет селективность по углероду менее 15%, которая определяется как количество углерода в конечном продукте (продуктах), деленное на общее количество углерода, восстановленного в системе. Однако недавние исследования по снижению выбросов CO продемонстрировали, что ацетат можно производить с промышленно приемлемыми скоростями реакции с селективностью по углероду более 50% с использованием наноструктурированного медного катализатора. Было продемонстрировано, что для достижения максимальной селективности и производства ацетата из прямой подачи СО2 двухступенчатая система электролизера преобразует СО2 в СО, а затем СО в ацетат посредством тандемного процесса (2а).
Если точнее, то CO2 подают на катод первого электролизера, в котором используется серебряный катализатор, нанесенный на газодиффузионный слой (то есть копировальную бумагу), и образуется поток газообразных продуктов, содержащий CO, H2 и следы CO2.
Газодиффузионный электрод улучшает перенос газообразного CO2 к электрокатализатору, обеспечивая более высокие токи в направлении продуктов восстановления CO2 по сравнению с растворенным CO2 в классическом реакторе периодического действия.
Раствор 1 М KHCO3 в деионизированной воде использовался в качестве электролита на стороне анода (то есть анолита) для электролизера CO2 и рециркулировал через анодное отделение для поддержания ионной проводимости. Анод IrO2 использовался для восстановления CO2 из-за его стабильности при нейтральном pH.
Затем поток газового продукта подавали в катодную камеру электролизера CO, которая содержит медный катализатор для восстановления CO, 1 М KOH в качестве анолита и анод NiFeOx.
Путем максимизации конверсии первого и второго электролизеров, а также целенаправленного выбора ацетата по сравнению с другими полиуглеродными продуктами, эта система смогла достичь конверсии CO2 в ацетат за один проход на уровне 25%, что является большим улучшением по сравнению с < 1% конверсии, о которой сообщалось в предыдущих исследованиях.
Стоки, жидкие продукты электролиза, содержащие ацетат и другие побочные продукты, оценивались как источники углерода и энергии для выращивания растений. Ранние эксперименты показали, что стоки с соотношением ацетата к электролиту ниже 0.4 не способствуют росту водорослей. Таким образом, максимальное соотношение ацетата к электролиту имело решающее значение для интеграции этих углеродных продуктов в производство пищевых видов растений.
Были определены рабочие параметры тандемной системы электролиза CO2, обеспечивающие максимальное превращение исходного CO2 в ацетат. Для производства CO рабочая плотность тока электролизера CO2 составляла 100 мА/см при скорости потока CO2 на входе 7 мл/мин, что максимизировало конверсию CO2 в CO на уровне 43% и поддерживало высокий уровень производительности.
Для электролизера CO рабочая плотность тока 150 мА/см была выбрана для достижения более чем 80%-ной конверсии электрохимически полученного CO в продукты С2+ в течение всего времени электролиза. Первоначальные эксперименты показали, что следовые количества CO2 отрицательно влияли на селективность по ацетату в электролизере CO и приводили к быстрому увеличению напряжения электролизера CO (2b, 2c). Когда между двумя электролизерами был введен скруббер (устройство очистки) с 5 М раствором NaOH, селективность по ацетату увеличилась более чем в 3 раза, поскольку скруббер предотвратил попадание не участвовавшего в реакции СО2 из первого реактора в электролизер СО (2d-2f).
В результате 57% CO2 образовало ацетат при производительности 0.7 г/см2/день. По словам ученых, это представляет собой самую высокую конверсию CO2 в ацетат, зарегистрированную на сегодняшний день (2e).
Тандемная система электролиза CO2 работала стабильно, производя стоки с высоким соотношением ацетата и электролита. Напряжение для электролиза CO2 оставалось постоянным около 2.95 В (2f) с увеличением напряжения менее чем на 60 мВ за шестичасовой эксперимент. Реактор CO работал при напряжении 2.22 В с повышением напряжения на 160 мВ в ходе эксперимента (2f), что связано со сдвигом рН электролита с 13.7 до 13.4 по мере накопления ацетата.
Полученные католит (с использованием охлаждающей ловушки) и анолит собирали и анализировали для количественного определения продукта. Поскольку > 99% произведенного ацетата было собрано в анолите, это был основной источник, используемый для производства продуктовых растений. Полученные конечные стоки содержали 0.75 М ацетата, а отношение соли ацетата к электролиту составляло 0.75.
Изображение №3
Далее ученые использовали фотосинтетическую водоросль хламидомонаду (C. reinhardtii), которая может гетеротрофно расти на ацетате в темноте, в качестве модели, чтобы определить, могут ли улучшенные стоки, производимые электролизом, поддерживать рост растений.
Хламидомонаду добавляли в обработанные пищевые продукты для обогащения белком. Водоросли могут производить большое количество крахмала, белка и масла. Хламидомонада, выращенная гетеротрофно, может продуцировать более 1 г крахмала, 1 г белка и 0.7 г липидов на литр в день.
Чтобы оценить стоки как источник углерода, хламидомонаду выращивали гетеротрофно в темноте, используя стоки, разбавленные до концентрации ацетата в типичной жидкой гетеротрофной питательной среде (17.5 мМ ацетата в трис-ацетатно-фосфатной среде) и доведенной до pH 7.2.
Ацетат, полученный из стоков, служил единственным источником углерода и энергии. Все стоки, оцененные с отношением ацетата к электролиту, превышающим 0.4 М: 1 М (ацетат: электролит), способствовали росту хламидомонады в темноте.
Хламидомонады, выращенные на стоках с улучшенным соотношением соли ацетата и электролита (0.75 М ацетата к 1 М KOH), давали выход 0.28 г водорослей на 1 г ацетата (3b, 3c). Хламидомонада использовала более 99% ацетата в среде. Для роста не требовалось никаких продуктов фотосинтеза (таких как углеводы) или древнего фотосинтеза.
Следовательно, наблюдаемое культивирование фотосинтетического организма с использованием углерода, закрепленного посредством электролиза, полностью отделено от биологического фотосинтеза.
Не только водоросли могут выращиваться с помощью разработанной методики, но и дрожжи, которые используются в качестве источника пищи в одноклеточных белковых средах и при производстве хлеба и ферментированных напитков (вид Saccharomyces cerevisiae).
Дрожжи — это гетеротрофные организмы, чаще всего выращиваемые с глюкозой, полученной в результате фотосинтеза (то есть полученной из крахмала), в качестве источника углерода и энергии. Чтобы культивировать дрожжи без добавок, полученных в результате фотосинтеза, ученые заменили первичный источник углерода (глюкозу) в среде дрожжи-пептон-декстроза (YPD от yeast–peptone–dextrose) на эффлюентон, полученный электролизом.
Все среды доводили до рН 6.0. Стоки, полученные с помощью электролиза (0.75 М ацетата: 1 М KOH), поддерживали рост дрожжей, обеспечивая выход 0.19 г дрожжевой биомассы на 1 г ацетата, а также девятикратное увеличение OD600 и двукратное увеличение сухой массы по сравнению с дрожжами, выращенными без ацетата или глюкоза (3d, 3e).
Далее подобный опыт был проведен с грибами. Грибы обычно культивируют на твердых субстратах, состоящих из углеводов, полученных в результате фотосинтеза, таких как целлюлоза или рисовая мука.
Чтобы культивировать грибковый мицелий без этих углеводов, ученые разработали метод твердофазной ферментации, в котором стоки использовались в качестве основного источника углерода и энергии. Из-за необходимых объемов здесь использовались имитированные стоки, состоящие из тех же компонентов, что и стоки, произведенные электролизом. Смоделированный эфлюент (0.691 М ацетат: 1 М KOH) добавляли к среде YPD без глюкозы до достижения 0.5% (масс./масс.) ацетата. Этот субстрат поддерживал рост жемчужной устрицы, голубой устрицы, вязовой устрицы, кораллового зуба и мицелия энокитаке (3f). Большая часть субстрата была полностью заселена всеми пятью видами, что указывает на то, что стоки могут служить источником углерода для культивирования различных грибковых мицелий.
Более высокие уровни стоков подавляли рост мицелия (3g), вероятно, из-за более высоких уровней побочных продуктов, особенно пропионата, который используется в качестве противогрибкового пищевого консерванта.
Успешный рост мицелия указывает на способность производить продукты на основе мицелия и потенциально грибы независимо от углерода и энергии, полученных в результате фотосинтеза.
Изображение №4
Водоросли, дрожжи и грибы — это, конечно же, очень хорошо, но куда важнее понять, может ли метод искусственного фотосинтеза применяться для сельхоз культур.
Ученые отслеживали включение ацетата в биомассу растений, используя тяжелый изотоп 13C-ацетата, меченный обоими атомами углерода, чтобы оценить, может ли экзогенный ацетат метаболизироваться сельскохозяйственными культурами.
Чтобы исследовать использование ацетата в качестве источника углерода, мы выращивали недифференцированную ткань (каллус*) салата (чтобы избежать накопления углерода и энергии в семенах) в темноте в жидких средах, содержащих стоки (0.691 М ацетата: 1 М KOH) с добавлением 13C-ацетата для отслеживания включения углерода.
Каллус* — дедифференцированные (потерявшие специализацию) клетки, являющиеся тотипотентными и способными поэтому дать начало целому растению.
Ткани продемонстрировали значительное присутствие 13C, подтверждая, что ткань салата метаболизирует ацетат в качестве источника углерода и энергии (4а). Маркировка цитрата/изоцитрата, сукцината, α-кетоглутарата и малата показала, что экзогенный ацетат превращается в биологически активный ацетил-CoA и входит в цикл трикарбоновых кислот (TCA от tricarboxylic acid cycle) для производства энергии. Аминокислоты также были помечены 13C. Это указывает на то, что углерод из ацетата может использоваться для построения белков. Продукты и промежуточные продукты глюконеогенеза также были помечены 13C. Это указывает на то, что углерод из ацетата может использоваться для биосинтеза углеводов.
Включение углерода 13C-ацетата в аминокислоты и сахара посредством цикла трикарбоновых кислот, гликолиза и глюконеогенеза является убедительным доказательством того, что экзогенный ацетат может быть легко включен в общую биомассу тканей салата, выращенных в темноте, и может быть источником углерода и энергии для других растений.
Чтобы проверить поглощение и использование ацетата целыми растениями, ученые выращивали салат на свету с добавлением 13C-ацетата в агаровую среду в концентрации 2 мМ.
В вегетативной ткани листа наблюдалось, что аминокислоты, сахара и промежуточные продукты цикла ТСА, гликолиза и глюконеогенеза были помечены 13C в нескольких углеродных положениях (4a-4c). Обнаружение меченых метаболитов в ткани листа указывает на то, что углерод из ассимилированного корнями ацетата может распределяться по всему растению.
Дополнительные опыты показали, что ацетат можно внедрять не только в салат, но и в другие сельскохозяйственные культуры: рис, зеленый горошек, перец халапеко, рапс, помидоры, вигна, табак и резуховидка Таля. Все эти культуры, выращенные на свету на твердом агаре, содержащем 13С-ацетат, показали сходное 13С-мечение аминокислот, углеводов и промежуточных продуктов цикла ТСА, как и в случае с салатом.
Также было установлено, что семена салата прорастали при всех протестированных концентрациях ацетата (до 10 мМ). Однако рост растений в значительной степени ингибировался ацетатом в концентрациях, которые могли бы заметно увеличить биомассу растений, хотя некоторые параметры роста (к примеру рост корней) увеличились.
Салат, выращенный с использованием стоков электролизера (0.691 М ацетата: 1 М KOH или 0.648 М ацетата: 1 М KHCO3), добавленных для достижения конечной концентрации среды 1.0 мМ ацетата, не показал дополнительного ингибирования роста по массе растения или количеству листьев ввиду воздействия побочных продуктов электролиза.
Ученые заявляют, что толерантность растений и потребление ацетата в качестве гетеротрофного источника энергии необходимо увеличить, чтобы в будущем полностью нивелировать потребность растений в биологическом фотосинтезе.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали гибридную неорганически-биологическую систему, которая может фактически производить пищу из углекислого газа и электричества независимо от биологического фотосинтеза.
Используя двухстадийный процесс, ученые добились электрохимического восстановления CO2 до ацетата с селективностью по углероду 57% по отношению к ацетату, что является самым высоким значением на сегодняшний день. Система электролиза была спроектирована так, чтобы получить улучшенные стоки с соотношением ацетата и соли электролита до 0.75. Это соотношение намного выше того, что необходимо для поддержания биологического роста.
Электрохимически полученный ацетат внедрялся в самые разные организмы: водоросли, грибы, дрожжи и сельхоз культуры (рис, горошек, салат и т. д.). Опыты показали, что широкий спектр пищевых культур может использовать экзогенный ацетат для производства энергии и биомассы. Это означает, что ацетат способен поддерживать полноценный рост сельскохозяйственных культур при дальнейшей оптимизации системы.
Стоит отметить, что благодаря электролизу с фотоэлектрическими элементами преобразование солнечного света и CO2 в пищу в разработанной системе почти в 18 раз эффективнее, чем обычное производство, основанное на биологическом фотосинтезе. Ученые считают, что подобного рода методы выращивания могут разительным образом изменить структуру сельского хозяйства. За счет повышения эффективности производства требуется меньше земли, что снижает воздействие сельского хозяйства на окружающую среду. Кроме того, данный метод отлично подходит для нестандартных условий (например, в космосе). Стоит отметить, что ученые представили свою разработку на конкурсе Deep Space Food Challenge, проводимом NASA, и заняли первое место на первом этапе.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
