کشاورزی با تکنولوژی الکترو-کشاورزی: تولید غذا در تاریکی و کاهش استفاده زمین تا 94%
زیست‌مهندس‌ها روشی جدید و جسورانه برای تولید غذا پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند کشاورزی را به‌طور جدی تغییر و بهینه‌سازی کند و آن را برای محیط‌هایی مانند فضا سازگارتر سازد.
این سیستم که به نام "الکترو-کشاورزی" خوانده می‌شود، به جای فتوسنتز سنتی - که تنها حدود 1% از انرژی نور جذب‌شده را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند - از واکنش خورشیدی برای تبدیل کارآمد دی‌اکسید کربن (CO2) به یک مولکول آلی که گیاهان می‌توانند به عنوان غذا استفاده کنند، استفاده می‌کند.
فنگ جائو، نویسنده اصلی این تحقیق به Interesting Engineering ( IE ) گفت: "از آنجا که الکترو-کشاورزی به شرایط آب‌وهوایی وابسته نیست و کارایی بیشتری نسبت به کشاورزی سنتی دارد، می‌تواند به عنوان روشی ارزشمند برای تولید غذای مکمل در مواقع لزوم خدمت کند."
"با تغییرات اقلیمی جهانی که کشاورزی را تحت تأثیر قرار می‌دهد، فناوری‌های نوآورانه تولید غذا به‌طور فزاینده‌ای برای تثبیت بازارهای غذایی و حمایت از جمعیت رو به رشد ضروری می‌شوند."
انقلابی در تولید غذا
فتوسنتز، فرآیندی که حیات را بر روی زمین ممکن می‌سازد و نور خورشید را به انرژی شیمیایی در گیاهان تبدیل می‌کند، به نحوی شناخته‌شده ناکارآمد است. بر اساس تحقیق‌ها، تنها بخشی از نور خورشید که گیاه جذب می‌کند - حدود 1% - به انرژی قابل استفاده تبدیل می‌شود. با توجه به تقاضای رو به رشد برای غذا، محدودیت زمین‌های زراعی و بحران قریب‌الوقوع اقلیمی، بهبود این کارایی حیاتی است.
در الکترو-کشاورزی، صفحات خورشیدی برای تأمین انرژی یک واکنش شیمیایی بین CO2 و آب استفاده می‌شوند که استات، مولکولی مرتبط با اسید استیک (جزء اصلی سرکه) تولید می‌کند. گیاهان به‌صورت ژنتیکی مهندسی می‌شوند تا از این استات به عنوان منبع انرژی اولیه استفاده کنند و به فتوسنتز تکیه نکنند.
اگر این سیستم در مقیاس وسیع پذیرفته شود، می‌تواند با کاهش زمین موردنیاز برای کشاورزی تا 94%، به گفته‌ی محققان، به‌طرز شگفت‌انگیزی زمین نیاز برای کشاورزی را کاهش دهد.
رابرت جینکرسون، یک مهندس زیستی در دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید و نویسنده‌ی اصلی مقاله، این فناوری را به عنوان یک جهش بزرگ به جلو می‌بیند. او در یک بیانیه خبری توضیح می‌دهد: "اگر نیازی به رشد گیاهان با نور خورشید نداشته باشیم، می‌توانیم کشاورزی را از محیط طبیعی جدا کنیم و غذا را در محیط‌های داخلی و کنترل‌شده رشد دهیم."
این تغییر می‌تواند کشاورزی را به مزارع عمودی و چندطبقه داخلی منتقل کند که در آن انرژی خورشیدی در خارج از ساختمان مهار می‌شود تا رشد گیاهان را در داخل حمایت کند.
بیشتر از فتوسنتز کارآمد
در قلب این نوآوری، تلاش برای بهبود کارایی فرآیند تبدیل انرژی قرار دارد. جائو اشاره می‌کند که نسخه کنونی الکترو-کشاورزی به حدود 4٪ کارایی - چهار برابر بیشتر از فتوسنتز - دست یافته است.
"زیرا همه چیز با این روش کارآمدتر می‌شود، ردپای CO2 مرتبط با تولید غذا بسیار کوچکتر می‌شود" جائو می‌گوید و به مزایای محیطی اشاره می‌کند.
این روش پتانسیل حل چندین ناکارآمدی که کشاورزی سنتی را به محاصره کشیده‌اند، مانند حجم عظیمی از آب، کود و زمین مورد نیاز برای رشد محصول دارد.
الکترو-کشاورزی غذا را در محیطی کنترل‌شده و داخلی تولید می‌کند، امکان مدیریت دقیق‌تر منابع را فراهم می‌کند و تأثیرات محیطی کشاورزی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، می‌تواند تأثیر تغییرات اقلیمی را با جدا کردن تولید غذا از الگوهای آب و هوایی و تغییرات فصلی کاهش دهد.
علم پشت گیاهان مصرف‌کننده استات
برای دستیابی به این چشم‌انداز، محققان در حال بازمهندسی گیاهان هستند تا "استات بخورند". گیاهان به‌طور طبیعی یک مسیر متابولیک دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد غذاهایی که در دانه‌های خود در زمان جوانه‌زنی ذخیره کرده‌اند را تجزیه کنند.
این مسیر زمانی که گیاهان از فتوسنتز استفاده می‌کنند غیر فعال می‌شود. تیم زیست‌مهندسی قصد دارد این فرآیند را در گیاهان بالغ دوباره فعال کند تا بتوانند استات را به عنوان منبع انرژی استفاده کنند.
در حالی که تحقیق اولیه این تیم بر روی گوجه‌فرنگی و کاهو متمرکز است، آن‌ها برنامه دارند به محصولات پرکالری مانند کاساوا، سیب‌زمینی شیرین و غلات گسترش یابند. تا کنون، گیاهانی را مهندسی کرده‌اند که می‌توانند استات را در ترکیب با فتوسنتز استفاده کنند، اما هدف نهایی ایجاد گیاهانی است که به‌کل به استات برای انرژی متکی باشند و نیازی به نور نداشته باشند.
در حالی که تحقیقات گیاهی هنوز در مراحل اولیه قرار دارد، دیگر جانداران مانند قارچ‌ها، مخمرها و جلبک‌ها به‌طور طبیعی از استات به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند. این بدان معناست که این فناوری می‌تواند زودتر به این جانداران تولید‌کننده غذا به‌طور تجاری اعمال شود.
"ما با موفقیت قارچ‌ها را به‌طور کامل از استات مشتق شده از CO2 تولید کرده‌ایم. این قارچ‌ها ظاهری و طعمی مشابه قارچ‌های سنتی دارند، بدون هیچ تفاوت قابل ملاحظه‌ای. دیگر محصولات غذایی هنوز در حال توسعه هستند، اما انتظار می‌رود که طعمی شبیه به گزینه‌های متعارف داشته باشند" جائو به IE گفت.
این مطالعه در Joule منتشر شده است.
