Mit "Elektro-Landwirtschaft" können Pflanzen im Dunkeln und mit 94 % weniger Land Nahrung produzieren, sagen Bioingenieure
Die Photosynthese, die chemische Reaktion, die fast alles Leben auf der Erde ermöglicht, ist bei der Energiegewinnung äußerst ineffizient - nur etwa 1 % der Lichtenergie, die eine Pflanze aufnimmt, wird in der Pflanze in chemische Energie umgewandelt. In einem Perspektivpapier, das am 23. Oktober in der Zeitschrift Joule von Cell Press veröffentlicht wurde, schlagen Bioingenieure eine radikale neue Methode der Nahrungsmittelproduktion vor, die sie "Elektro-Landwirtschaft" nennen. Die Methode ersetzt im Wesentlichen die Photosynthese durch eine solarbetriebene chemische Reaktion, die CO2 effizienter in ein organisches Molekül umwandelt, das die Pflanzen gentechnisch "fressen" sollen. Die Forscher schätzen, dass sich die für die Landwirtschaft benötigte Fläche um 94 % verringern würde, wenn alle Lebensmittel in den USA mit Hilfe der Elektroagrarwirtschaft erzeugt würden. Die Methode könnte auch für den Anbau von Lebensmitteln im Weltraum eingesetzt werden.
Prototyp
Feng Jiao
"Wenn wir die Pflanzen nicht mehr mit Sonnenlicht züchten müssen, können wir die Landwirtschaft von der Umwelt abkoppeln und Lebensmittel in kontrollierten Innenräumen anbauen", sagt der korrespondierende Autor und Bioingenieur Robert Jinkerson (@JinkersonLab) von der University of California, Riverside. "Ich denke, dass wir die Landwirtschaft in die nächste Phase der Technologie bringen müssen, und die kontrollierte, von der Natur entkoppelte Produktion muss der nächste Schritt sein."
Elektrolandwirtschaft würde bedeuten, dass die landwirtschaftlichen Felder durch mehrstöckige Gebäude ersetzt werden. Solarzellen auf oder in der Nähe der Gebäude würden die Sonnenstrahlung absorbieren, und diese Energie würde eine chemische Reaktion zwischen CO2 und Wasser in Gang setzen, bei der Acetat entsteht - ein Molekül, das der Essigsäure, dem Hauptbestandteil von Essig, ähnelt. Das Acetat würde dann zur Ernährung von Pflanzen verwendet, die hydroponisch angebaut werden. Die Methode könnte auch für den Anbau anderer nahrungsproduzierender Organismen verwendet werden, da Acetat von Pilzen, Hefe und Algen auf natürliche Weise genutzt wird.
"Das Ziel dieses neuen Prozesses ist es, die Effizienz der Photosynthese zu steigern", sagt der Hauptautor Feng Jiao (@Jiao_Lab), ein Elektrochemiker an der Washington University in St. Louis. "Im Moment haben wir einen Wirkungsgrad von etwa 4 %, was bereits viermal höher ist als bei der Photosynthese, und da alles mit dieser Methode effizienter ist, wird der CO2-Fußabdruck, der mit der Produktion der Lebensmittel verbunden ist, viel kleiner."
Um acetatfressende Pflanzen gentechnisch zu verändern, nutzen die Forscher einen Stoffwechselweg, den keimende Pflanzen nutzen, um die in ihren Samen gespeicherte Nahrung abzubauen. Dieser Stoffwechselweg wird abgeschaltet, sobald die Pflanzen zur Photosynthese fähig sind, aber wenn man ihn wieder einschaltet, können sie Acetat als Energie- und Kohlenstoffquelle nutzen.
"Wir versuchen, diesen Weg in erwachsenen Pflanzen wieder einzuschalten und ihre natürliche Fähigkeit zur Nutzung von Acetat wiederzuerwecken", sagt Jinkerson. "Es ist vergleichbar mit der Laktoseintoleranz beim Menschen - als Babys können wir die Laktose in der Milch verdauen, aber bei vielen Menschen wird dieser Weg ausgeschaltet, wenn sie erwachsen werden. Das ist in etwa die gleiche Idee, nur für Pflanzen."
Das Team konzentriert sich bei seinen Forschungen zunächst auf Tomaten und Salat, plant aber, in Zukunft auch kalorienreiche Grundnahrungsmittel wie Maniok, Süßkartoffeln und Getreide anzubauen. Derzeit ist es ihnen gelungen, Pflanzen zu entwickeln, die neben der Photosynthese auch Acetat nutzen können, aber ihr Ziel ist es, Pflanzen zu entwickeln, die ihre gesamte benötigte Energie aus Acetat gewinnen können, so dass sie selbst kein Licht benötigen.
"Bei Pflanzen befinden wir uns noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase, wenn es darum geht, sie dazu zu bringen, Acetat als Kohlenstoffquelle zu nutzen, denn Pflanzen haben sich nicht so entwickelt, dass sie auf diese Weise wachsen, aber wir machen Fortschritte", sagt Jinkerson. "Pilze, Hefe und Algen können heute auf diese Weise gezüchtet werden, so dass ich denke, dass diese Anwendungen zuerst kommerzialisiert werden könnten und Pflanzen erst später folgen werden."
Die Forscher planen auch, ihre Methode der Acetatproduktion weiter zu verfeinern, um das Kohlenstoff-Fixierungssystem noch effizienter zu machen.
"Dies ist nur der erste Schritt in dieser Forschung, und ich denke, es besteht die Hoffnung, dass die Effizienz und die Kosten in naher Zukunft erheblich verbessert werden", sagt Jiao.
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