Двумя основными проблемами, с которыми сталкивается производство продуктов питания, являются его зависимость от погодных условий и потребность в больших участках пахотных земель. Но новое исследование предлагает заглянуть в будущее, где нам, возможно, не понадобится ни то, ни другое.

Исследователи разработали метод под названием «электросельское хозяйство», который использует возобновляемую энергию и углекислый газ для выращивания сельскохозяйственных культур в помещении. Этот инновационный подход может изменить сельское хозяйство в том виде, в котором мы его знаем, и, возможно, даже позволить астронавтам выращивать еду в космосе.

Если мы будем выращивать все продукты питания в США, используя этот подход, потребность в сельскохозяйственных землях может снизиться на 94 процента, утверждают исследователи.

«Эта технология позволяет производить продукты питания в вертикально интегрированных системах, сокращая потребность в земле для выращивания традиционных сельскохозяйственных культур. Например, если электроэнергетика будет полностью внедрена в США, она потенциально может сократить использование сельскохозяйственных земель с 1,2 миллиарда акров до всего лишь 0,14 миллиарда акров», — сказал Фэн Цзяо, один из авторов исследования и профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WashU). ), сказал ЗМЭ Наука .

Такое резкое сокращение сельскохозяйственных угодий высвободит огромные территории для восстановления экосистем и связывания углерода.

Электросельское хозяйство против фотосинтеза

Большинство съедобных растений производят пищу посредством фотосинтеза — процесса, в котором они улавливают солнечный свет и используют его энергию для превращения углекислого газа из воздуха и воды из почвы в глюкозу — тип сахара, который обеспечивает растения энергией. Однако основная проблема фотосинтеза заключается в том, что это крайне неэффективный метод производства продуктов питания, преобразующий лишь около одного процента солнечного света в глюкозу.

«Фотосинтез по своей сути имеет низкую эффективность преобразования солнечной энергии в пищу, обычно всего около 1%, что ограничивает производительность традиционного сельского хозяйства», — сказал Фэн.

Кроме того, традиционное сельское хозяйство занимает почти половину пригодных для жизни земель в мире, способствует высоким выбросам парниковых газов и чувствительно к климатическим условиям. Это затрудняет поддержание производства продуктов питания за счет фотосинтеза в условиях меняющихся погодных условий.

С другой стороны, электросельское хозяйство использует возобновляемую энергию из таких источников, как солнечные батареи, для преобразования CO.₂ (из воздуха) в ацетат. Растения могут использовать этот ацетат для удовлетворения своих потребностей в углероде и энергии, не полагаясь на солнечный свет или большие площади земли, поскольку процесс можно масштабировать вертикально.

«Электросельское хозяйство можно интегрировать с растениями, скармливая им ацетат, получаемый в результате электролиза CO2. Генетические модификации могут потребоваться для оптимизации использования растениями ацетата, что позволит им обойти фотосинтез и использовать ацетат для производства энергии и биомассы посредством глиоксилатного цикла», — добавил Фэн.

Глиоксилатный цикл — это процесс, который многие бактерии, грибы и растения используют для приготовления пищи в темноте. По словам исследователей, испытания в реальных условиях показали многообещающие результаты; например, экспериментальная электросельскохозяйственная система продемонстрировала четырехкратное увеличение энергоэффективности по сравнению с фотосинтезом.

Готовы ли мы изменить сельское хозяйство?

Если вы живете в развитой стране, велика вероятность, что вы несете на себе основной удар продовольственной инфляции и широко распространенного загрязнения пестицидами. Если вы фермер из слаборазвитой части мира, вы наверняка чувствуете боль от изменения климата.

Однако, если электросельское хозяйство будет реализовано в больших масштабах, оно сможет помочь решить большинство этих проблем. Это может сделать производство продуктов питания более устойчивым за счет значительного снижения воздействия сельского хозяйства на окружающую среду. Более того, это могло бы стабилизировать цены на продовольствие, сделав производство продовольствия менее зависимым от погодных условий, что повысит продовольственную безопасность, особенно в регионах с суровым климатом или ограниченностью пахотных земель.

Однако этот подход не идеален и имеет некоторые ограничения. Например, это потребует значительных энергозатрат и бесперебойной подачи электроэнергии. Это может оказаться очень сложной задачей в мире, где такие технологии, как искусственный интеллект, квантовые вычисления и электрические зарядные станции, конкурируют за энергию.

Крупномасштабное внедрение электросельского хозяйства также потребует создания гигантских вертикальных ферм, что потребует крупных первоначальных инвестиций и много времени на разработку. Но прежде чем что-либо из этого произойдет, исследователям необходимо показать, что этот метод на 100 процентов осуществим и масштабируем.

«Уровень готовности электросельского хозяйства пока недостаточен для широкомасштабной коммерциализации, поскольку необходимы дополнительные работы по повышению стабильности CO.₂ системы электролиза и улучшают метаболические пути в растениях», — сказал Фэн. ЗМЭ Наука .

Тем не менее, концепция обещает быть многообещающей. При дальнейших исследованиях электросельское хозяйство может стать решающим инструментом в обеспечении более устойчивого, эффективного и безопасного производства продуктов питания в мире, сталкивающемся с быстро меняющимся климатом.

Исследование опубликовано в журнале Джоуль .