Фотосинтез жахливо неефективний

Рослини з дуже низькою ефективністю перетворюють сонячне світло та вуглекислий газ на нову біомасу. Це було зрозуміло ще 1912 року, коли Nature опублікував першу доповідь славетного Джакомо Чамічана щодо перспектив штучного фотосинтезу. Пару років тому той самий Nature в галузевому Nature Food надрукував уже статтю науковців із Каліфорнійського університету (Елізабет Ханн, Роберт Джинкерсон, Шон Овера та інші), що запропонували альтернативу – електрокаталіз. Учені побудували комплекс, де на вході ви маєте природне світло, а на виході – біомасу. Вони використовували сонячні панелі для отримання електроенергії, що перетворювала вуглекислий газ і воду в ацетати, а вже ацетати застосовувалися як енергетичний компонент субстрату для водоростей, дріжджів, грибів і вищих рослин, зокрема томатів, ріпаку, салату, перцю та рису. Всі ці організми росли в повній темряві.

Отже, в чому полягає проблема? Продуктивність рослин і відповідно врожайність культур обмежені біохімічним процесом фотосинтезу, що має ефективність лише близько 1 % або навіть менше. Чому так мало енергії асимілюється, накопичується та переходить у біомасу? По-перше, використовується лише частина діапазону сонячного світла, у кращому разі від 400 до 720 нм. По-друге, хлоропласти не здатні вловити все світло, що падає, навіть у цьому діапазоні. Частина енергії йде на так звану деградацію короткохвильових фотонів при перенесенні до рівня 700 нм. Величезні втрати енергії відбуваються в процесі біохімічної конверсії до глюкози (АТФ-НАДФ-D-глю­коза). Нарешті, операційні витрати, тобто фотореспірація та дихання. В результаті ефективність фотосинтезу вищих рослин переважно лежить нижче рівня 1 %, за дуже рідкісними винятками (цукрова тростина).

Порівняння ефективності штучного та біологічного фотосинтезу. Втрати при перетворенні енергії сонячного світла (100 % сонячної енергії) в їжу показані стрілками; ширина кожної стрілки пропорційна втраченій енергії. Також указано відсоток від загальної енергії, втраченої на кожному етапі

Саме цей факт диктує необхідність використання для сільськогосподарського вироб­ництва величезних площ землі. Селекція та генна інженерія мають дуже обмежений ресурс для оптимізації ефективності природного фотосинтезу, хоча перспективи й тут є – наприклад, можна оптимізувати роботу ензиму, що відповідає за фотореспірацію.

Втім, справжнього прориву можна досягти, відмовившись від звичного ланцюжка реакцій. По суті, єдина задача фотосинтезу – це накопичення енергії світла у формі відповідних хімічних сполук, придатних для метаболізму живих організмів. Проте отримати такі сполуки можна й іншим шляхом – наприклад, на першому етапі за допомогою електролізу води та вуглекислого газу, маючи як продукт метанол. Однак метанол як джерело вуглецю й енергії для більшості організмів не дуже оптимальна сполука, бо в процесі її ферментації продукується та накопичується доволі токсичний формальдегід. Дослідники з Каліфорнії запропонували натомість отримувати електрохімічним шляхом ацетати (солі та естери оцтової кислоти), що легше метаболізуються широким спектром організмів.

Для виробництва ацетатів за допомогою електролізу вуглекислого газу довелося застосувати систему з двох ступенів, із різними каталізаторами. Це допомогло максимізувати конверсію вуглецю в потрібну сполуку. Вченим удалося досягти рівня конверсії у 25 %, але вони зазначають, що існують технологічні рішення, які б могли підняти рівень і до 50 %. Продуктом системи на цьому етапі був водний розчин ацетатів та інших побічних сполук електролізу.

Одним із модельних організмів вибрали фотосинтетичну водорість Chlamydomonas (C. reinhardtii), яка може гетеротрофно рости на ацетатах у темряві – щоб визначити: чи може розчин, вироблений електролізними установками, підтримувати ріст.

Хламідомонада сама інколи слугує харчовою добавкою, адже здатна виробляти велику кількість крохмалю, білка та жирів. Ця водорість, вирощена гетеротрофно, може продукувати понад 1 г крохмалю, 1 г білка і 0,7 г ліпідів на літр розчину-субстрату на добу. На ацетатах, отриманих з електролізу, хламідомонада показала продуктивність 0,28 г біомаси на 1 г ацетатів, тобто утилізувала понад 99 % ацетатів із субстрату. Для росту не були потрібні інші продукти фотосинтезу (наприк­лад, вуглеводи). Отже, вирощування організму з використанням вуглецю, зафіксованого в проміжну сполуку за допомогою електролізу, було повністю відокремлене від звичного біологічного фотосинтезу.

Харчові дріжджі Saccharomyces cerevisiae найчастіше вирощують, використовуючи джерелом вуглецю й енергії глюкозу, отриману в результаті фотосинтезу (тобто з крохмалю). Проте ацетатний розчин також підтримував ріст цих дріжджів – на рівні 0,19 г дріжджової біомаси на 1 г ацетату.

Вчені пробували вирощувати на розчині ацетатів, отриманому в результаті експерименту, й промислові гриби. Втім, виявилося, що деякі побічні продукти технології пригнічували ріст міцелію, зокрема через уміст пропіонату, який у промисловості використовується як протигрибковий харчовий консервант.

Однак найцікавіший аспект роботи полягав у дослідженні потенціалу ацетатів як джерела вуглецю й енергії для сільськогосподарських культур. Включення ацетатів у біомасу рослин перевірялося за допомогою ацетату, міченого двома атомами ізотопу вуглецю-13, – щоб оцінити, чи може екзогенний ацетат метаболізуватися рослинами.

В одному з дослідів вирощували не сформовану рослину, а недиференційовану тканину, калюс салату. Це було зроблено для того, щоб уникнути використання вуглецю й енергії, накопичених у насінні. Тканину вирощували в темряві на отриманому з установки розчині ацетату, з додаванням маркованих вуглецем-13 молекул. Останні показали, що тканини салату чудово метаболізують ацетати як джерело вуглецю та енергії. Ацетати перетворюються на біологічно активний ацетил і вступають у цикл трикарбонових кислот для виробництва енергії клітини. Атоми С-13 були помічені й у складі амінокислот. Це вказує на те, що вуглець з ацетатів може бути використаний для побудови білків. Продукти глюконеогенезу також виявилися міченими. Тобто вуглець з ацетатів може бути використаний і для біосинтезу вуглеводів.

Учені роблять висновок, що включення маркеру вуглецю-13 у кінцеві амінокислоти й цукри є переконливим доказом того, що екзогенний ацетат може бути легко включений в об’ємну біомасу тканин рослини, вирощеної в темних умовах, і відповідно може слугувати джерелом вуглецю й енергії для інших культур.

Щоб перевірити поглинання й утилізацію ацетатів уже цілими рослинами, рослини салату вирощували на агарі за наявності світла з додаванням у субстрат маркованого ацетату. У вегетативній тканині листків спостерігали амінокислоти, цукри та проміжні продукти гліколізу й глюконеогенезу з вуглецем-13. Це означає, що вуглець з ацетату, засвоєного корінням, може розподілятися по всій рослині. Аналогічні результати показали рис, зелений горошок, перець, ріпак, томати, тютюн та ін.

Тут варто зауважити, що при спробі вирощувати салат з насіння на ацетаті спочатку спостерігалися нормальні па­ростки, але надалі ріст рослин помітно пригнічувався, якщо використовувалися концентрації ацетату, що могли б помітно збільшити біомасу рослин. Лише деякі органи, зокрема коріння, демонстрували посилений ріст.

Отже, хоча ацетат, отриманий за допомогою сонячних панелей, і може бути використаний як гетеротрофне джерело вуглецю для сільськогосподарських культур, поки що практичне використання цього методу впирається в певну токсичність цієї сполуки та недостатню толерантність рослин до неї.

Втім, продемонстрована система ідеологічно вельми цікава. Адже вчені показали, що можна вироб­ляти їжу з вуглекислого газу й електроенергії, незалежно від біологічного фотосинтезу. В цій системі перетворення сонячного світла і вуглекислого газу в їжу (у варіанті ланцюжка світло – електроенергія – елект­роліз – ацетат – дріжджі) майже у 18 разів ефективніше, ніж у звичайному виробництві харчових продуктів, яке ґрунтується на біологічному фотосинтезі (зокрема фотосинтез глюкози – дріжджі).

Навіть у випадку водоростей, що надзвичайно ефективні в природі, цей штучний процес (фотоелектрика – електроліз – ацетат – водорості) майже в чотири рази ефективніше перетворює сонячну енергію в біомасу, ніж біологічний фотосинтез культурних рослин, й еквівалентний або вищий за миттєву енергоефективність виробництва водоростей на відкритих субстратах.

І, звісно, існує потенціал для вдос­коналення надалі системи через дальші досягнення у фотоелектриці, електролізі й утилізації ацетатів в організмах.

Перші гіпотетичні та очевидні перспективи методу лежать у галузі теплиць зі штучним освітленням, зокрема вертикальних ферм. Навіщо перетворювати електроенергію у світло, щоб потім неефективно його використовувати? Якщо рослина зможе споживати енергетичні молекули, отримані шляхом електролізу, продуктивність системи значно підвищиться, а такі ферми стануть темними. Методу ще далеко до промислового використання, але подібні вже непоодинокі роботи показують дуже цікавий напрям оптимізації енергетичного балансу вироб­ництва харчових продуктів.