Produksi Sumber Makanan dengan Fotosintesis Buatan

Fotosintesis buatan bisa membantu membuat produksi sumber makanan tanpa sinar matahari. Dengan asetat dan sumber energi listrik kecil, dapat mengkonversi karbon dioksida menjadi sumber makanan seperti kacang tunggak, tomat, tembakau, beras, kanola, dan kacang hijau 18 kali lebih efisien.

Selama jutaan tahun, fotosintesis telah berevolusi pada tanaman untuk mengubah air, karbon dioksida, dan energi dari sinar matahari menjadi biomassa tanaman dan makanan. Namun, proses ini sangat tidak efisien, dengan hanya sekitar 1 persen dari energi yang ditemukan di sinar matahari yang dapat ditangkap tanaman.
Saat ini para peneliti di University of California (UC), Riverside dan University of Delaware telah menemukan cara untuk tidak menggunakan matahari sebagai untuk proses fotosintesis sama sekali. Caranya dengan menciptakan makanan yang tidak bergantung pada sinar matahari dengan menggunakan fotosintesis buatan.
Penelitian baru, yang diterbitkan pada 23 Juni 2022 dalam jurnal Nature Food, menggunakan proses elektrokatalitik dua langkah untuk mengubah karbon dioksida, listrik, dan air, menjadi asetat, bentuk komponen utama cuka. Organisme penghasil makanan kemudian mengkonsumsi asetat dalam gelap untuk tumbuh.
Dikombinasikan dengan panel surya sebagai penghasil listrik untuk menyalakan elektrokatalis, sistem organik-anorganik hibrida ini dapat meningkatkan efisiensi konversi sinar matahari menjadi makanan, hingga 18 kali lebih efisien untuk beberapa makanan.
"Dengan pendekatan ini, kami berusaha mengidentifikasi cara baru untuk memproduksi makanan yang dapat menembus batas yang biasanya ditentukan oleh fotosintesis biologis," kata penulis korespondensi, asisten profesor di Fakultas Teknik Kimia dan Lingkungan UC Riverside, Robert Jinkerson, seperti dikutip Scitech Daily.
Untuk mengintegrasikan semua komponen sistem bersama-sama, keluaran (output) elektroliser dioptimalkan untuk mendukung pertumbuhan organisme penghasil makanan. Elektroliser adalah perangkat yang menggunakan listrik untuk mengubah bahan mentah seperti karbon dioksida menjadi molekul dan produk yang berguna.
Sementara itu jumlah asetat yang dihasilkan meningkat sementara jumlah garam yang digunakan berkurang, menghasilkan tingkat asetat tertinggi yang pernah diproduksi dalam elektroliser hingga saat ini.
"Menggunakan pengaturan elektrolisis CO2 tandem dua langkah canggih yang dikembangkan di laboratorium kami, kami dapat mencapai selektivitas tinggi terhadap asetat yang tidak dapat diakses melalui rute elektrolisis CO2 konvensional," kata penulis koresponden Feng Jiao di Universitas dari Delaware.
Eksperimen menunjukkan bahwa berbagai organisme penghasil makanan dapat tumbuh dalam gelap secara langsung pada keluaran elektroliser yang kaya asetat, termasuk ganggang hijau, ragi, dan miselium bagian dari jamur yang menghasilkan jamur. Memproduksi alga dengan teknologi ini kira-kira empat kali lipat lebih hemat energi daripada menumbuhkannya secara fotosintesis. Sementara produksi ragi sekitar 18 kali lipat lebih hemat energi daripada cara yang biasanya dibudidayakan menggunakan gula yang diekstraksi dari jagung.
"Kami mampu menumbuhkan organisme penghasil makanan tanpa kontribusi apa pun dari fotosintesis biologis," ujar kandidat doktor di Jinkerson Lab dan salah satu penulis utama studi tersebut, Elizabeth Hann.

Buka Pintu Kemungkinan
Menurut Hann biasanya, organisme ini dibudidayakan pada gula yang berasal dari tanaman atau input yang berasal dari minyak bumi yang merupakan produk fotosintesis biologis yang berlangsung jutaan tahun yang lalu. Teknologi ini adalah metode yang lebih efisien untuk mengubah energi matahari menjadi makanan, dibandingkan dengan produksi makanan yang mengandalkan fotosintesis biologis.
Potensi penggunaan teknologi ini untuk menumbuhkan tanaman pangan juga diselidiki. Beberapa yang dapat potensial adalah kacang tunggak, tomat, tembakau, beras, kanola, dan kacang hijau semuanya mampu memanfaatkan karbon dari asetat ketika dibudidayakan dalam gelap.
"Kami menemukan bahwa berbagai tanaman dapat mengambil asetat yang kami sediakan dan membangunnya menjadi blok bangunan molekuler utama yang dibutuhkan organisme untuk tumbuh dan berkembang," ungkap kandidat doktor di Lab Jinkerson dan penulis pendamping pembelajaran, Marcus Harland-Dunaway.
Ia menambahkan, dengan beberapa pemuliaan dan rekayasa yang sedang dikerjakan, tim peneliti mungkin dapat menanam tanaman dengan asetat sebagai sumber energi tambahan untuk meningkatkan hasil panen.
Dengan membebaskan pertanian dari ketergantungan penuh pada matahari, fotosintesis buatan membuka pintu bagi kemungkinan tak terhitung. Salah satunya adalah menanam makanan di bawah kondisi yang semakin sulit karena perubahan iklim antropogenik.
Kekeringan, banjir, dan berkurangnya ketersediaan lahan akan menjadi ancaman bagi ketahanan pangan global. Apalagi jika tanaman untuk manusia dan hewan tumbuh harus dibudidayakan di lingkungan yang kurang intensif sumber daya.
Melalui fotosintesis buatan itu tanaman juga bisa ditanam di kota dan daerah lain yang saat ini tidak cocok untuk pertanian. Di masa depan bahkan cara tersebut dapat dipakai untuk menyediakan makanan untuk penjelajah ruang angkasa di masa depan.
"Menggunakan pendekatan fotosintesis buatan untuk menghasilkan makanan bisa menjadi perubahan paradigma tentang cara mendapatkan makanan. Dengan meningkatkan efisiensi produksi pangan, lebih sedikit lahan yang dibutuhkan, mengurangi dampak pertanian terhadap lingkungan," kata Jinkerson. hay/I-1

Hasilkan Energi Bersih

Para ilmuwan dari Universitas Cambridge mengklaim telah membangun perangkat mandiri yang dapat meniru fotosintesis dan mengubah sinar matahari, karbon dioksida, dan air menjadi bahan bakar cair. Studi yang dipublikasikan di Nature Energy, menguraikan metode baru yang memungkinkan produksi bahan bakar bersih dari input paling dasar, semuanya tanpa kabel.
Tidak memerlukan input listrik, para peneliti percaya metode pembangkit energi netral karbon ini dapat ditingkatkan untuk menghasilkan bahan bakar dalam jumlah besar secara berkelanjutan. Selain itu pula untuk menghasilkan ladang tenaga surya besar-besaran yang terdiri dari sel-sel yang melakukan fotosintesis buatan.
Dengan memanfaatkan teknologi "photosheet", yaitu lembaran yang berisi fotokatalis, alat ini mampu memanfaatkan sinar matahari untuk mengubah CO2 dan air menjadi oksigen dan asam format. Asam format dapat disimpan sebagai cairan, atau diubah secara relatif sederhana menjadi hidrogen, yang memiliki berbagai aplikasi mulai dari proses industri hingga perjalanan ruang angkasa.
Upaya sebelumnya untuk membuat perangkat fotosintesis buatan telah menderita karena menghasilkan sejumlah besar produk limbah dan oleh karena itu terlalu tidak efisien untuk digunakan dalam skala besar. Tetapi tim percaya perangkat terobosan ini adalah yang paling memberi harapan.
"Sulit untuk mencapai fotosintesis buatan dengan selektivitas tingkat tinggi, sehingga Anda mengubah sinar matahari sebanyak mungkin menjadi bahan bakar yang Anda inginkan, daripada dibiarkan dengan banyak limbah," kata penulis pertama Dr Qian Wang, Marie Curie Fellow dan peneliti postdoctoral di Reisner Lab, seperti dikutip IFL Science.
"Selain itu, penyimpanan bahan bakar gas dan pemisahan produk sampingan dapat menjadi rumit kami ingin mencapai titik di mana kami dapat memproduksi bahan bakar cair secara bersih yang juga dapat dengan mudah disimpan dan diangkut," kata penulis senior sekaligus peneliti makalah tersebut, Profesor Erwin Reisner.
Teknologi ini menghasilkan bahan bakar bersih yang dapat disimpan dengan aman dan mudah, sambil mempertahankan kemampuan untuk ditingkatkan ke ukuran yang dibutuhkan untuk kebutuhan industri. Sementara perangkat saat ini hanya berukuran 20 sentimeter persegi, tim percaya sel yang lebih besar akan mudah dibuat.
Reisner dan rekan dari Cambridge menghasilkan teknologi serupa pada 2019, di mana "daun buatan" akan mengubah bahan yang sama dari CO2, air, dan sinar matahari menjadi bahan bakar. Bahan bakar yang dihasilkan berupa gas sintetis yang disebut syngas, namun sayangnya bahan bakar ini jauh lebih sulit untuk disimpan. hay/I-1