Wetenschappers willen de fotosynthese van planten omzeilen. Wordt deze ‘elektro-agricultuur’ de toekomst van onze voedselproductie?

Planten gebruiken zonlicht om bruikbare energie te maken. Zonder deze fotosynthese kunnen zij niet leven en hebben wij geen landbouw. Maar deze manier van energieproductie is eigenlijk heel inefficiënt, want slechts zo’n 1 procent van de lichtenergie zetten de planten daadwerkelijk om.

Is er een manier om fotosynthese te vervangen door iets beters? Jazeker, zo denken onderzoekers van onder meer de University of California, Riverside. Zij komen met het radicale idee van ‘elektro-agricultuur’ en beschrijven die in een perspective-artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Joule.

Lees ook:

• Nobelprijswinnaars: ‘Versoepel regels voor genetische modificatie’
• Mieren begonnen kort na dood dino’s schimmel te verbouwen

Volgende fase gewasverbouwing

Bij elektro-agricultuur is het de bedoeling dat de gewassen niet in een open veld, maar in een gebouw groeien met meerdere verdiepingen. Zonnepanelen op het dak vergaren zonne-energie, die wordt gebruikt om een chemische reactie aan te drijven. Bij deze reactie worden koolstofdioxide en water omgezet tot acetaat, een molecuul dat lijkt op azijnzuur, een belangrijk bestanddeel van azijn.

Dat acetaat wordt vervolgens als energiebron gevoerd aan de planten, die in een hydrocultuur (dat wil zeggen: met de wortels in alleen water) groeien. De methode zou volgens biotechnoloog en onderzoeksleider Robert Jinkerson ook geschikt zijn voor andere voedselproducerende organismen, zoals paddenstoelen, gist en algen.

“Als we geen zonlicht meer nodig hebben voor de verbouwing van onze gewassen, ontkoppelen we de agricultuur van de omgeving en kunnen we het volledig zelf onder controle houden”, vertelt hij in een persbericht. “Ik denk dat dit de volgende fase van gewasverbouwing is.”

Stofwisselingsroute aanzetten

Om ervoor te zorgen dat de gewassen het acetaat daadwerkelijk als energie- en koolstofbron gebruiken, moeten ze eerst genetisch worden aangepast. De onderzoekers maken daarbij gebruik van een stofwisselingsroute die de planten al bezitten, tenminste wanneer ze jong zijn.

Bij het ontkiemen gebruiken de plantjes de route om het voedsel in het zaadje af te breken. Later, wanneer er bladeren ontstaan en het tijd is voor fotosynthese, wordt deze acetaatverwerking uitgeschakeld. Jinkerson en collega’s zetten de route opnieuw aan in volwassen planten.

Minder landgebruik

Zelf hebben Jinkerson en zijn team de methode al op kleine schaal uitgeprobeerd bij tomaten en ijsbergsla (hier publiceerden ze twee jaar geleden al over). Hieruit bleek dat elektro-agricultuur een efficiëntie van 4 procent haalt, viermaal beter dan fotosynthese dus. Kortom, er is dus meer voedsel te halen uit minder gewassen.

Dat is fijn voor de voedselzekerheid van de wereld. Maar ook voor de natuur. Zo laten de berekeningen van het onderzoeksteam zien dat als de VS volledig zouden overschakelen op deze nieuwe manier van gewasverbouwing, het landgebruik met maar liefst 94 procent wordt teruggedrongen.

Calorierijkere gewassen

Binnenkort willen de onderzoekers ook andere planten via elektro-agricultuur gaan verbouwen. Ze denken daarbij aan calorierijkere gewassen, zoals cassave, zoete aardappel en graan. Ze hopen verder de efficiëntie van het omzetten van zonne-energie naar voedsel voor de plant verder te kunnen opkrikken.

De planten gebruiken op dit moment trouwens nog wel fotosynthese, naast de acetaatroute, om te kunnen groeien. Maar uiteindelijk hopen Jinkerson en collega’s volledig fotosynthese-vrije gewassen te kunnen verbouwen, waardoor er helemaal geen (kunstmatig) licht meer nodig is. Zo zou het geheel duurzamer worden.

‘Nog niet duurzaam genoeg‘

“Planten laten groeien op acetaat om daarmee fotosynthese te omzeilen is beslist een bijzondere gedachte”, zo geeft Ronald Pierik, plantenbioloog en expert op het gebied van fotosynthese aan de Universiteit Wageningen, aan. “Als het werkelijk zo is dat zonlicht zodanig efficiënt kan worden omgezet in uiteindelijk acetaat voor planten is dat sowieso interessant.”

Wel heeft hij wat kanttekeningen. “Het energieverbruik en de CO₂–footprint van de elektrolyse-apparatuur (waarmee de chemische reactie wordt gedaan, red.) en materialen, gebouwen et cetera moeten natuurlijk wel worden meegenomen in de berekeningen om tot een eerlijke vergelijking te komen. Ik denk dat zo’n elektro-agricultuur-systeem astronomische hoeveelheden elektriciteit nodig heeft en dat die voorlopig nog niet op duurzame wijze beschikbaar zijn.”

Innovaties zijn nodig

De onderzoekers lopen dus volgens Pierik op de ontwikkelingen vooruit. “Maar dat is natuurlijk ook precies de rol die wetenschappers hebben. Het is zinvol om alle opties uit te werken die in beginsel kunnen bijdragen om de grote mondiale problemen van voedselzekerheid, CO₂-uitstoot en landgebruik aan te pakken. Hoe futuristische ze soms ook lijken, uiteindelijk zal een breed scala aan innovaties nodig zijn om deze problemen het hoofd te bieden.”

Bronnen: Joule, Cell Press via EurekAlert!

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!