Üherakuline metaani valk – kas maailm on selleks toidusüsteemide uuenduseks valmis?

Pidades silmas ÜRO toidusüsteemide tippkohtumine Täna peetaval üritusel, mille eesmärk on realiseerida tervislikumad, jätkusuutlikumad ja õiglasemad toidusüsteemid, on nüüd vaja kiiresti välja töötada uuenduslikud toidutootmise tehnikad, kui inimkond kavatseb saavutada vastupidavamaid toidusüsteeme. Rääkisime Singapuri Keskkonnateaduste Insenerikeskuse juhtivteaduri dr Jamie Hinksiga (SCELSE), tema praeguste uuringute kohta kõrgsurve bioloogiliste süsteemide abil, et toota metaanist kvaliteetset üherakulist valku.

Dr Hinks, kuidas seletaksite mittespetsialistile oma uurimust metaanist valmistatud toidu kohta?

Parim viis selle tehnoloogia mõistmiseks on vaadelda toitu ja kütust mõnevõrra asendatavatena. Kütus on materjal, mis sisaldab energiat, mida saab kasutada kasuliku töö tegemiseks, olgu see siis masinas või organismis. Kütus, mida inimesed tarbivad ja mida me nimetame toiduks, on bioloogilist päritolu ja koosneb lihtsustatult kas taimsest või loomsest biomassist. See biomass koguneb organismide toitumise ja kasvu ajal. Mõned neist on väga maitsvad, näiteks seened.

Mikroobide seisukohalt on kõik, mis sisaldab energiat, potentsiaalne toiduallikas. Üherakulised organismid tarbivad mitmesuguseid energiaallikaid, sealhulgas selliseid, mis ei ole bioloogilist päritolu ja mis võivad tunduda inimestele ebatavalised. Näiteks võivad mikroobid süüa metalle ja kemikaale, näiteks lahusteid. Metaanist valmistatud toidu puhul kasutatakse metaani bakterite toitmiseks. Metaani saab toota bioloogiliselt või geoloogiliste protsesside abil. Seega on mõned bakterid spetsialiseerunud metaani tarbimisele ja nende kasvades muutub nende biomass heaks söödava valgu allikaks. Neid baktereid nimetatakse metanotroofideks, mis tähendab "metaani sööjaid".

Spetsiifilist teaduslikku protsessi nimetatakse metaani oksüdatsiooniks metanotroofsete bakterite poolt. Metanotroofia esineb looduslikult keskkondades, kus esineb metaani, näiteks riisipõldadel või süsivesinike imbumisel. Metanotroofide kasvatamine metaaniga rikastatud tingimustes bioreaktoris võimaldab protsessi kasutada valkude tootmiseks. Metaan võib olla reoveepuhastuse või naftatootmise kõrvalsaadus. Protsess, mida ma praegu uurin ja mida ma arendan, rakendab kõrget survet, et suurendada metaani lahustuvust ja seega muuta väiksema jalajäljega metanotroofide kasvatamine lihtsamaks ja tõhusamaks.

Miks on seda protsessi tänapäeval eriti oluline uurida? Kas saaksite teie puhul anda ülevaate, miks see on selliste riikide jaoks nagu Singapur huvitav?

Säästlik toidutootmine on tänapäeval väga oluline teema ja me peame kaaluma kõiki võimalusi, et rahuldada kasvavat nõudlust toidu järele, mis peaks 60. aastaks suurenema 2050%. Singapuri valitsus on võtnud kohustuse rahuldada 30% oma toitumisvajadustest. aastaks 2030 oma "30 poolt 30” toiduga kindlustatuse eesmärk. Singapuril puuduvad traditsioonilise põllumajanduse jaoks olulised maaressursid, seega peavad Singapuri tulevasel toiduga kindlustatuse maastikul olema kõrge tihedusega valgu tootmisprotsessid. Kuigi Singapuri valitsus teatas sellest otsusest enne COVID-19, on pandeemia tugevdanud peavoolu toiduga kindlustatuse ideed.

Singapuris oli väga vähe puudusi – ainus puudus, mida ma märkasin, oli lühikest aega konserveeritud tomatite puudus ja minu trummivõimendit pole veel tarnitud! Need on vaid väikesed ebamugavused. Toidupuuduse tont ei sobinud aga keskmisele Singapurile hästi, seega on toiduvarude kindlustamine tulevikus arukas samm.

Kuidas on see valguallikas võrreldes traditsioonilise loomasöödaga? Ja kas te võiksite meile öelda, kuidas seda protsessi saaks kasutada osana uuenduslikust lahendusest inimeste toidutarbimiseks?

See on hästi võrreldav traditsioonilise loomasöödaga. Kavatsen välja töötada ainulaadse ja täiustatud protsessi, mis on kohandatud Singapuri vajadustele. Nüüd kavatsen ma algselt selle protsessi loomasööda jaoks välja töötada. Teate, enne kui inimesed hakkavad sööma bakteriaalset valku, tuleb ületada veel suur sotsiaalne barjäär ja mõned tehnilised probleemid, mida tuleb lahendada, näiteks nukleiinhapete tase. Niisiis, üks samm korraga. Vahepeal on palju lahedat teadust teha. Usun, et kõrgsurve ainevahetuses on mõned eriaspektid, mis toovad ainulaadset kasu lõpptootele, millel on tervislikud ja prebiootilised omadused. Ma hoian neid praegu oma rinna lähedal.

ISC-IIASA Elastsed toidusüsteemid Aruandes leitakse, et "kasvava ja jõukama elanikkonna toitmine nõuab põllukultuuride ja kariloomade tootlikkuse ja mitmekesisuse suurendamist" ning et "uute ja alternatiivsete toiduallikate avamisele keskenduvat innovatsiooni tuleb säilitada ja kiirendada", mis oleks kooskõlas uutega. tehnikaid, nagu toit metaanist.

Kuid kas me võime eeldada, et see metaaniprotsessist saadav toit suurendaks tõesti toidusüsteemide vastupidavust, arvestades, et see võib tugevdada ka meie sõltuvust maagaasist? Samuti võib selle protsessi laiendamine oluliselt vähendada nõudlust kariloomadele toidu kasvatamiseks vajaliku maa järele, kuid kas see ei suurendaks oluliselt ka süsinikdioksiidi heitkoguseid?

Suurepärased küsimused. Teie esimesele, nagu mainisin, soovitan esialgu kasutada taastuvatest ressurssidest pärit metaani, kusjuures metaan on biogeenset päritolu ja seda toodavad metanogeensed üherakulised organismid nimega Archaea. Ja isegi siin, kus sellel pole paremat kasutust nagu soojuse või elektri tootmine. Kuigi mittebiogeensed metaanijäätmete vood on ühilduvad, ei näe ma seda tüüpi toiduainete tootmist naftakeemia tootmise või kasutamise tõukejõuna.

Teie teisele küsimusele on valitsustevahelise kliimamuutuste paneeli (IPCC) andmetel metaani kiirgussundivõime kuni 86 korda suurem kui süsinikdioksiidil. Seega on metaani muutmine süsinikdioksiidiks meie kliima jaoks parem väljavaade. Teen ettepaneku kasutada jäätmevooge, mis on meie ressursside mõistlik kasutamine ja biogeense päritoluga metaan on taastuv ressurss.

ÜRO toidusüsteemide tippkohtumise eesmärk on tervislikumad, jätkusuutlikumad ja õiglasemad toidusüsteemid, nii et me usume, et selle meetodi plussid kaaluvad üles miinused ja seetõttu võiks see teiste uuenduslike tehnikate hulgas aidata kaasa säästva arengu saavutamisele. Eesmärgid?

Absoluutselt, see pole aju. Gaasilised jäätmevood on suurepärane viis valgu valmistamiseks, kuna neid on lihtne kontrollida, need on suhteliselt homogeensed ja kergesti steriliseeritavad. Rääkimata sellest, et need protsessid on väga suure tihedusega. Näiteks tootmistihedused, mida saate metanogeense muundamisega luua, on 4 kg m³h^-1. See on 4 kilogrammi biomassi ühes kuupmeetris igas tunnis! Selle perspektiivi silmas pidades võib öelda, et IBC mahutid (puistlasti vahekonteinerid), mida olete näinud tööstusobjektide ääres lebamas, on umbes ühe kuupmeetri suurused. See võrdub ühe lehma või poole tonni biomassiga ligikaudu viie päevaga! Veiste kasvatamiseks kulub umbes 18 kuud ja selleks on vaja umbes aakrit maad. Need on vaid numbrid, mis muudavad uuringu tasuvaks. Kuid kui lisada sellele hulgaliselt keskkonnakasu koos asjaoluga, et tegemist on eetilise valguallikaga, on see minu arvates väga mõjuv tehnoloogia.

Mida soovite teadlasena poliitikakujundajatel mõista, et muuta meie toidusüsteemid vastupidavamaks?

Soovin, et poliitikakujundajad mõistaksid, et peame kiiresti tegutsema, et võimaldada üleminekut vastupidavamatele toidusüsteemidele. Paremate toidutootmissüsteemide saavutamiseks peame ületama paljud kultuurilised tõkked. Poliitika peab olema paindlik ja toetav ning eesrindlike teadusuuringute jaoks tuleb teha kättesaadavaks prioriteetsed rahalised vahendid, eelistatavalt viisil, mis toetab noorem- ja keskastmeteadlasi tõhusamalt.

Dr Jamie Hinks
Dr Jamie Hinks on Singapuri keskkonna- ja bioteaduste tehnikakeskuse juhtivteadur (SCELSE), mida rahastab Singapuri valitsus (Riiklik Uurimisfond, Haridusministeerium, Nanyangi Tehnoloogiaülikool ja Singapuri Riiklik Ülikool). Varem töötas ta SCELSE-s vanemteadurina. Enne seda oli dr Hinks Singapuri Nanyangi tehnikaülikooli teadur.

@jamiehinks5