Исследователи используют биопроизводство для создания пищи из воды
Ученые из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL) исследуют новый подход к производству пищи по требованию из нетрадиционных материалов. В рамках проекта «Сырье для производства продуктов питания» (FFP) APL изучает способы выращивания съедобной микробной биомассы, используя непригодную для питья воду.
Эта работа, имеющая потенциал для военных операций в удаленных или суровых условиях, использует возможности биопроизводства для преодоления ограничений традиционной логистики снабжения, одновременно предлагая масштабируемое решение для поддержания операций в условиях нехватки ресурсов.
«Подумайте, сколько времени нужно, чтобы вырастить зерно для производства пшеницы. Нужно время, чтобы посадить материал, дать ему вырасти, собрать урожай, обработать его и затем сделать что-то пригодное для потребления. Но что, если бы у нас был способ быстро производить пищу с использованием любой доступной воды? К такому типу технологий мы движемся», — говорит Коллин Тимм, главный исследователь проекта.
Критическим компонентом этой работы является «сырье» — исходный материал для производства более ценного продукта. «В случае с водой, грязная вода для мытья посуды и использованная ванная вода — примеры низкоценного сырья, но если мы сможем использовать их для производства аварийного рациона, это будет высокоценный продукт», — поясняет Тимм.
Поддержка программы DARPA
Это усилие поддерживает программу Cornucopia Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), целью которой является создание систем, превращающих простые ресурсы — воду, воздух и электричество — в пищу. В рамках программы исследователи изучают нюансы производства пищи по требованию, когда питьевая вода ограничена или недоступна.
«Мы говорим о морской воде, воде из прудов и любой другой воде, используемой в полевых условиях. Вся использованная, или "серая", вода, производимая военным объектом, может быть перенаправлена в процесс создания микробной пищи», — говорит Тимм.
Исследователи FFP одновременно изучают несколько типов воды, используя экспертизу и возможности APL. «Проведение исследований как с природными, так и с синтетическими образцами воды помогает решать проблемы масштабируемости, обеспечивая большую гибкость в развертывании технологии для различных вариантов сырья», — отмечает Кэти Карнил.
Использование любой доступной воды
Производство пищи в полевых условиях требует значительных ресурсов, включая большие объемы воды. В удаленных условиях критически важно максимально использовать каждый доступный ресурс для минимизации размера, веса и энергопотребления технологий. Поэтому исследователи APL изучают, как использовать альтернативные источники воды для производства пищи.
Команда собирает и анализирует образцы воды из различных источников, включая пруд на территории лаборатории, центральный водопровод, а также использует синтетические формулы, представляющие пресную, солоноватую и серую воду.
«Мы пытаемся охарактеризовать и понять различия в спектре источников воды. Невозможно точно знать, с чем столкнутся наши военнослужащие в полевых условиях, поэтому мы хотим убедиться, что понимаем, как действовать в таких уникальных ситуациях», — говорит эколог APL Ли Талбот.
Некоторые образцы воды более богаты питательными веществами, другие могут содержать более высокий уровень микробной активности. Каждый из этих факторов может повлиять на то, что можно вырастить с использованием разных типов воды.
«Мы хотим понять, смогут ли военнослужащие добавить в воду небольшой пакетик порошка, чтобы сделать ее пригодной для использования, вместо того чтобы привозить всю воду, необходимую для выращивания пищевого продукта на месте», — говорит Талбот.
Съедобные водоросли и микробы
Другая часть команды сосредоточена на производстве микробной пищи. Исследователи пытаются заставить различные виды водорослей расти в разных типах воды и условиях сточных вод.
«У этого подхода есть большие преимущества, потому что [серая вода] содержит уровни питательных веществ, которые любят потреблять микроорганизмы. В ней есть источники углерода, азота и фосфора — ключевых компонентов, которые водоросли могут использовать», — объясняет молекулярный биолог APL Джон Ситтманн.
Команда сосредоточена на трех типах водорослей:
- Chlorella vulgaris, которая хорошо растет в пресной воде.
- Phaeodactylum tricornutum, которая производит высокоценные жирные кислоты.
- Ulva lactuca, которую можно выращивать в морской воде и которую уже обычно употребляют в пищу.
Одна из главных целей этого усилия — производить микробный пищевой продукт, содержащий четыре ключевых макронутриента: белок, углеводы, жиры и клетчатку.
«В лаборатории у нас одновременно работает от 60 до 100 пробирок. Мы выращиваем разные штаммы бактерий и водорослей в разных типах воды, определяя изменения условий роста с целью увеличения объема или скорости роста», — говорит биолог APL Сенека Бесслинг.
«У нас много различных установок для культивирования, чтобы мы могли выращивать наши микробы в условиях, репрезентативных для полевых условий. Мы можем легко модулировать свет и возмущения, в то время как исследователи воды определяют макро- и микроэлементный состав в спектре источников воды», — добавляет Ситтманн.
Самодостаточность в полевых условиях
Для военнослужащих в полевых условиях эти возможности могут устранить необходимость транспортировки пищи на передовую, а также устранить потенциальную цель для противника, поскольку усилия по пополнению запасов часто уязвимы при транспортировке.
«Если произойдет сбой в цепочке поставок, эта возможность позволит нашим военнослужащим использовать имеющиеся в их распоряжении материалы, чтобы оставаться сытыми. Мы предполагаем, что эта система сможет начать производство пищи в течение 48 часов после установки. Возможно, это будет не пища ресторанного уровня, но она будет соответствовать правильному профилю макронутриентов — и это может иметь решающее значение», — заключает Тимм.