Het is minstens zo revolutionair als kweekvlees. Vruchten telen zonder fotosynthese. Een plant is dan niet nodig. In Wageningen onderzoekt Lucas van der Zee hoe tomaten kunnen groeien op een voedingsbodem. Zijn Amerikaanse collega’s onderzoeken ondertussen hoe zonnepanelen de fotosynthese kunnen overnemen. En dat kan leiden tot een besparing van wel 94 procent landbouwgrond.
Op het onderste schap van het keukenkastje groeien tomaten, op het schap daarboven liggen naast elkaar komkommers te groeien, van klein tot groot. Daarboven groeien appels, kersen en mandarijntjes. De buurman teelt in een donker schuurtje meloenen, ananassen, mango’s en cashewnoten voor het hele dorp.
Lucas van der Zee houdt er een futuristisch wereldbeeld op na van een landbouw zonder fotosynthese. Een productiemethode waarbij groenten, fruit en granen, kunnen groeien zonder licht. In een rode laboratoriumjas toont hij een schaaltje waar kleine tomaatjes op een voedingsbodem groeien. “Zonder fotosynthese hebben die tomaten geen plant nodig”, verklaart hij. “In elk geval niet voor de energiebehoefte. We zijn nog bezig te bewijzen dat ze helemaal geen plant nodig hebben, maar dat staat nog niet honderd procent vast.”
Van der Zee, promovendus aan Wageningen Universiteit houdt er een rooskleurig toekomstbeeld op na, voor wat de landbouw betreft. Want in theorie is het allemaal al mogelijk. Belangrijk bij deze technologie vindt hij vooral de openheid. “De kennis over deze methode moet voor iedereen toegankelijk zijn”, vindt hij.Zijn angstbeeld is een grote partij die de technologie patenteert en in enorme schuren de hele voedselvoorziening voor haar rekening neemt, zonder dat de consument weet wat daarbinnen gebeurt. “Die groenten hoef ik ook niet”, zegt hij beslist.
Maar zo ver is het nog niet. Alhoewel: de eerste, kapitaalintensieve producten als koffie en cacao, kunnen al over een paar jaar in de supermarkt liggen, verwacht hij.
Enorm oppervlakte aan blad
Maar hoe zit het nu met die technologie? In feite is het niet heel ingewikkeld, voor wie zich de biologieles van de middelbare school nog herinnert: met behulp van zonlicht maakt het bladgroen suiker, uit koolstofdioxide en water, met zuurstof als restproduct. Voor de scheikundigen: 6CO2+6H2O+lichtenergie → C6H12O6+6O2. Een wonderlijk fenomeen, maar volgens wetenschappers als Van der Zee enorm inefficiënt. “Een plant gebruikt maar één procent van het zonlicht. In een kas ligt dat iets hoger, maar het blijft zéér inefficiënt.”
En die ene procent is uiteindelijk bestemd voor de bloem en de vrucht. Daarin ligt immers het voortbestaan van de soort besloten. Voor dat proces heeft de plant echter wel een enorm oppervlakte aan blad nodig. En stengels om al dat blad te dragen en naar het licht uit te spreiden. Plus een compleet wortelstelsel om de voeding uit de bodem te halen. “En daarom hebben we dus zo veel land nodig voor onze voedselproductie.”
Planetaire grenzen
Omdat de vruchten geen plant nodig hebben, besparen ze veel voedingsstoffen en water, maar vooral veel ruimte. Ook omdat de vruchten in het donker kunnen groeien. En uiteindelijk is dit allemaal duurzaamheidswinst. “De meeste duurzaamheidswinst is te halen in de landbouw”, zegt Van der Zee stellig.
Om dit te onderbouwen pakt hij op zijn laptop het cirkeldiagram erbij met de planetary boundaries. Deze planetaire grenzen zijn een wetenschappelijke omschrijving van de veilige handelingsruimte waarbinnen de mens moet blijven om geen onomkeerbare schade aan de planeet toe te brengen.
Zes van de negen limieten zijn al overschreden. Te weten: de belasting met de nutriënten stikstof en fosfaat, onttrekking van landgebruik aan de natuur, zoet water, klimaatverandering, biodiversiteit en ‘nieuwe entiteiten’. Dat zijn stoffen die uitsluitend door de mens in de natuur zijn terechtgekomen, waaronder PFAS, plastics, maar ook chemische middelen.
De zes overschrijdingen zijn precies de factoren waar de grondgebonden landbouw hoog op scoort. En wie dieper inzoomt ziet dat vooral de inefficiënte fotosynthese de boosdoener is. In een gecontroleerde ruimte, zoals bij landbouw zonder fotosynthese, zijn pesticiden niet nodig. Meststoffen wel, maar slechts weinig. En wat de plant niet opneemt, wordt gerecycled. “In de traditionele landbouw spoelt, als je het goed doet, vijftig procent uit.” Voor zoet water geldt hetzelfde: wat niet wordt opgenomen door het uiteindelijke product, gaat terug het systeem in. En voor landbouwgrond geldt een enorme besparing, die volgens Amerikaanse onderzoekers kan oplopen tot 94%.
Groeihormonen
In Wageningen bestudeert Van der Zee daarom hoe vruchten kunnen worden geproduceerd op suiker, in plaats van licht. Met een blik op de tomaatjes erkent hij dat zijn opstelling nu nog in een belichte, gecontroleerde ruimte plaatsvindt. “Ze groeien nog steeds niet zo hard als aan de plant. Ik weet nog niet hoe dat komt.” Voorlopig krijgen daarom ze nog licht, maar in feite hebben de vruchten dat niet nodig. “Ja, ze worden zelfs rood als ze rijp zijn.”
Ook is hij nog niet begonnen met weefsel, zoals uiteindelijk de bedoeling is. Hij heeft de minitomaatjes van de planten in het lab geplukt tien dagen na de bestuiving. Dit gebeurt in het lab niet met insecten, maar met een tandenborstel. Omdat deze tomaatjes dus ouderwets aan een plant hebben gegroeid, zijn de tomaatjes groen wanneer deze technologie praktijkrijp is, blijven ze wit tot ze rijp en rood zijn. Het doel is namelijk dat de vrucht wordt opgetrokken uit stamcellen, aanwezig in eender welk weefsel van de plant. Met de juiste groeihormonen en met straling wordt vervolgens gestuurd dat het uitgroeit tot de vrucht van de plant. En niet bijvoorbeeld een blad of wortel.
Op dezelfde manier kunnen vrijwel alle landbouwgewassen groeien. Granen, noten en fruit, het zijn allemaal vruchten. Bladgewassen als sla en spinazie zijn wat moeilijker. “Maar op termijn moet dat ook kunnen”, meent Van der Zee. Al hebben ze voor een groene kleur wel licht nodig. Aardappelen en uien zijn iets voor later. “Dat vergt een heel andere methode.”
In het lab van Wageningen UR groeien de vruchtjes op een voedingsbodem van stikstof, fosfaat, kalium en andere micronutriënten die cruciaal zijn voor processen zoals eiwitsynthese, celstructuur en enzymatische functies. En natuurlijk suiker. Glucose, of sucrose. “Ik gebruik rietsuiker”, verklapt de promovendus. “Dat is de energie en de bouwstof.”
Op de maan
In zijn opstelling wordt fotosynthese dus uitbesteedt aan het suikerriet. De suiker kan net zo goed uit suikerbieten komen of andere natuurlijke suikerbronnen. Maar fotosynthese blijft dus noodzakelijk. Om echt winst te maken, kan ook die sucrose achterwege worden gelaten. Dan spreken we over elektrolandbouw. Het blad wordt dan geheel vervangen door zonnepanelen.
“Met elektrolyse maak je dan acetaat uit water en koolstof, in plaats van glucose.” Acetaat is een soort azijnzuur. “Het is wel een natuurlijke koolhydraatverbinding.” Zijn collega’s in Amerika doen hier onderzoek naar. “Zij kijken op welke manieren een plant acetaat wil gebruiken voor energieopslag.” Tot op heden is het nog niet gelukt, weet Van der Zee die regelmatig met zijn Amerikaanse collega’s overlegt. Maar hij gelooft er zeker in. “Er zijn hypotheses met bewijzen uit de literatuur dat het kan.” En dan kan ook op de maan voedsel worden verbouwd.
Biologisch
Elektrolandbouw is vier keer zo efficiënt. “Met een groot deel van het lichtspectrum kan een plant niets”, legt Van der Zee uit. “Zonnepanelen hebben een veel grotere range.” Volgens de Amerikaanse onderzoekers zou deze techniek 94 procent aan landbouwgrond besparen.
Van der Zee denkt dat dit cijfer maximaal is, maar het is niet onrealistisch. “De techniek moet dan op alle punten honderd procent scoren. En ze zullen misschien gerekend hebben met mogelijke stressreacties, die ook energie kosten.” En er is rekening gehouden met een nieuwere generatie zonnepanelen”. “Bij de efficiëntie van zonnepanelen is straks de meeste duurzaamheidswinst in de landbouw te halen.”
Toch druist deze voedselproductie volledig in tegen wat de consument natuurlijk vindt. En is het wel gezond? Biologische producten zouden gezonder zijn, omdat hier ook sporenelementen in te vinden zijn als mangaan, silicium en molybdeen. Dit terwijl de gangbare landbouw volledig is gericht op stikstof, fosfaat en kali.
“Juist daarom is het belangrijk dat het niet fabrieksmatig wordt”, zegt Van der Zee. “Voor de consument blijft het essentieel dat voedsel geproduceerd wordt met liefde en aandacht. Door boeren die het beste en lekkerste willen produceren.” Iedere tuinder kan dan z’n eigen voedingsbodem ontwikkelen. Het is als met kweekvlees. “Behalve wetenschappelijke uitdagingen, is er ook een sociale uitdaging.”
Elektrocultuur
De elektrolandbouw die in Amerika wordt onderzocht, mag niet worden verward met elektrocultuur. Ook dit is een innovatieve landbouwtechniek, deze maakt echter gebruik van elektrische velden om de groei en opbrengst van planten te verbeteren. Het klinkt misschien zweverig, maar deze methode maakt gebruik van de energie die in de atmosfeer aanwezig is, zoals elektromagnetische velden, om de plantengroei te stimuleren. Dit kan leiden tot hogere opbrengsten, verbeterde plantkwaliteit en een vermindering van het gebruik van kunstmest en pesticiden.
Elektroden in de grond creëren een elektrisch veld dat de ionen in de bodem en de planten beïnvloedt. Dit kan de opname van voedingsstoffen verbeteren en de groei versnellen.
Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat elektrocultuur de opbrengst van gewassen zoals erwten met wel 18% kan verbeteren. Het onderzoek richtte zich op een hoogspannings-elektrisch veld waarbij gebruik werd gemaakt van een tribo-elektrische nanogenerator om het elektrische veld te genereren met energie afkomstig van wind en regen.
Niet alleen de opbrengst was veel hoger, ook kiemden de erwten sneller dan controleplanten en hadden de planten een betere algehele gezondheid, wat zich uitte in sterkere wortels en een betere weerstand tegen ziekten.
De resultaten toonden aan dat de erwtenplanten die aan het elektrische veld waren blootgesteld, bijna een vijfde meer opbrengst produceerden en sneller kiemden dan de controleplanten
Het onderzoek aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing is in 2022 gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Food.
