Разнообразное сочетание видов улучшает стабильность и выход мазута водорослевых биотопливных систем, а также их устойчивость к вторжению посторонних, согласно результатам финансируемого из федерального бюджета исследования на открытом воздухе, проведенного исследователями Мичиганского университета.
Ученые из Университета Мексики выращивали различные комбинации видов пресноводных водорослей в 80 искусственных прудах в лаборатории Университета Массачусетса. George Reserve недалеко от Пинкни в первом крупномасштабном контролируемом эксперименте по проверке широко распространенной идеи о том, что биоразнообразие может улучшить производительность биотопливных систем водорослей в полевых условиях.
В целом, исследователи обнаружили, что различные смеси видов водорослей, известные как поликультуры, выполняют больше ключевых функций на более высоких уровнях, чем любой отдельный вид - они лучше справлялись с многозадачностью. Но, что удивительно, исследователи также обнаружили, что поликультуры не производят больше водорослевой массы, известной как биомасса, чем самые продуктивные отдельные виды или монокультуры.
"Результаты имеют ключевое значение для разработки устойчивых биотопливных систем, поскольку они показывают, что, хотя монокультура может быть оптимальным выбором для максимизации краткосрочного производства водорослей, поликультуры обеспечивают более стабильный урожай в течение более длительных периодов времени", сказал ведущий автор исследования Кейси Годвин, научный сотрудник с докторской степенью в Школе окружающей среды и устойчивого развития UM.
Выводы группы планируется опубликовать 18 июня в журнале Global Change Biology-Bioenergy.
Биологическая нефть, полученная из водорослей, изучается как потенциальная альтернатива ископаемому топливу для получения возобновляемой энергии. Поскольку они быстро растут и могут быть преобразованы в бионефть, водоросли могут генерировать больше топлива с меньшей площади поверхности, чем такие культуры, как кукуруза. Но технические проблемы, связанные с выращиванием огромного количества этих микроскопических водных растений в больших прудах для выращивания культур на открытом воздухе, замедлили продвижение к выращиванию в коммерческих масштабах.
Снаружи - вдали от контролируемых условий лаборатории - система выращивания водорослей на биотопливе должна поддерживать устойчивый, стабильный рост водорослей, готовых к использованию в качестве топлива, перед лицом изменчивых погодных условий, угрозы гибели популяций, вызванной болезнями и вредителями., а также нашествие неприятных видов водорослей.
Десятилетия экологических исследований показали, что растительные и животные сообщества, состоящие из богатого сочетания видов, в среднем более продуктивны, чем сообщества с меньшим разнообразием, более устойчивы к изменениям окружающей среды и более устойчивы к вредителям и вредителям. болезни.
Но идея о том, что поликультуры водорослей могут превзойти монокультуры, никогда не подвергалась тщательной проверке в крупномасштабных полевых условиях. При финансовой поддержке Национального научного фонда и Энергетического института UM эколог UM Брэдли Кардинале и его коллеги решили проверить эту гипотезу, используя исследование, состоящее из двух частей.
На первом этапе выращивались различные комбинации шести видов североамериканских озерных водорослей в 180 похожих на аквариумы резервуарах в подвале здания Дана в кампусе Университета Мексики в Анн-Арборе. Все шесть видов обычно используются в биотопливных системах.
Второй этап включал в себя полевые испытания четырех наиболее многообещающих видов водорослей и их смесей путем выращивания их на открытом воздухе в 290-галлонных резервуарах для крупного рогатого скота в заповеднике U-M площадью 1300 акров. Эта работа была проделана летом 2016 года и привела к готовящемуся докладу «Биология-биоэнергетика глобальных изменений».
На обоих этапах исследования коллеги из Инженерного колледжа UM использовали метод, называемый гидротермальным сжижением, для преобразования водорослей в горючее масло или биосырую нефть, которую можно перерабатывать для производства транспортного топлива, такого как биодизель.
Сначала мы оценили различные комбинации водорослей в лаборатории, а затем вынесли лучшие из них на природу, где они подверглись воздействию изменчивых погодных условий, вредителей, болезней и всех других факторов, от которых страдают водоросли. на основе усилий по исследованию топлива в течение 40 лет», - сказал Годвин.
В своем анализе образцов водорослей, собранных в течение 10-недельного исследования E. S. В исследовании George Reserve ученые сравнили способность монокультур и поликультур выполнять несколько задач одновременно: выращивать большое количество биомассы водорослей, производить высококачественную биосырье, сохранять стабильность во времени, противостоять резкому сокращению популяции и отражать вторжение нежелательных водорослей. виды.
Их анализ показал, что использование поликультур значительно замедляет вторжение нежелательных видов водорослей; что выходы биосырья были значительно выше в двух- и четырехвидовых поликультурах, чем в монокультурах; и что разнообразные урожаи водорослей были более стабильными с течением времени.
И в то время как монокультуры, как правило, хорошо справлялись с одной или двумя задачами одновременно, поликультуры выполняли больше работ на более высоких уровнях, чем любая из монокультур, черта, называемая многофункциональностью.
Но в то же время поликультуры производили меньше биомассы, чем самые эффективные монокультуры. И использование поликультур не оказало существенного влияния на масштабы и сроки внезапного, резкого сокращения производства водорослей, известного как крах популяции.
«Наши результаты показывают, что при выращивании биотоплива из водорослей существует фундаментальный компромисс», - сказал Кардинале, профессор Школы окружающей среды и устойчивого развития Университета штата Массачусетс.
"Вы можете выращивать одновидовые культуры, которые производят большое количество биомассы, но являются нестабильными и производят меньше биосырья. Или, если вы готовы отказаться от некоторого урожая, вы можете использовать смеси видов для производства биотопливной системы. которая более стабильна во времени, более устойчива к видам вредителей и дает больше биосырой нефти."
Автором статьи по биологии глобальных изменений, помимо Годвина и Кардинале, являются Обри Лашауэй и Дэвид Хиетала из UM, а также Филип Сэвидж из Пенсильванского государственного университета.
Члены той же исследовательской группы опубликовали другие недавние работы, в которых исследуются преимущества разнообразия систем биотоплива из водорослей для сведения к минимуму использования удобрений, переработки отходов и улучшения химических свойств биосырья.
«В совокупности эти результаты показывают, как применение принципов экологии может помочь в разработке систем возобновляемого топлива нового поколения», - сказал Годвин.