При выращивании водорослей в открытых водоемах в качестве биотоплива нового поколения естественное разнообразие видов поможет снизить вероятность неурожая, согласно исследованию Мичиганского университета, финансируемому из федерального бюджета.
Биологическая нефть, полученная из водорослей, изучается как потенциальная альтернатива ископаемому топливу для получения возобновляемой энергии. Эколог UM Брэдли Кардинале и его коллеги обнаружили, что выращивание нескольких видов водорослей в 180 аквариумных резервуарах помогло стабилизировать производство биосырья и сделало систему более надежной и эффективной.
Хотя эксперимент проводился в помещении, его результаты имеют отношение к выращиванию на открытом воздухе, сказал Кардинале, соавтор статьи, недавно опубликованной в Интернете в журнале Environmental Science & Technology.
"Эти результаты важны, потому что одной из наших самых больших проблем в обеспечении доступности биотоплива из водорослей является повышение эффективности прудов для выращивания на открытом воздухе и предотвращение аварий, которые губят урожай", - сказал он..
«Компании тратят большие суммы денег на неоднократное создание этих прудов. Если разнообразие видов повышает эффективность, а также снижает вероятность аварии, то это также снижает затраты», - сказал Кардинале, профессор школы UM. природных ресурсов и окружающей среды и директор CILER, Совместного института лимнологии и исследований экосистем.
Удивительно, но исследователи также обнаружили, что выращивание смеси видов водорослей не увеличивает производство биосырья по сравнению с видами, выращиваемыми поодиночке в виде монокультур. На самом деле конкуренция между видами часто приводила к тому, что смеси производили меньше биосырья, чем каждый вид в отдельности..
Это открытие контрастирует с десятилетиями экологических исследований, показывающих, что сообщества, содержащие более разнообразные наборы растений и животных, в среднем более продуктивны и более эффективно используют ресурсы. Из-за этой предыдущей работы исследователи водорослей UM выдвинули гипотезу, что смесь видов водорослей будет более продуктивной, чем отдельные виды. Но это было не так.
"Наши результаты показывают, что при выращивании биотоплива из водорослей существует фундаментальный компромисс", - сказала Анита Нарвани, бывший научный сотрудник Университета штата Массачусетс в Школе природных ресурсов и окружающей среды и ведущий автор исследования.
"Вы можете выращивать одновидовые культуры, которые дают высокие урожаи, но имеют высокий риск потери урожая. Или вы можете использовать смеси видов, которые дают более низкие урожаи, но с гораздо меньшей вероятностью упадка и более устойчивы во времени."
Работа UM была профинансирована за счет четырехлетнего гранта в размере 2 миллионов долларов от Национального научного фонда. Грант, присужденный в июле 2013 года, предназначен для проведения исследования, состоящего из двух частей, для выявления и тестирования разнообразных групп зеленых водорослей, которые можно выращивать вместе для создания высокопродуктивной, экологически устойчивой и рентабельной системы производства биотоплива нового поколения.
Первая фаза исследования включала выращивание различных комбинаций шести видов североамериканских озерных водорослей в 180 аквариумоподобных резервуарах в лаборатории в подвале здания Университета Мексики Дана, где располагается Школа природных ресурсов и окружающей среды..
Каждый 10-литровый аквариум содержал один, два, четыре или шесть видов водорослей. Половина баков получила постоянную температуру 71,6 градуса по Фаренгейту (22 С). Другая половина была назначена на обработку при переменной температуре, чтобы имитировать условия на открытом воздухе. Температура колебалась между 62,6 и 80,6 F (17 и 27 C) с недельными интервалами.
Эксперимент длился семь недель и показал, что смеси видов водорослей в среднем более стабильны и надежны в условиях колебаний температуры.
Вторая фаза проекта, финансируемого NSF, включала полевые испытания наиболее многообещающих видов водорослей и смесей видов путем выращивания их на открытом воздухе в 80 аквариумах из стекловолокна в университетском заповеднике E. S. George Reserve, биологическая станция площадью 1300 акров недалеко от Пинкни, штат Мичиган. Эти работы проводились летом 2016 года, и сейчас анализируются результаты.
На обоих этапах исследования коллеги из Инженерного колледжа UM использовали метод, называемый гидротермальным сжижением, для измерения количества и качества горючих масел или бионефти, производимых различными комбинациями водорослей. Они также сравнивают способность одно- и многовидовых систем повторно использовать и перерабатывать отходы для дополнительного роста.
Ограниченные запасы ископаемого топлива, растущий глобальный спрос на энергию и растущий уровень удерживающего тепло углекислого газа в атмосфере недавно выдвинули биотопливо, полученное из водорослей, на передний план программ исследований в области возобновляемых источников энергии.
Однако необходимо преодолеть ряд препятствий, чтобы промышленное производство сырой нефти из водорослей стало возможным и экономически конкурентоспособным с сырой нефтью на основе ископаемого топлива. При выращивании в больших открытых прудах водоросли страдают от нестабильности урожая из-за колебаний солнечного света и температуры, а также от вредителей, болезней и других нежелательных захватчиков.
Документ по науке об окружающей среде и технологиям «Сила планктона: влияние биоразнообразия водорослей на производство и стабильность биосырья» был опубликован в Интернете 9 ноября. Первый автор Нарвани сейчас работает в Швейцарском федеральном институте водных наук и технологий.. Другими авторами, помимо Кардинале, являются Обри Лашауэй из Школы природных ресурсов и окружающей среды, Дэвид Хиетала с факультета химического машиностроения UM и бывший преподаватель инженерного факультета UM Филип Сэвидж, ныне работающий в Пенсильванском государственном университете.
Та же исследовательская группа с добавлением постдокторского исследователя SNRE Кейси Годвина опубликовала в Интернете еще одну статью из того же исследования.29 в технологии биоресурсов. Это показало, что когда удобрения, используемые для выращивания водорослей, перерабатываются в резервуары, содержащие один вид водорослей, эти монокультуры часто не растут или даже умирают при попытке переработать и повторно использовать свои собственные отработанные удобрения.
Напротив, смеси водорослей не только выживают за счет использованных удобрений, но и процветают за счет повторного использования своих собственных питательных веществ, часто увеличивая биомассу за счет многократного повторного использования одного и того же удобрения.
«Возможность перерабатывать питательные вещества важна, потому что удобрения дороги, а неиспользованные питательные вещества являются крупнейшим источником загрязнения ручьев, озер и океанов», - сказал Годвин. «Наше исследование показывает, что разнообразные смеси водорослей могут сократить использование удобрений и повторно использовать питательные вещества таким образом, чтобы производить больше биосырья».