Избыток углекислого газа помешал цианобактериям эффективно превратиться в биотопливо

Ученые выяснили условия, при которых цианобактерию Arthrospira platensis можно использовать в качестве сырья для производства бионефти. Эксперименты показали, что этот микроорганизм быстрее растет при высоких концентрациях углекислого газа (порядка 8%), чем при тех, что характерны для атмосферы (0,035%). Однако в первом случае из того же количества биомассы получается на 23% меньше бионефти, чем во втором из-за изменений в метаболизме цианобактерий. Полученные данные помогут оптимизировать методики производства биотоплива и подобрать наиболее экономически выгодный подход. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Sciences.

Промышленное производство и возрастающие потребности в энергетических ресурсах приводят к тому, что природные запасы нефти и газа истощаются. Кроме того, использование этих видов ископаемого топлива приводит к выбросам углекислого газа в атмосферу и загрязнению океанов нефтепродуктами. Поэтому ученые ищут другие, возобновляемые и более экологичные источники энергии. Одна из перспективных альтернатив — биотопливо, которое производится из растительного сырья, например из культур микроскопических водорослей и цианобактерий. Такой способ получения топлива очень удобен, поскольку микроорганизмы быстро растут, обычно не требовательны к среде для культивирования и, кроме того, в процессе фотосинтеза улавливают углекислый газ, тем самым помогая бороться с его накоплением в атмосфере.

Ученые из Объединенного института высоких температур РАН (Москва), Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) Российского университета дружбы народов (Москва) с российскими и зарубежными коллегами провели эксперименты по получению биотоплива из культур Arthrospira platensis. Это нитчатая цианобактерия, широко распространенная в субтропических карбонатных озерах. Более ранние исследования показали, что у Arthrospira platensis есть интересная особенность: на скорость ее роста влияет концентрация углекислого газа в среде. При этом при более высоких концентрациях (порядка 8–10%) она растет лучше, чем при низких (2%). Поэтому авторы работы поместили культуру Arthrospira platensis в биореактор объемом 90 литров, к которому была присоединена камера, подающая в среду углекислый газ в постоянной концентрации 8%.

В течение 15 суток цианобактерии росли в биореакторе, после чего их концентрировали (удаляли из культуры лишнюю воду) и нагревали до 330°С. Эти операции позволили получить из Arthrospira platensis жидкое биотопливо и биоуголь. Выход бионефти (доля исходной биомассы, преобразовавшейся в этот продукт) составила около 14%. Это невысокое значение, особенно если учитывать, что при других условиях культивирования — при концентрации углекислого газа в среде не 8%, а всего 0,035% (как в атмосфере) — авторам удалось добиться выхода в 37%. Дело в том, что, хотя большое количество углекислого газа и ускоряет рост Arthrospira platensis, оно меняет химический состав клеток. Анализ показал, что в таких условиях цианобактерия синтезирует на 25% меньше липидов, которые вносят основной вклад в выход бионефти.

Кроме того, авторы проанализировали химический состав полученного биотоплива. Оказалось, что, по сравнению с ископаемой нефтью, в нем содержались гораздо большие концентрации тяжелых металлов (например, в 90 раз больше железа, в три раза — меди, в 10 раз — молибдена). Это указывает на то, что бионефть из Arthrospira platensis требует дополнительных стадий очистки.

«В данной работе мы реализовали путь от выращивания Arthrospira platensis при повышенной концентрации углекислого газа до получения бионефти методом гидротермального сжижения. В дальнейшем мы планируем рассмотреть возможность получения других видов биотоплива из этого типа биомассы. Полученные результаты могут в будущем использоваться при создании полигонов по поглощению углекислого газа и производству ценных продуктов, включая биотопливо», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Власкин, кандидат технических наук, заведующий лабораторией энергоаккумулирующих веществ Объединенного института высоких температур РАН.

В исследовании также принимали участие сотрудники компаний «Лукойл-Инжиниринг», «РИТЭК», «Strata Solutions» и университета Graphic Era (Индия).