Тонкая настройка условий роста помогает цианобактериям процветать в лабораторных условиях

Цианобактерии — одни из древнейших форм жизни, ответственные за генерацию атмосферного кислорода. Исследователи из Института Biodesign Университета штата Аризона совершенствуют методы культивирования этих микробов — потенциально богатого источника биотоплива и биоматериалов — в значительно больших количествах. Работа закладывает важную основу для оптимизации фотобиореактора (PBR), в котором размножаются эти богатые энергией фотосинтезирующие организмы.

Цианобактерии — привлекательный вариант для производства чистой энергии. Их легче реинжинирить, и можно контролировать рост для производства больших количеств биотоплива или биоматериала.

Новое исследование показывает, что оптимизация роста цианобактерий требует тонкого взаимодействия CO₂, фосфора и достаточной световой радиации внутри сосуда PBR. Это фундаментальное исследование предоставляет количественные инструменты для оценки факторов, ограничивающих производство цианобактерий в PBR, что является критическим шагом на пути к крупномасштабному производству биотоплива. Результаты опубликованы в журнале Biotechnology and Bioengineering.

Фотосинтезирующие цианобактерии способны производить примерно в 100 раз больше чистого топлива с акра по сравнению с другими биотопливными культурами. Им для выживания нужно лишь солнечный свет, вода, CO₂ и несколько питательных веществ, поэтому они не требуют изъятия пахотных земель из производства продуктов питания. Их можно выращивать в PBR на крышах.

PBR использует солнечные фотоны как источник энергии для преобразования CO₂ в восстановленные формы, такие как биомасса, белки, липиды и углеводы.

Цианобактерии быстро размножаются, дают высокий выход биомассы и толерантны к широкому диапазону температур, солёности и pH. Помимо биотоплива, извлекаемого из липидов, они могут производить полезные для промышленности материалы, такие как биополимеры или изопрены. Они также ценны для производства нутрицевтиков.

В данном исследовании группа использовала дикий тип Synechocystis PC6803, культивируемый в лабораторном PBR на стандартной среде BG-11. Проводилась серия полунепрерывных экспериментов, в которых манипулировали тремя основными переменными: CO₂, световой радиацией и фосфором.

Ключевой вывод: «В этом исследовании мы обнаружили, что фосфор действительно важен». Цианобактерии не могли эффективно использовать углекислый газ в своем цикле роста, пока среда BG-11 не была дополнена фосфором. Добавление фосфора позволило достичь более высокой продуктивности биомассы в биореакторе. Как только ограничение по фосфору было преодолено, ограничивающими факторами роста стали световая радиация и CO₂.

Значимость фосфора для контролируемого роста фототрофов в PBR ранее не изучалась подробно. В экспериментах команда имитировала естественный режим световой радиации, тщательно контролируя уровни CO₂ (2.5, 5.0 и 7.5%) и фосфора.

Результаты показали, что при наличии всех необходимых питательных веществ ограничивающим фактором становится световая радиация, поскольку скопление биомассы в сосуде блокирует доступный свет. Это условие преодолевается за счёт периодического сбора биомассы из реактора. Прогресс исследования команды заключается в количественной оценке этих факторов для получения оптимальных значений.

Исследователи подчёркивают, что в конечном итоге источником питательных веществ (включая фосфор) могут быть сточные воды или переработанная биомасса, а избыток CO₂ от электростанций может удовлетворить потребности микробов. Таким образом, может быть сформирована замкнутая система, производящая полезную энергию из загрязнителей воды и CO₂, способствующего парниковому эффекту.

Эта работа — часть крупных междисциплинарных усилий, направленных на коммерческое производство биотоплива и биоматериалов, что является ключом к поиску углеродно-нейтральной замены ископаемому топливу.